Energia eólica

Energia eólica
1 INTRODUÇÃO
Energia eólica, energia contida na força dos ventos que sopram sobre a superfície da Terra. Quando captada, a energia eólica pode ser convertida em energia mecânica, para a realização de tarefas como bombear água, moer grãos e serrar madeira. Conectando um rotor giratório (um conjunto de pás ligadas a um eixo) a um gerador elétrico, as modernas turbinas eólicas convertem a energia eólica, que gira o rotor, em energia elétrica.

O vento é criado quando o ar quente sobre a terra aquecida pelo sol se eleva, deixando um vácuo no espaço que antes ocupava. O ar frio circundante corre para preencher esse vácuo. Esse movimento impetuoso do ar é o que conhecemos como vento.

É possível que os egípcios tenham sido os primeiros a captar a energia eólica, ao subirem em barcos o rio Nilo, a partir do século IV a.C. Durante os séculos posteriores, embarcações à vela movidas pelo vento percorreram os mares e oceanos do mundo, funcionando como a principal forma de transporte comercial. A energia eólica vem sendo utilizada em terra, desde o desenvolvimento do primeiro moinho pelos antigos persas no século VII. A partir dessa época, os moinhos vêm sendo empregados para moer grãos, bombear água, serrar madeira e fornecer outras formas de energia mecânica.
Dado que o vento constitui uma fonte limpa e renovável de energia, modernas turbinas eólicas vêm sendo instaladas na Alemanha, Dinamarca, Índia, China e nos Estados Unidos, como complemento para as fontes mais tradicionais de energia elétrica: o carvão, por exemplo. Melhorias no projeto, como pás de rotor mais eficazes, combinadas a um crescimento no número de turbinas eólicas instaladas, ajudaram a aumentar a capacidade mundial de geração de energia eólica em quase 150% desde 1990. Em 1997, o mercado mundial de energia eólica atingiu 3 bilhões de dólares.

2 EVOLUÇÃO DOS MOINHOS
Os antigos moinhos persas eram dispositivos toscos, consistindo em uma torre simples, que sustentava um conjunto de pás, feitas com um feixe de juncos. As pás giravam em torno de um eixo vertical, com uma parede que as protegia, quando rodavam de volta na direção do vento. Esses moinhos primitivos eram empregados na moagem de grãos.

Durante séculos, os moinhos europeus tradicionais foram utilizados nas terras baixas do norte da Europa. Na verdade, a expressão moinho de vento origina-se do uso dessas máquinas para moer grãos. Os primeiros moinhos europeus foram construídos no século XII, no noroeste da França e no sul da Inglaterra. Em seguida, seu uso difundiu-se na Bélgica setentrional, Alemanha e, para o norte, até a Dinamarca, durante o final do século XII e o século XIII.

Foi o uso da energia eólica que permitiu que Jan Leegwater e os engenheiros holandeses seguintes pudessem drenar as terras úmidas da Holanda, tornando-as habitáveis. Os moinhos europeus foram empregados ainda para serrar madeira, rasgar tabaco em tiras, fabricar papel, espremer linhaça para obter óleo e triturar pedras para conseguir tinta. Os 700 moinhos construídos no distrito de Zaan, ao norte de Amsterdã, formaram o núcleo do que se tornou o centro da manufatura holandesa, uma área que acabou colaborando na deflagração da Revolução Industrial.

Ao contrário dos persas, os europeus desenvolveram moinhos com rotores que giravam em torno de um eixo horizontal. Os moinhos europeus típicos empregavam quatro pás, embora alguns usassem cinco e, às vezes, seis. Os primeiros moinhos europeus colocavam a torre que sustentava o rotor em um poste vertical. Isso permitia que todo o moinho girasse e encarasse o vento. Muitos destes pequenos engenhos, chamados moinhos de poste, ainda são encontrados no norte da Europa.

Ao final do século XIV, esses equipamentos evoluíram para os tradicionais moinhos de torre europeus, alguns com torres de até três andares. Os rotores destes moinhos são presos a uma cobertura giratória, permitindo que o moleiro aponte as pás do rotor para a direção do vento, ao girar a cobertura. Muitos dos moinhos de torre europeus continham dois ou três pavimentos interiores, onde era possível armazenar os produtos processados, como grãos, madeira, corantes e tabaco.

