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Sobre Energia Eólica

Sobre Energia Eólica

Energias Renováveis ou Energias Alternativas

Energia renovável ou energia alternativa é aquela gerada através de fontes renováveis e que, portanto, não gera impacto no meio ambiente, seja através do esgotamento de recursos ou pela emissão de CO2 na atmosfera.

As principais fontes alternativas de energia são: Solar, Eólica, Hidráulica, Biomassa, e Maremotriz. 

A Biomassa, apesar de emitir CO2 na queima para gerar energia, recupera esse CO2 através da fotossíntese enquanto se desenvolve, compensando o meio ambiente. Essa energia pode ser gerada por meio de sobras ou resíduos de matéria orgânica da atividade humana ou ainda biomassa produzida exclusivamente para esse fim.

A energia hidráulica, nos grandes projetos, causa uma série de impactos pela área alagada e pelas consequentes alterações no meio ambiente do entorno da barragem, além do grande impacto social, quando cidades inteiras têm que ser mudadas de lugar e pelos impactos ambientais que quase sempre são irreversíveis e, muitas vezes, pode ser mais prejudicial do que os benefícios gerados. As Pequenas Centrais Hidrelétricas (PCHs) não ocasionam grandes alagamentos, preservando o meio ambiente.

Energia Eólica

O gerador eólico ou turbina eólica é um equipamento que tem a capacidade de captar a energia cinética contida nos ventos e transformá-la em energia elétrica.

Existem dois tipos básicos de sistemas: Sistemas Isolados (Off-Grid) e Sistemas Conectados à Rede (Grid-Tie).

Os Sistemas Isolados são utilizados em locais remotos ou onde o custo de se conectar a rede elétrica é elevado. São utilizados em casas de campo, iluminação pública, telefones de emergência, telecomunicações, bombeamento de água, etc.

Os Sistemas Conectados à rede substituem ou complementam a energia elétrica convencional disponível na rede elétrica.


Sistemas de Energia Eólica e seus Componentes

Os sistemas de energia eólica são capazes de gerar energia elétrica através do vento.

Um sistema eólico possui cinco componentes básicos:

  • Geradores Eólicos: São responsáveis por transformar a força cinética do vento em eletricidade. Podem ter um ou mais geradores eólicos que são dimensionados de acordo com a energia necessária.
  • Inversores: São os responsáveis por transformar a corrente contínua (CC) das baterias, no caso de sistema Off-Grid, em corrente alternada (CA) para alimentação dos equipamentos (110 V ou 220 V). No caso de sistemas Grid-Tie, além de transformar a corrente contínua (CC) vinda do retificador, também é responsável por sincronizar a energia gerada com a energia da rede elétrica.
  • Controladores de Carga: Funcionam como sistema de controle da carga das baterias, evitando sobrecargas ou descargas exageradas na bateria, aumentando sua vida útil e desempenho. Só é necessário em sistemas Off-Grid.
  • Baterias: Também utilizadas apenas em sistemas Off-Grid, armazenam a energia elétrica para que o sistema possa ser utilizado quando não houver sol.

Enquanto um sistema isolado necessita de baterias e controladores de carga, sistemas eólicos conectados à rede funcionam com retificadores e inversores, já que não precisam armazenar energia.

  • Torres: A torre é o componente onde o aerogerador é instalado posicionando-o em uma altura suficiente para que a energia gerada pelo vento possa ser aproveitada.

As torres podem ser treliçada ou tubular.

A altura pode variar de 6 m até qualquer altura que se queira. Quanto mais alta a torre, maior o seu custo.

Existem basicamente três tipos de torres:


Estaiada: Possui uma haste central de sustentação de onde saem cabos de aço que são ancorados por bases que suportam toda a força lateral exercida pelo sistema. Normalmente são as torres mais baratas se tornando mais viáveis para aerogeradores pequenos, mas necessitam de espaço para sua instalação.



Autoportante: Pode ser treliçada ou tubular e não há necessidade de cabos de aço. Requer estrutura mais robusta e mais cara, porém não necessitam muito espaço para instalação.



