As usinas eólicas são uma fonte de energia renovável em constante expansão no país: a Associação Brasileira de Energia Eólica (Abeeólica) estima que até 2028 o Brasil terá 44,78 GW de capacidade instalada derivada da energia eólica. Este tipo de energia é gerada a partir dos ventos, com dispositivos (turbinas eólicas) que transformam energia cinética em energia elétrica.
A popularização destas usinas ganhou força recentemente na busca pela transição energética, mas podemos dizer que este tipo de tecnologia é utilizado desde a Idade Média através dos moinhos de vento, porém inicialmente, o intuito da utilização de moinhos era a energia mecânica, enquanto que hoje o objetivo é a produção de eletricidade.
Nosso país tem grande potencial eólico, com destaque para a região Nordeste, onde se concentra os maiores produtores de energia eólica nos estados da Bahia, Rio Grande do Norte e Ceará.
Neste artigo você irá entender melhor sobre usinas eólicas, como funcionam e sua importância na matriz energética brasileira.
- Usinas eólicas: como funcionam?;
- Produção de energia nas usinas eólicas;
- Usinas eólicas: tipos e instalações.
Usinas eólicas: como funcionam?
De forma geral, as turbinas eólicas são usadas para captar e aproveitar a energia dos ventos, produzindo eletricidade. A energia cinética dos ventos é convertida em força mecânica, que posteriormente é convertida em energia elétrica, por meio de uma torre de energia.
As hélices ou pás eólicas, são a primeira parte de uma turbina eólica (também conhecida como gerador eólico) e giram quando o vento sopra através delas, mas sempre de forma controlada. O eixo primário e o rotor são girados pelo movimento da hélice, e esse movimento é acoplado a uma caixa de engrenagens para aumentar a velocidade de rotação.
Quando a energia mecânica da rotação finalmente chega ao gerador, dois ímãs iniciam um processo de indução eletromagnética que gera corrente alternada, que é utilizada para produzir eletricidade.
Os geradores de corrente contínua são outro tipo de gerador. Nesse cenário, o aerogerador precisa ter um inversor ou conversor para convertê-lo em corrente alternada, que é utilizada pelos dispositivos eletrônicos e pela rede elétrica.
A energia das turbinas eólicas gerada em enormes parques eólicos, é transferida para subestações transformadoras, que aumentam a sua tensão para que as linhas de transmissão possam transportá-la para as áreas urbanas. Confira no próximo tópico o papel e o funcionamento de cada estrutura de maneira aprofundada.
Produção de energia nas usinas eólicas
Componentes de uma turbina eólica
A energia eólica é convertida em eletricidade por turbinas eólicas através de um método indireto. A eletricidade é resultante, primeiramente, da energia mecânica. Embora os geradores eólicos tenham vários formatos, todos eles operam usando as mesmas peças fundamentais e modelo de construção. O que constitui uma turbina eólica são: pás, gerador, rotor, nacele, torre, caixa de câmbio ou caixa de transmissão e biruta. Veja mais sobre cada um dos itens a seguir.
Pás
A energia cinética, ou movimento do vento, é capturada pelas pás e transferida para o rotor da turbina. As pás das turbinas eólicas fornecem a força de suporte necessária, utilizando as mesmas características aerodinâmicas das asas dos aviões.
Os materiais usados para fazer pás eólicas são geralmente poliéster ou epóxi combinados com fibra de carbono, fibra de vidro ou aramida. Porém, estudos já testaram o uso de materiais recicláveis, como compósitos de madeira e chapas de aço ultra finas. Uma turbina eólica contemporânea pode ter pás com mais de cem metros de comprimento.
Rotor
O “nariz” da turbina eólica é chamado de rotor e pode pesar mais de 33 toneladas. O rotor é a seção da turbina em que as pás são fixadas na parte frontal, e é o componente da turbina eólica que transmite o movimento das pás ao eixo central, que pode funcionar na vertical ou na horizontal.
Mesmo durante períodos de rajadas de vento intensas, os recursos de segurança da turbina eólica regulam a velocidade do rotor e das pás. O sistema de frenagem das turbinas eólicas permite que elas parem de girar e, consequentemente, parem de produzir energia.
O diâmetro do rotor de um gerador eólico varia de 20 a 170 metros. Quanto maior for o rotor e as pás, maior será a capacidade produtora de uma turbina eólica.
Nacele
É a caixa que é fixada ao rotor da turbina eólica. Com peso de até 111 toneladas, dependendo do tamanho da turbina eólica, a nacele é de longe o maior componente de uma torre eólica.
A caixa de câmbio, o gerador, o chassi, o sistema de guinada, o sistema de controle eletrônico, o sistema hidráulico, os freios, a embreagem e os rolamentos estão normalmente entre as peças mantidas na nacele.