Durante os 500 anos seguintes, o desempenho dos moinhos europeus passou por grandes melhorias. O moinho típico evoluiu para uma torre construída em madeira, pedra e tijolos, que sustentava um rotor com quatro pás, revestidas de tecido, que agiam como velas. O rotor, com um diâmetro de 25 m, era capaz de fornecer de 25 a 30 kW de energia mecânica. Entre as inovações técnicas do moinho europeu, figuram propulsores de pás múltiplas projetando-se atrás do rotor, para mantê-lo automaticamente apontado na direção do vento; freios aerodinâmicos; ripas ajustáveis automaticamente nas pás (ao invés de tecido); e pás com bordas anteriores em forma de aerofólio, que antecipavam as asas das modernas aeronaves. Durante o apogeu do moinho europeu (que entrou em declínio no final do século XIX, quando o motor a vapor começou a ser amplamente utilizado), produziam-se cerca de 1.500 MW de potência, um nível que só voltou a ser alcançado em 1988.

Enquanto a utilização dos moinhos de vento começava a declinar na Europa durante o século XIX, do outro lado do Oceano Atlântico, o moinho rural vinha sendo usado por colonos que se estabeleciam na fronteira norte-americana. Perfeitamente adequado para bombear a água do subsolo profundo, o moinho de vento rural norte-americano tornou-se parte integrante das comunidades agrícolas do Oeste dos Estados Unidos. Segundo um historiador, foi o moinho rural, junto com o revólver Colt 45 e a cerca de arame farpado, que permitiu a ocupação das Grandes Planícies norte-americanas.

Nos 100 anos de reinado do moinho norte-americano para bombeamento de água, diversas melhorias foram introduzidas. Os primeiros moinhos rurais usavam pás feitas de ripas de madeira. No final do século XIX, o engenheiro norte-americano Thomas Perry aperfeiçoou essas pás. Utilizando um modelo movido a vapor, Perry realizou testes científicos que levaram à invenção das pás de metal laminado, as quais praticamente duplicaram a eficiência do rotor. Com base nas melhorias do projeto do rotor de Perry, o empresário norte-americano LaVerne Noyes construiu o moinho rural mais bem sucedido, o Aermotor. Embora não tenham sido as primeiras pás de moinho em metal, as pás do Aermotor se mostraram tão eficazes que revolucionaram os moinhos rurais e ainda são empregadas atualmente.

O moinho rural norte-americano produzia apenas um décimo da energia de uma turbina eólica moderna com o mesmo tamanho. Essa pouca eficiência impediu o uso do moinho rural de pás múltiplas para a geração de eletricidade. Embora a indústria de moinhos agrícolas norte-americana tenha alcançado seu ápice no início do século XX, mais de um milhão desses equipamentos ainda estão em uso em todo o mundo.

3 TURBINA EÓLICA MODERNA
Durante a década de 1930, o interesse no fornecimento de iluminação e de aparelhos elétricos para as propriedades rurais nas Grandes Planícies levou ao desenvolvimento de pequenas turbinas eólicas carregadas à bateria. Estas foram as precursoras das pequenas turbinas eólicas de duas ou três pás, usadas atualmente no fornecimento de energia para residências em locais remotos ou para povoados em países em desenvolvimento.

A crise do petróleo na década de 1970 estimulou os esforços para o desenvolvimento da energia eólica como uma fonte alternativa de energia elétrica. Muitos países lançaram programas para o desenvolvimento das modernas turbinas eólicas. Embora a maioria desses programas tenha fracassado, a Dinamarca teve sucesso no desenvolvimento das turbinas. Países como os Estados Unidos adotaram essa tecnologia para aproveitar os recursos da energia eólica.

A moderna turbina eólica é o resultado de avanços no desenho e nos materiais feitos durante as décadas de 1980 e 1990, que aumentaram a eficiência desse equipamento. Hoje, turbinas eólicas do mesmo tamanho dos moinhos de vento europeus tradicionais podem gerar de 250 a 300 kW de energia, um aumento de quase 10 vezes em eficiência.

