Introdução à Energia Eólica, Rui Castro IST | Ferimento | Energia Eólica\nsalvarSalvar Introdução à Energia Eólica, Rui Castro IST para ler mais tarde\nINTRODUO ENERGIA ELICA\nMaro de 2009 (edio 4)\nRui Castro recebeu em 1985, 1989 e 1994 no Instituto Superior Tcnico da Universidade Tcnica de Lisboa os graus de Licenciado, Mestre e Doutor em Engenharia Electrotcnica e de Computadores, respectivamente. docente do Instituto Superior Tcnico desde 1985, sendo presentemente Professor Auxiliar na rea Cientfica de Energia do Departamento de Engenharia Electrotcnica e de Computadores. Os seus principais interesses cientficos tm motivado uma actividade de investigao centrada na rea das energias renovveis e na sua interligao com o sistema de energia elctrica, na rea da anlise da dinmica dos sistemas de energia elctrica e do seu controlo, e, mais recentemente, em aspectos relacionados com a economia da energia elctrica. Complementarmente actividade de investigao, tem tido uma actividade regular de prestao de servios sociedade no mbito de projectos de consultoria tcnica. Publicou mais de cinco dezenas de artigos em conferncias nacionais e internacionais e participou na elaborao de mais de trs dezenas de relatrios de actividades desenvolvidas no mbito de projectos em que esteve envolvido. autor de diversas publicaes de ndole pedaggica, designadamente de uma coleco sobre Energias Renovveis e Produo Descentralizada. Rui Castro rcastro@ist.utl.pt http://energia.ist.utl.pt/ruicastro\nEnquadramento Geral Situao em Portugal Estado-da-Arte Offshore Custos Ambiente\nO Atlas Europeu de Vento O Atlas Europeu de Vento Offshore O Atlas Portugus de Vento 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3.\nVariao no tempo Representao espectral Um modelo do vento\nDistribuio de Weibull Lei de Prandtl\nVento Turbulento Caractersticas Especiais do Vento\nObstculos Efeito de esteira Vento no mar\nCaracterizao de um Local\nIdentificao de locais potenciais Medio do vento Representao do perfil de ventos Modelos fsicos e modelos numricos\nENERGIA ELCTRICA PRODUTVEL\nCoeficiente de potncia CP Caracterstica elctrica do aerogerador 3.1.1. 3.1.2.\nOptimizao da converso Foras actuantes na p\nControlo de Potncia Referncia aos Geradores Elctricos Turbinas de Eixo Vertical Microgeradores Elicos\nNo princpio do segundo milnio, fontes energticas como o vento, a gua e a lenha dominavam a produo de calor e de fora motriz. Em pocas mais recentes, as novas fontes o carvo, o petrleo, o gs e o nuclear substituram estas fontes tradicionais, em particular nos pases que se foram industrializando. O ressurgimento das energias renovveis d-se a partir dos choques petrolferos da dcada de 70. Por um lado, a necessidade de assegurar a diversidade e segurana no fornecimento de energia e, por outro lado, a obrigao de proteger o ambiente, cuja degradao acentuada pelo uso de combustveis fsseis, motivaram o renovado interesse pelas renovveis. A energia elica hoje em dia vista como uma das mais promissoras fontes de energia renovveis, caracterizada por uma tecnologia madura baseada principalmente na Europa e nos EUA. As turbinas elicas, isoladas ou em pequenos grupos de quatro ou cinco, e, cada vez mais, em parques elicos com quarenta e cinquenta unidades, so j um elemento habitual da paisagem de muitos pases europeus, nomeadamente a Alemanha, Dinamarca, Holanda e, mais recentemente, o Reino Unido e a Espanha. Nos EUA, a energia elica desenvolveu-se principalmente na Califrnia (Altamont, Tehachapi e San Gorgonio) com a instalao massiva de parques elicos1 nos anos 80.\nA energia elica tem registado nos ltimos anos uma evoluo verdadeiramente assinalvel. Para ter uma ideia da taxa de crescimento verificada na potncia elica instalada a nvel mundial, observa-se que uma das bases de dados mais conhecidas registava no dia 4 de Maro de 1998 e no dia 25 de Maro de 2009 os valores de 7.322 MW e 120.475 MW, respectivamente, que se descriminam na Figura 1 e na Figura 2.