Torre
É a estrutura que mantém o rotor e a nacele da turbina eólica na altura perfeita para aproveitar o vento. As torres foram construídas inicialmente em metal, utilizando materiais como aço, mas à medida que ficaram maiores, foi usado concreto. Hoje em dia, as torres das turbinas eólicas têm facilmente 200 metros ou mais.
Gearbox
Esta é a caixa de engrenagens de um aerogerador, responsável por multiplicar a rotação do eixo de entrada principal e enviá-la ao eixo secundário. Enquanto o eixo secundário gira entre 1.000 e 3.000 RPM com pouco torque, o rotor e o eixo primário giram em taxas baixas, entre 15 e 60 RPM, mas com torque significativo.
Gerador
O instrumento detecta a velocidade e intensidade do vento e é montado no topo da nacele. Suas informações são utilizadas para criar gráficos das curvas de potência das turbinas e realizar estudos de geração elétrica nos parques. Os tipos mais conhecidos são os modelos termoelétrico, de copo, de moinho de vento e ultrassônico.
Biruta
A biruta é um sensor que mede a direção do vento. O sistema de controle da turbina eólica ajusta sua posição para que o rotor e as pás estejam na melhor posição possível para captar os ventos com base nos dados da biruta. A direção do vento deve permanecer perpendicular à torre para maior benefício.
Tipos de geradores eólicos
Gerador eólico de eixo vertical
O tipo mais comum de turbina eólica utilizada em todo o mundo. Seu design é derivado de cata-ventos e moinhos de vento clássicos.
O gerador eólico com rotor de eixo horizontal é mais eficiente do que aquele com eixo vertical. Por serem mais estáveis e eficientes, as turbinas eólicas horizontais de três pás são o tipo mais comum encontrado em grandes parques eólicos.
Turbina eólica com eixo vertical
Por sua vez, os geradores eólicos com rotor de eixo vertical são mais ideais para instalações menores e mais próximas do solo, pois operam melhor em ventos mais fracos e podem captar rajadas em qualquer direção.
Enquanto geradores de eixo vertical são mais modernos, entregando maior segurança e facilidade na construção e manutenção, os de eixo horizontal têm maior capacidade de produção de energia, além de serem mais baratos.
Usinas eólicas: tipos e instalações
Quando falamos sobre instalações de energia eólica, enquadram-se duas categorias: os sistemas de demanda local e o sistema ligados à rede.
Os sistemas que geram energia para a demanda local, mas não estão ligados à rede elétrica, são conhecidos como sistemas isolados. Já os sistemas ligados à rede, são aqueles que enviam energia para os centros de consumo remotos por meio de uma ligação à rede de transmissão nacional.
Além disso, existem dois tipos de projetos para estas usinas: offshore e onshore
As instalações de torres de energia eólica offshore, que ficam a quilômetros da costa, são conhecidas como parques offshore. As turbinas eólicas offshore podem ser montadas diretamente no fundo do mar ou em um casco flutuante, que pode ser diversos materiais, tais como concreto ou metal, e fixado ao fundo por meio de sistemas de ancoragem.
A decisão da ancoragem das torres de energia eólica é determinada com base na profundidade da água. Instalações de torres eólicas fixadas na parte inferior são mais viáveis financeiramente para locais de até 50 metros. Consequentemente, a produtividade pode ser aumentada com a instalação de turbinas em plataformas flutuantes mais afastadas da costa, onde os ventos são mais consistentes e fortes. A maior escala e maior eficiência elétrica das instalações de energia eólica offshore distinguem-nas da energia eólica onshore.
As turbinas eólicas offshore podem ser muito maiores e mais potentes do que as suas equivalentes costeiras, pois não precisam ser ancoradas ao solo. Ademais, dependem da maior potência e consistência dos ventos marítimos, que não são afetados por obstruções, ao contrário dos ventos terrestres.
As instalações de energia eólica onshore estão situadas em terra, geralmente perto da costa, onde os ventos são mais fortes. As instalações onshore podem ser construídas mais para dentro do continente, desde que a área proporcione condições de geração favoráveis e longe de áreas populosas, devido ao ruído produzido pelas turbinas eólicas.
Comparados aos projetos offshore, os parques eólicos onshore apresentam algumas vantagens, como menores custos de instalação e operação e maior proximidade dos centros de consumo, o que reduz as perdas e custos de transmissão.
Como visto, este tipo de fonte utiliza-se de um processo teoricamente simples, mas com etapas e tecnologias avançadas que fazem com que o aproveitamento do vento seja abundante.
O investimento em usinas eólicas no Brasil e no mundo tem se mostrado crescente. O aproveitamento do vento como fonte de geração de energia é alto, desde que sejam tomados os cuidados certos no planejamento e construção de parques eólicos.