4 COMPONENTES DOS SISTEMAS DE ENERGIA EÓLICA
Os modernos sistemas de energia eólica consistem de três componentes básicos: uma torre na qual se monta a turbina; um rotor movido pelo vento; e a nacela, abrigo para o equipamento, inclusive o gerador, que converte a energia mecânica de um rotor giratório em eletricidade. A torre que sustenta o rotor e o gerador deve ser resistente. As pás do rotor precisam ser leves e fortes, a fim de se mostrarem eficientes em termos aerodinâmicos e resistirem ao uso prolongado sob ventos intensos.
Melhorias no desenho estrutural e nos materiais levaram à construção de torres mais altas,
possibilitando que os rotores fossem instalados mais longe do solo, onde os ventos são mais fortes. Pequenas turbinas eólicas (menos de um quilowatt) são montadas em postes simples, ancorados por cabos, com uma altura de 10 a 20 metros. Turbinas de 1 a 30 kW são instaladas em torres tubulares ou em treliça, com uma altura de 20 a 40 metros. Turbinas eólicas de tamanho médio geralmente são montadas em torres tubulares de aço, de 25 a 50 m de altura. As torres das turbinas eólicas, que abrigam os cabos que conduzem a eletricidade do gerador até a base da torre, podem ser construídas em metal, plástico reforçado e concreto.

O rotor, que gira movido pelo vento, sustenta pás projetadas para capturar a energia cinética do vento. Quase todas as turbinas eólicas modernas contam com rotores que giram em torno de um eixo paralelo ao solo. O rotor gira um eixo que converte a energia do vento em energia mecânica. Por sua vez, o eixo move o gerador, que converte a energia mecânica em eletricidade. Embora algumas turbinas eólicas modernas tenham pás de rotor feitas de madeira composta, grande parte dessas peças é fabricada em fibra de vidro, material leve e resistente, geralmente composto de resinas de poliéster e fibras de vidro. Ao contrário do moinho de vento rural norte-americano, as turbinas eólicas modernas não usam pás de alumínio ou aço; o alumínio é incapaz de resistir ao esforço contínuo de ser envergado por ventos fortes e o aço é muito pesado.

Pequenas turbinas eólicas geralmente usam um leme para manter o rotor na direção do vento. A maior parte das turbinas de tamanho médio utiliza um motor elétrico para direcionar mecanicamente o rotor para o vento.

O gerador converte a energia mecânica de um rotor giratório em eletricidade (ver Motores e geradores elétricos). A maioria das turbinas eólicas utiliza um gerador com transmissão combinada. Muitas usam dois geradores, um pequeno para ventos leves e um maior para ventos fortes. Outras empregam um único gerador com bobinas elétricas duais. Estas desempenham a mesma tarefa da combinação de geradores pequeno e grande. Algumas turbinas eólicas utilizam um outro tipo de gerador, especialmente projetado, movido diretamente pelo rotor, sem uma transmissão.

5 TAMANHO DAS TURBINAS EÓLICAS
Turbinas eólicas podem ser arbitrariamente divididas em três categorias: pequenas, médias e grandes. Pequenas turbinas eólicas conseguem gerar entre 50 W e 60 kW de energia e usam rotores com diâmetro que varia de menos de 1 até 15 metros. Estão geralmente instaladas em áreas remotas, onde é necessária energia mas o acesso a fontes convencionais de eletricidade ou é muito caro ou pouco confiável. Alguns tipos, chamados de microturbinas, são tão pequenos que podem ser transportados a cavalo.

A maioria dos equipamentos eólicos comerciais é de turbinas de tamanho médio. Utilizam rotores com diâmetros entre 15 e 60 m e têm capacidade geradora de 50 a 1.500 kW. A maioria dessas turbinas comerciais gera entre 500 a 750 quilowatts.

As grandes turbinas eólicas são enormes, com rotores entre 60 e 100 m de diâmetro, e são capazes de gerar de 2 a 3 MW de energia. Como o rendimento de usinas de energia convencional à carvão ou petróleo aumenta com o tamanho da instalação, acreditava-se originalmente que as turbinas eólicas gigantes seriam mais econômicas do que equipamentos menores. Diversos países tentaram desenvolver turbinas eólicas comerciais de grande porte, mas elas se mostraram menos econômicas e confiáveis do que os equipamentos de tamanho médio.