\nPode verificar-se que em onze anos foram instalados no mundo mais de 110 GW de potncia elica, a esmagadora maioria dos quais na Europa (65 GW actualmente na Europa dos 27). Neste contexto, merece especial destaque o caso da Alemanha, vice-lder mundial de potncia elica instalada, com mais de 24 GW 2. Lder at 2007, a Alemanha teve de ceder esse lugar aos EUA, que, s em 2008, instalou mais de 8 GW de potncia elica. Observa-se que a Espanha, a China, a ndia e a Frana j suplantaram a Dinamarca, pas pioneiro na instalao de parques elicos. Portugal ocupa o 10 lugar nesta classificao, com cerca de 3 GW instalados. Em termos de percentagem de energia elctrica satisfeita com recurso a elica, a Dinamarca lidera folgada com cerca de 20%; de notar que este valor de penetrao de energia elica no conjunto da gerao se aproxima, segundo algumas fontes, dos valores mximos admissveis para operao segura de redes elctricas.\nFigura 1: Base de dados mundial de vento: situao em 4 de Maro de 1998 [WindService].\nA potncia total instalada em todas as centrais elctricas portuguesas de cerca de 15 GW.\nFigura 2: Base de dados mundial de vento: situao em 25 de Maro de 2009 [WindService].\nA evoluo constatada deve ser encarada luz dos objectivos de desenvolvimento das energias renovveis traados pela Unio Europeia. O Parlamento Europeu aprovou a Directiva 2001/77/CE do Parlamento Europeu e do Conselho, de 27 de Setembro de 2001 (conhecida como Directiva das Renovveis) relativa promoo da electricidade produzida a partir de fontes renovveis de energia no mercado interno da electricidade, baseada numa proposta da Comisso. O objectivo essencial subjacente a esta Directiva criar um quadro que facilite o aumento significativo a mdio prazo da electricidade produzida a partir de fontes renovveis de energia na Unio Europeia. A Directiva constitui uma parte substancial do pacote de medidas necessrias ao cumprimento do Protocolo de Quioto e Conveno Quadro das Naes Unidas relativa s alteraes climticas. Por outro lado, a Directiva deve tambm ser encarada luz do objectivo indicador de duplicar a quota das energias renovveis dos 6% (registados em 1998) para 12% (no horizonte de 2010) do consumo interno bruto de energia, tal como foi definido no Livro Branco sobre fontes renovveis de energia adoptado pelo Conselho Energia em Maio de 1998. Por forma a atingir o seu objectivo, a Directiva prope que seja exigido aos EstadosMembros que estabeleam metas indicativas nacionais para o consumo de electricidade produzida a partir de fontes de energia renovveis compatveis com os compromissos nacionais assumidos no mbito dos compromissos relativos s alteraes climticas aceites pela Comunidade nos termos do Protocolo de Quioto.\nA Directiva contm, em Anexo, valores indicativos para estas metas nacionais a definir por cada um dos EstadosMembros. Para Portugal indicado o valor de 39% 3 (incluindo a grande hdrica) como meta a alcanar em 2010 para o consumo de electricidade produzida a partir de fontes renovveis de energia em percentagem do consumo bruto total de electricidade 4.\nPortugal no tem recursos conhecidos de petrleo ou de gs natural e os recursos disponveis de carvo esto praticamente extintos. Nestas condies, o nosso pas viu-se confrontado com a necessidade de desenvolver formas alternativas de produo de energia, nomeadamente, promovendo e incentivando a utilizao dos recursos energticos endgenos. Em 1988 foi publicada a primeira legislao (Decreto-Lei n189/88 de 27 de Maio) que regulava a produo de energia elctrica pelos produtores independentes. A potncia instalada em cada central foi limitada a um mximo de 10 MVA, impondo-se a utilizao, quer das chamadas energias renovveis, quer de carvo nacional, quer ainda de resduos de origem industrial, agrcola ou urbana. A publicao desta legislao permitiu mobilizar investimentos do sector privado significativos, nomeadamente nos domnios da produo mini-hdrica e da cogerao. J quanto energia elica a situao foi muito diferente, tendo sido aprovados durante a vigncia deste quadro legal apenas pouco mais de meia dezena de projectos, a maior parte deles nas ilhas da Madeira e dos Aores. Estes resultados poderiam levar a pensar que o recurso elico no Continente era escasso e, portanto, no valia a pena ser explorado. A explicao no , no entanto, esta. Na verdade, o facto de a tecnologia das pequenas centrais hidroelctricas ser uma tecnologia madura, que beneficiou da experincia adquirida com os grandes aproveitamentos hidroelctricos, e, ainda, o facto de os recursos hidrol-\nO Governo fixou entretanto objectivos mais ambiciosos. O consumo bruto de energia definido como a produo domstica de electricidade, mais as importaes, menos as exportaes.