Hidráulica: São torres que possuem um êmbolo hidráulico em sua base para seu levantamento. São pouco utilizadas por serem muito caras.


Gerador Eólico

A energia eólica é considerada uma das tecnologias mais avançadas e inovadoras da atualidade, obtida por meio da força dos ventos, é considerada a energia mais limpa do planeta e está disponível em muitos lugares, com intensidades diferentes, ajudando gerar empregos, turismo em comunidades locais e contribui para o crescimento econômico mundial.

Com o avanço dessa tecnologia, as vantagens de sua implantação ficam ainda mais evidentes, considerando que há a preservação de recursos hidráulicos, auxílio no desenvolvimento econômico rural, uma vez que a instalação pode ser feita em áreas que já existam alguma atividade agrícola. Não produz resíduos sólidos ou gases tóxicos, é uma das fontes de energia mais econômicas na geração de energia elétrica em grande escala, oferecendo ainda, oportunidade de receita aos agricultores que arrendam suas terras.

A evolução da tecnologia resultou em aerogeradores de grande variedade de tamanhos, levando o mercado a segmentar-se em três grupos distintos, de acordo com a potência:

  • Aerogeradores de pequeno porte: Potências desde 0,1 kW até 100 kW,
  • Aerogeradores de médio porte: Potências desde 101 kW até 300 kW,
  • Aerogeradores de grande porte: Potências acima 300 kW.

Existem, basicamente, dois tipos de aerogeradores: de Eixo Horizontal e de Eixo Vertical.

Eixo Horizontal: O aerogerador de eixo horizontal é fisicamente menor, mais eficiente, mas esteticamente deixa a desejar.

A maioria dos fabricantes opta por sistemas com 3 pás pela relação custo x benefício e pelo grau de dificuldade no balanceamento.

Com um maior número de pás talvez fosse possível obter melhores rendimentos, mas não tão melhores que compensasse o custo de produção e a maior dificuldade no balanceamento das pás. Já com um menor número de pás a máquina ficaria mais barata, mais fácil de balancear, mas além de apresentarem uma eficiência menor, a sua operação apresentaria uma vibração indesejada, principalmente nas mudanças de direção do vento.



Eixo Vertical: O aerogerador de eixo vertical é melhor esteticamente, mas fisicamente um pouco maior e menos eficiente.

Podem ter uma quantidade maior de pás, pois, neste tipo de sistema, o balanceamento das pás é menos crítico. A quantidade de pás está relacionada com o projeto do fabricante.



Inversores ou Conversores

Os inversores transformam corrente contínua (CC) em corrente alternada (CA), além de transformar a tensão gerada pelos geradores eólicos e baterias até os 110 V, 220 V ou outra tensão utilizada por um aparelho elétrico.

Os geradores eólicos, quase sempre fornecem energia em corrente alternada (CA), sendo necessário transformar essa energia em corrente contínua (CC), por intermédio de um retificador.

Existem vários tipos de inversores, com relação à forma de onda fornecida:

  • Inversores de Onda Quadrada: São os inversores mais simples e econômicos, porém não podem ser utilizados com qualquer aparelho, como motores por exemplo.
  • Inversores de Onda Senoidal Modificada: Muito utilizado e bastante econômico. Produz uma onda intermediária entre a quadrada e a senoidal pura. Atende a maioria das aplicações, com exceção de aparelhos com controle de velocidade ou timers e motores, cada vez mais comuns. Estes inversores são uma boa escolha para pequenas instalações.
  • Inversores de Onda Senoidal Pura: Produzem uma onda senoidal praticamente perfeita e muitas vezes até mais limpa que a da própria rede elétrica. Podem ser utilizados com qualquer aparelho, apesar de mais caros.
  • Inversores para Conexão à Rede (Grid-Tie): Caso sua instalação seja conectada à rede, será necessário um Inversor Grid-Tie. Estes inversores, produzem uma onda senoidal pura e sincronizam a frequência com a rede elétrica. Geralmente possuem um mecanismo chamado “ilhamento”, que garante que o sistema não envia energia para rede quando ela estiver desligada, evitando choques elétricos no técnico durante a manutenção.
  • Inversores para Sistema Isolado (Off-Grid): Quando a instalação não é conectada à rede, será necessário um Inversor Off-Grid. Esses inversores produzem uma onda senoidal modificada ou senoidal pura e têm a função de transformar a energia armazenada em baterias (CC) em corrente alternada (CA) para alimentação dos equipamentos.
  • Inversor/Controlador de Carga: Tem a função de inversor e também de carregar as baterias. Permitem carregar e proteger as baterias evitando carga ou descarga exagerada.