6 INDÚSTRIA MODERNA DE ENERGIA EÓLICA
Muitos países começaram a pesquisar fontes alternativas de energia durante as crises de escassez de petróleo da década de 1970. À medida em que se registravam melhorias na tecnologia, surgia a moderna indústria de energia eólica. Cada vez mais, turbinas eólicas modernas produzem eletricidade de forma tão eficiente quanto outras tecnologias de geração de energia. Um dos maiores obstáculos para o desenvolvimento da energia eólica é encontrar o terreno e as condições de vento adequadas.
A quantidade de energia cinética disponível no vento é uma função cúbica da velocidade do vento, isto é, cada vez que a velocidade dobra, há um aumento correspondente de oito vezes na energia disponível. Essa relação exponencial entre velocidade e energia do vento torna a localização extremamente importante. Uma área com altas velocidades médias de vento pode proporcionar muito mais energia do que um local cuja velocidade do vento seja um pouco menor.

Na maioria das localizações continentais, os ventos são mais fortes no inverno e na primavera e mais fracos durante o verão e o outono. Padrões regionais de tempo e condições topográficas locais podem provocar alterações nos padrões de vento. Por exemplo, a velocidade dos vento no Passo de Altamont, na Califórnia, é maior durante os meses de verão, quando aumentam as diferenças de temperatura entre o quente Central Valley e o frio Oceano Pacífico. Esses ventos fortes são provocados pelo ar frio do Oceano Pacífico precipitando-se para preencher o vácuo criado pelo ar ascendente no Central Valley.

7 USINAS DE ENERGIA EÓLICA
Turbinas eólicas podem ser instaladas individualmente, em grupos de duas a dez unidades, ou em grandes conjuntos, chamados usinas de energia eólica ou fazendas eólicas. Estas usinas abrigam uma enorme quantidade de turbinas eólicas. O passo Tehachapi, na Califórnia, contém várias usinas desse tipo, cada uma com mais de mil turbinas.

Acredita-se que turbinas eólicas reunidas em usinas apresentam maior economia na geração de eletricidade do que turbinas individuais ou em pequenos grupos. A rentabilidade pode ser maior ao se operar e manter grandes quantidades de turbinas. Contudo, esta concentração pode diminuir a produção individual, quando turbinas contra o vento interrompem o fluxo de ar das turbinas a favor do vento.

Com freqüência, a disposição das turbinas eólicas em uma usina é determinada pela geografia local. Usinas em terreno plano muitas vezes apresentam longas fileiras paralelas de turbinas. Uma das usinas visualmente mais interessantes do mundo é a Tændpibe-Velling Mærsk, na Dinamarca, um conjunto geométrico disposto como uma banda em marcha na península da Jutlândia.

Em terrenos ondulados ou montanhosos correndo perpendiculares aos ventos prevalecentes, os projetistas geralmente alinham o topo da serra com longas fileiras de turbinas eólicas. Esta é a formação utilizada em várias usinas do passo de Altamont, na Califórnia. É possível ainda dispor as turbinas em longas fileiras únicas junto a pontos do terreno expostos ao vento. Em toda a Holanda, conjuntos lineares são dispostos paralelamente aos muitos diques e canais de drenagem do país. Compridas fileiras de turbinas eólicas são encontradas ao longo dos quebra-mares do porto em Ebeltoft na Dinamarca, Zeebrugge na Bélgica e Blyth Harbor na Inglaterra.

Como nas usinas convencionais de energia, as usinas eólicas são uma reunião de múltiplos geradores independentes; no caso, turbinas eólicas. Embora cada uma das turbinas em uma usina opere de forma independente, geralmente estão conectadas a um sistema central de controle. Seja produzida por duas ou por duas mil turbinas, a energia é reunida e enviada a uma rede de fornecimento elétrica.
A Califórnia abriga alguns dos maiores conjuntos de turbinas eólicas do mundo. Usinas no passo de Altamont compreendem um total de 6 mil turbinas e no passo de Tehachapi quase 5 mil. Perto de Palm Springs, as usinas abrangem cerca de 3 mil turbinas eólicas.

