Eólica

As turbinas eólicas, sejam elas verticais ou horizontais, utilizam-se da energia cinética do fluxo de ar que atravessa o rotor, convertendo-a primeiramente em energia mecânica e, em seguida, através de um gerador, em energia elétrica.
A potência extraível do vento, por meio de uma turbina, depende da superfície do rotor, da velocidade do vento elevada ao cubo e da densidade do ar. Rotor e gerador elétrico podem estar diretamente ligados (Direct drive) ou associados a uma caixa de câmbio. O gerador pode ser síncrono ou assíncrono.
Uma primeira classificação das turbinas eólicas de pequeno porte pode ser feita com base no eixo de rotação:

• eixo horizontal, eixo de rotação paralelo ao solo, instaladas em espaços abertos com vento laminar
• eixo vertical, eixo de rotação ortogonal ao solo, instaladas em espaços abertos ou urbanos com vento turbulento;

Em seguida, temos a classificação por potência:

• Turbinas “micro” eólicas (micro wind turbines): potência inferior a 20 kW
• Turbinas “mini” eólicas (small wind turbines): para potências de 20 kW a 200 kW

Além disso, nos parágrafos seguintes gostaríamos de destacar alguns aspectos legais em relação à tipologia do gerador (síncrono e assíncrono), e aos sofisticados sistemas de regulação e controle, que são capazes de adaptar instantaneamente as condições de funcionamento da turbina com a variação da velocidade e direção dos ventos. Os geradores eólicos são também dotados de sistemas de frenagem e de outros mecanismos que garantem o bom funcionamento e a integridade da turbina em caso de vento excessivo.

As lâminas iniciam a mover-se quando o vento atinge a velocidade mínima de partida (cut-in wind speed). Os limites de cut-in são variáveis em função do tamanho do gerador: normalmente para as turbinas de pequeno porte são suficientes velocidades muito baixas de vento, de apenas 3-4 metros por segundo. O movimento do rotor das turbinas de eixo horizontal pode ser de barlavento [fig. a) b)] ou sotavento (fig. c).

O aumento da velocidade do vento corresponde a um aumento progressivo da potência instantânea gerada pela máquina, até que esta atinja sua velocidade nominal (rated wind speed), isto é, a velocidade de vento na qual o gerador atinge sua potência nominal. O pico de potência gerada permanece constante até o limite máximo (cut-out wind speed) de velocidade do vento tolerada pela turbina.

Quando atinge este limite, o gerador para de produzir energia e entra em modo de segurança, recorrendo a sistemas ativos ou passivos de proteção, a fim de evitar danos aos componentes mecânicos.

GERADOR ASSÍNCRONO

Rotor e gerador elétrico podem estar diretamente ligados (Direct drive) ou associados a uma caixa de câmbio. O gerador pode ser síncrono ou assíncrono. A principal vantagem do gerador assíncrono reside na constância da sua frequência independente da velocidade de rotação das lâminas, desde que o gerador esteja ligado a uma rede elétrica que a imponha. Esta seria portanto a escolha natural para um sistema no qual a velocidade de rotação das lâminas não é constante.

Sua vantagem consiste no fato de que custa pouco e possui um rendimento superior àquele do gerador síncrono.

Suas desvantagens são: necessidade de conexão à rede elétrica para o próprio funcionamento ou, se isolada, de fornecer a potência reativa através de capacitores. Uma instalação eólica com gerador assíncrono exige uma manutenção particular e maior controle anual, afim de que a energia produzida seja de boa qualidade.

GERADOR SÍNCRONO

Os geradores síncronos possuem imãs permanentes, gerando energia a frequência alternada ditada pela velocidade do vento. Esse problema se resolve instalando-se um inversor, que converte a frequência alternada, transformando-a em contínua e em seguida reconvertendo-a em alternada na frequência correta de rede.

Vantagens: Não necessita de um número fixo de giros. Isso é naturalmente uma vantagem considerando que o vento não é sempre constante. Se auto magnetiza, isto é, não necessita de corrente para partida, portanto não puxa corrente da rede de alimentação para próprio funcionamento. Não cria nenhum desnível na rede pois é galvanicamente isolado da rede, com um sistema eletrônico muito avançado para sua utilização em fase.

Desvantagens: Custos de transformação da energia.

CONTROLE DA POTÊNCIA

O sistema de controle da potência tem como função otimizar a potência gerada, de acordo com a variação da velocidade do vento.
Existem duas tipologias de sistema de controle da potência:

• Controle de passo: as lâminas são instaladas de modo a poder rodar sobre o próprio eixo. Se trata de uma forma automatizada de controle, que aumenta ou reduz a superfície exposta ao vento e altera dessa maneira a eficiência aerodinâmica das lâminas.
• Controle de estol (stall): as lâminas não rodar sobre o próprio eixo, pois estão fixas ao centro. Se utiliza portanto do desenho aerodinâmico das lâminas para o controle da potência. Se trata de um controle da potência do tipo passivo.

Além disso, as turbinas são dotadas de sistemas de frenagem, que são capazes de diminuir a velocidade de rotação do rotor até a velocidade máxima de vento tolerada (cut-out wind speed). Ultrapassada a velocidade de cut-off, a turbina para de produzir energia e entra em modo de segurança através de:

• parada completa do rotor

ou então

• o desalinhamento entre o eixo do rotor e o eixo de rotação da lâmina

Os geradores do tipo “micro” e “mini” se utilizam sobretudo desta última solução, visto que se trata de um mecanismo passivo que não necessita de dispositivos eletrônicos. Em suma, quando atingida a velocidade de cut-off, o rotor, graças à presença de uma articulação, roda verticalmente sobre o próprio eixo.

REGULAÇÃO DE GUINADA

Guinada (Yaw) é o nome dado à rotação da turbina sobre o próprio eixo vertical, indispensável para posicionar o rotor segundo a direção do vento. O controle da guinada contribui também para regular a potência produzida.

Os dois principais sistemas de controle e regulação da guinada são:

• Regulação ativa da guinada: as turbinas de médio e grande porte são dotadas de um sofisticado mecanismo auxiliar, regulado por um anemômetro, que garante o alinhamento ótimo entre o eixo do rotor e a direção do vento.
• Regulação passiva da guinada: para orientar a nacela com base na direção do vento, as turbinas de pequeno porte são dotadas de um simples leme (ou catavento).