Inversor Grid-Tie

Inversores Grid-Tie são inversores de corrente utilizados em sistemas eólicos conectados à rede. Além da função básica de um inversor ou conversor CC/CA, os inversores para conexão à rede também fazem a sincronização com a rede pública de eletricidade, garantindo que a energia produzida seja fornecida exatamente como a da rede elétrica.

Também têm a função de monitorar o consumo e a geração do sistema para decidir se utilizará a energia gerada (quando tem geração e tem consumo), a energia da rede (quando não tem geração e tem consumo) ou se vai enviar a energia gerada para a rede (geração maior que o consumo) e, também, se desligar da rede na falta de energia (“ilhamento”).

Inversor Off-Grid

Inversores Off-Grid são inversores de corrente utilizados em sistemas eólicos não conectados à rede. Além da função básica de um inversor ou conversor CC/CA, eles monitoram a bateria, se desligando quando a carga das baterias está muito baixa, evitando assim, danos com a descarga excessiva.

Controladores de Carga

Os controladores de carga ficam entre os geradores eólicos e as baterias e têm a função de controlar a tensão de carga delas, evitando sobrecargas excessivas, prolongando a sua vida útil.

Os geradores eólicos produzem mais ou menos energia de acordo com a velocidade do vento e as baterias não suportam esta variação. Para resolver este problema e também para melhorar a carga das baterias é que se utiliza o controlador de carga.

Tipos de Controlador de Carga

  • Controladores PWM: Os controladores PWM (Pulse Width Modulation) são os mais utilizados, pois apesar da menor eficiência se justificam pelo custo.
  • Controladores MPPT: Os controladores MPPT (Maximum Power Point Tracking), possuem maior eficiência, mas são mais caros.

Baterias

As baterias em um sistema isolado (Off-Grid) servem para garantir o fornecimento de energia quando não houver vento. São as baterias que determinam a autonomia de um sistema isolado. Dependendo do equipamento sendo alimentado, por exemplo, uma geladeira em um posto de saúde com vacinas, não pode deixar de funcionar devido a alguns dias sem geração e por isso as baterias devem ser dimensionadas para mais dias de autonomia, por segurança. Já uma aplicação mais simples ou menos essencial, poderia ser dimensionada para menos dias sem geração. Sistemas conectados à rede não necessitam de baterias já que a não geração é compensada pela energia da rede.

As baterias adequadas para sistemas de energia renovável são as baterias estacionárias ou de ciclo profundo. Estas baterias suportam grandes descargas que uma bateria comum não suportaria e é por isso baterias automotivas não devem ser utilizadas.

Tipos de Baterias

  • Baterias Automotivas: Estas baterias não devem ser utilizadas, pois foram projetadas para fornecer grandes correntes por curtos períodos de tempo, como durante as partidas do carro, por exemplo. Portanto, não suportam descargas profundas e por isso sua vida útil fica extremamente reduzida se utilizada em sistemas alternativos.
  • Baterias Estacionárias: Estas baterias utilizam placas mais grossas que as convencionais. Isso permite que suportem descargas profundas. São as mais econômicas e uma boa opção para sistemas pequenos. Sua vida útil é de 4 a 5 anos.
  • Baterias OPzS: São muito utilizadas para sistemas de energia alternativa e tem preços razoáveis para a sua vida útil. Estas baterias são ventiladas, ou seja, liberam gás e devem ter reposição de água de tempos em tempos. Os gases são explosivos e, portanto deve permanecer em locais bem ventilados. Sua vida útil é de cerca de 10 anos.
  • Baterias de Gel: São baterias seladas de gel, que não liberam gás e que, portanto, podem ficar em locais fechados. Também são adequadas para embarcações, pois o gel não se movimenta dentro da bateria, mas não devem ficar em locais muito quentes. Sua vida útil é de mais de 10 anos.
  • Baterias AGM: A bateria com tecnologia AGM (Absorbent Glass Matt), que em português significa separador de fibra de vidro absorvente, tem como característica principal a absorção total da solução ácida (eletrólito) em seus separadores. Com isso, as placas fazem o contato com a solução ácida através do separador, proporcionando muito mais durabilidade que as baterias convencionais. São mais caras, mas geralmente pagam o investimento. Sua vida útil também é de mais de 10 anos.