\ngicos serem bem conhecidos, tornaram esta forma de converso de energia muito atraente. No plo oposto encontrava-se a energia elica: conhecimento limitado do potencial elico, tecnologia ainda em desenvolvimento, experincia reduzida com a tecnologia actual dos aerogeradores e, consequentemente, uma difcil avaliao dos riscos por parte dos potenciais produtores. A situao da energia elica em Portugal hoje completamente diferente, assistindo-se a um dinamismo indito at ao momento. Como principais causas do acentuado desenvolvimento da energia elica que se verifica actualmente em Portugal, podem apontar-se: A restruturao do sector elctrico, iniciada em 1995 e reforada em 2006, estabelecendo o aprofundamento da liberalizao e a promoo da concorrncia nos mercados energticos, com o consequente fim da situao de monoplio detido pela EDP. A publicao de legislao especfica com o fim claro de promover o desenvolvimento das energias renovveis, designadamente o DecretoLei n.312/2001, que altera procedimentos administrativos com o objectivo de melhorar a gesto da capacidade de recepo, e o Decreto-Lei n.225/2007, que actualiza o tarifrio de venda de energia de origem renovvel rede pblica, introduzindo uma remunerao muito atractiva, diferenciada por tecnologia e regime de explorao. A aprovao da Directiva das Renovveis, cuja aplicao em Portugal faz prever a instalao de cerca de 5.000 MW de conversores elicos, no horizonte de 2012. Os dados disponveis mais recentes indicam que no final de 2008, a potncia total instalada em aproveitamentos elicos em Portugal de cerca de 3.000 MW, esperando-se a instalao de mais 900 MW em 2009. A situao actual de grande dinamismo no sector, registando-se um nmero de pedidos de licenciamento de novas instalaes que excede largamente o potencial tcnico do recurso elico.\nNa sequncia do choque petrolfero de 1973 muitos pases iniciaram programas de investigao e desenvolvimento no mbito do aproveitamento da energia do vento para produo de electricidade. Particularmente significativo foi o programa de energia elica iniciado nos EUA em 1973, e cujo primeiro resultado visvel foi a instalao em 1975, perto de Cleveland, Ohio, da primeira turbina elica da era moderna a Mod 0 com um rotor de duas ps com 38 metros de dimetro e 100 kW de potncia. A experincia de operao acumulada com esta turbina, e com mais quatro entretanto instaladas entre 1977 e 1980, permitiu concluir acerca da viabilidade da sua explorao em modo abandonado. O passo seguinte no desenvolvimento de turbinas de grandes dimenses nos EUA foi dado com a instalao, em 1981, da turbina Boeing Mod 2 de 91 metros de dimetro e 2,5 MW de potncia, incorporando os mais recentes progressos tecnolgicos conseguidos at data. Por esta altura formam-se os primeiros consrcios entre empresas americanas e europeias, nomeadamente suecas e alems, em programas de investigao e desenvolvimento de turbinas de grande potncia. Um dos exemplos mais importantes desta cooperao foram as turbinas americano-suecas WTS3 (3 MW) e WTS4 (4 MW) instaladas em 1982 [Musgrove]. Os resultados dos programas de investigao em grandes mquinas potenciaram o desenvolvimento da indstria da energia elica que, naturalmente, se iniciou com turbinas de dimenso muito inferior. As primeiras turbinas elicas comerciais foram instaladas no incio dos anos 80, tanto na Europa (principalmente na Dinamarca e Holanda) como nos EUA (em particular na Califrnia), tendo tipicamente entre 10 a 20 metros de dimetro e potncias de 50 a 100 kW. Particularmente relevante no quadro do desenvolvimento da energia elica, foi a poltica de incentivo disseminao das energias renovveis promovida pelas autoridades