8 CONFIABILIDADE DA ENERGIA EÓLICA
Por ser um recurso não poluente e renovável, a energia eólica é uma fonte promissora de eletricidade. Contudo, como as velocidades dos ventos variam com a hora do dia, estação e mesmo de um ano para outro, a energia eólica é um recurso intermitente. Em locais com muito vento, é comum as usinas operarem 60% do ano. Mesmo assim, o vento pode não ser forte o suficiente para permitir que utilizem toda a sua capacidade. No geral, turbinas instaladas em áreas com muito vento operam com uma média de 25% a 35% de sua capacidade total. Em comparação, usinas de energia a carvão geralmente funcionam com uma média de 75% a 85% de sua capacidade total.

A natureza intermitente da energia eólica não afeta os consumidores, quando as turbinas eólicas estão ligadas a uma rede elétrica. Na América do Norte, Europa e partes da Ásia, muitas turbinas eólicas estão conectadas a grandes redes de eletricidade. Assim, é possível compensar o efeito dos dias sem vento pela produção de outras fontes de geração de energia, como usinas termelétricas e usinas hidrelétricas, ligadas à rede elétrica. Este tipo de sistema ajuda a proporcionar aos consumidores um suprimento confiável de energia. Geralmente, pessoas que vivem em áreas remotas e dependem da eletricidade das turbinas eólicas utilizam baterias ou um gerador de reserva para conseguir energia auxiliar, durante períodos longos sem quantidade suficiente de vento.

Operacionalmente, as turbinas eólicas modernas são tão confiáveis quanto as usinas de energia convencional. É de menos de 3% o tempo em que a maioria das turbinas comerciais fica parada para manutenção ou reparos. Turbinas eólicas são conhecidas ainda por sua longevidade: muitas vêm gerando eletricidade desde o início dos anos 1980. Muitos dos moinhos rurais norte-americanos estão em uso contínuo há gerações, e alguns dos moinhos de vento europeus tradicionais vêm funcionando há quase 300 anos.

9 QUESTÕES ATUAIS E O FUTURO
Com a crescente demanda mundial por energia elétrica e o aumento da preocupação com o aquecimento global (ver Efeito estufa), muitos especialistas acreditam que o uso da energia eólica vai continuar a crescer. À medida em que melhorar seu rendimento como fonte de eletricidade, seu mercado deve continuar a se expandir. Contudo, alguns fatores políticos e ambientais vão influenciar este crescimento.

Embora a energia eólica seja um meio relativamente não poluente de gerar eletricidade, há impactos associados. Um deles é a alteração da qualidade visual do terreno pela reunião de grande número de turbinas, especialmente quando localizadas em áreas de expressiva beleza natural. Além das preocupações estéticas, o ruído dos rotores das turbinas vem gerando reclamações. Outra preocupação ambiental refere-se ao impacto na vida selvagem. Em alguns locais, turbinas eólicas são responsáveis pela morte de pássaros, inclusive espécies protegidas, acidentalmente apanhadas pelas pás do rotor.

Algumas destas preocupações ambientais estão sendo solucionadas com uma escolha mais cuidadosa da localização das turbinas eólicas. Outras, como o barulho dos rotores, poderão ser parcialmente resolvidas com aperfeiçoamentos nos projetos.

10 POLÍTICA DE ENERGIA EÓLICA
A Califórnia já liderou o mundo no desenvolvimento da energia eólica. Contudo, políticas energéticas estadual e federal inconsistentes e, com freqüência, conflitantes, contribuíram para o declínio do papel da indústria norte-americana de energia eólica. Alguns especialistas prevêem que o crescimento desse tipo de energia na América do Norte continuará a ser inferior ao da Europa no início do século XXI. Preocupações e compromissos recentes dos Estados Unidos e do Canadá em reduzir a emissão de gases relacionados ao aquecimento global poderão revitalizar a indústria de energia eólica. Países europeus também estão empenhando esforços no desenvolvimento de recursos energéticos não poluentes: Dinamarca, França, Alemanha, Grécia, Itália, Holanda, Espanha e Grã-Bretanha estão deflagrando programas agressivos de energia eólica.

Durante o final da década de 90, estavam sendo instalados anualmente quase 1.500 MW de capacidade de geração de energia eólica, principalmente na Europa e Ásia. Calcula-se que um total de 40 mil turbinas eólicas, representando 12 mil MW de capacidade, estarão instalados em todo o mundo no começo do século XXI. Essas turbinas vão produzir 20 bilhões de kWh anualmente, uma quantidade de energia equivalente à gerada por três a quatro grandes usinas nucleares.


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