As baterias são o primeiro item de desgaste em um sistema de energia alternativa e, portanto, a sua escolha deve levar em conta a dificuldade/custo de manutenção e troca. Sistemas de energia renovável são feitos para durar 30 anos ou mais e economizar em baterias pode não ser a melhor opção no longo prazo.

Sistemas Isolados – Off-Grid

Os sistemas isolados ou autônomos para geração de energia eólica são caracterizados por não se conectar a rede elétrica. O sistema é geralmente construído com um propósito local e específico. Esta solução é bastante utilizada em locais remotos já que muitas vezes é o modo mais econômico e prático de se obter energia elétrica nestes lugares. Exemplos de uso são sistemas de bombeamento de água, eletrificação de cercas, geladeiras para armazenar vacinas, postes de iluminação, estações replicadoras de sinal, residências, etc.

A energia produzida é armazenada em baterias que garantem o abastecimento em períodos sem geração.

Os sistemas isolados de geração de energia, de maneira simplificada, são compostos por quatro componentes:

  • Geradores Eólicos: Geram a energia elétrica que abastece as baterias. Tem a propriedade de transformar a energia cinética do vento em corrente elétrica. Um sistema pode ter apenas um ou mais geradores eólicos, cada um com seu controlador de carga ou ser híbrido, contendo geradores eólicos e painéis fotovoltaicos ou outra fonte de geração de energia simultaneamente.
  • Controladores de Carga: Os controladores de carga garantem o correto carregamento das baterias evitando sobrecargas elevadas, aumentando sua vida útil.
  • Inversores: Os inversores têm a função de transformar corrente continua (CC) em corrente alternada (CA), e elevar a tensão, por exemplo, de 12 V para  127 V.
  • Baterias: As baterias armazenam a energia elétrica para ser utilizada nos momentos em que não haja geração e não haja outras fontes de energia.

Sistemas Conectados - Grid-Tie

Os sistemas de conexão à rede são caracterizados por estarem integrados à rede elétrica convencional. Diferente dos sistemas isolados que atendem a um propósito específico e local, estes sistemas também são capazes de abastecer a rede elétrica com energia que pode ser utilizada por qualquer consumidor da rede.

Os sistemas conectados têm uma grande vantagem com relação aos sistemas isolados por não utilizarem baterias e controladores de carga. Isso os torna cerca de 30% mais eficientes e também garante que toda a energia seja utilizada localmente ou em outro ponto da rede. Sistemas de conexão à rede são utilizados tanto para abastecer uma residência, ou, no caso da geração ser maior que o consumo, injetar a energia na rede elétrica.

Para residências e empresas estes sistemas também são chamados de sistemas de auto-consumo. Se o proprietário do sistema produzir mais energia do que consome, a energia excedente fará com que o medidor “gire para trás”. Quando produzir menos do que consome, o medidor deverá “girar mais devagar”. Vale observar que o medidor deve ser apropriado para contabilizar o fluxo de energia nos dois sentidos. O medidor adotado no Brasil é o digital bidirecional.

Do ponto de vista dos componentes, um sistema Grid-Tie é composto por geradores eólicos, retificadores e inversores. Os inversores Grid-Tie, além de transformar a corrente contínua em alternada, devem sincronizar o sistema com a rede pública. Pelo fato do sistema estar conectado à rede, a falta de energia é compensada pela mesma, o que elimina a necessidade de baterias.