do estado da Califrnia, que conjuntamente com os elevados valores registados para a velocidade do vento em alguns locais deste estado, encorajou o\nrpido desenvolvimento de parques elicos financiados por entidades privadas. Em 1987 a potncia instalada em sistemas de converso de energia elica era de 1.500 MW fornecidos por cerca de 15.000 turbinas elicas, a maior parte delas com dimetros entre 15 a 25 metros. A positiva experincia de operao com turbinas mais pequenas, em conjunto com os frutos dos programas de investigao, levaram a que a dimenso das turbinas elicas comerciais no tenha parado de crescer. No incio dos anos 90, a capacidade standard das turbinas era da ordem de 300 kW e actualmente (2009) j se situa na gama de 2 a 3 MW (Figura 3).\nA Figura 4 relaciona, apenas a ttulo indicativo, o dimetro tpico do rotor com a potncia nominal da turbina. Uma turbina standard actual de 2 MW tem um dimetro das ps do rotor da ordem de 80 m. O aumento do tamanho das turbinas vantajoso do ponto de vista econmico e ambiental. Em geral, para um determinado local, quanto maior for a potncia unitria mais energia produzida, e melhor aproveitadas so as infra-estruturas elctricas e de construo civil. Por outro lado, a reduo do nmero de rotores em movimento diminui o impacto visual.\nFigura 4: Relao entre o dimetro tpico do rotor e a potncia nominal da turbina [DanishAssoc].\nOs programas de investigao contriburam significativamente para uma certa uniformizao do desenvolvimento tecnolgico das turbinas. Analisando a actual oferta comercial dos fabricantes verifica-se a dominncia de algumas opes bsicas de projecto, designadamente, as turbinas de eixo horizontal relativamente s de eixo vertical, os rotores de trs ps (cerca de 90%) em relao aos de duas e a colocao do rotor frente da torre relativamente sua colocao na parte de trs (em relao direco do vento). Apesar destas zonas de convergncia subsiste ainda um conjunto de questes de projecto que no est consensualizado. Como exemplo de opes diversas tomadas pelos fabricantes podem mencionar-se os materiais empregues no fabrico das ps e da torre, o tipo de rotor (flexvel ou rgido), o sistema de controlo da potncia para velocidades do vento acima da nominal (regulao do passo das ps ou entrada em perda aerodinmica), o tipo de gerador elctrico (sncrono ou assncrono com interface electrnica de ligao rede ou assncrono directamente ligado rede), o modo de explorao (velocidade constante ou varivel). Em resumo, pode afirmar-se que a tecnologia dos sistemas de converso de energia elica atingiu j um estado de maturidade aprecivel, sendo os equipamentos considerados fiveis, com taxas mdias de disponibilidade superiores a 90%, e duradouros, com vidas teis estimadas em cerca de 20 anos. hoje inteiramente claro que a penetrao dos conversores elicos, quer directamente ligados aos grandes sistemas de energia elctrica, quer em paralelo com sistemas diesel em locais remotos, tem uma trajectria sustentadamente crescente.\nUma das reas onde se registaro maiores avanos ser certamente a instalao de turbinas no mar (offshore). A tendncia para o aumento da potncia unitria, em conjunto com um melhor conhecimento da tecnologia das fundaes das turbinas no mar e das condies de vento no local, est a contribuir para tornar mais competitiva esta forma de aproveitar a energia do vento em condies ambientais diferentes. A Dinamarca tem liderado a instalao offshore: o primeiro parque elico deste tipo foi o de Vinderby, instalado em 1991, localizado no mar Bltico a cerca de 2 km da costa, constitudo por 11 turbinas de 450 kW; em 2002 entrou em operao o parque de Horns Rev, com 160 MW instalados em 80 turbinas de 2 MW, localizadas entre 14 e 20 km de terra. Na Figura 5 mostra-se a relao dos parques elicos offshore em operao e em construo no final de 2008. Merece destaque o Reino Unido que projecta instalar a breve prazo mais de 1.000 MW de elico offshore. A operao dos parques no tem sido problemtica o que tem contribudo para aumentar as esperanas no offshore, esperando-se que, a prazo, a maior produtividade destes aproveitamentos compense o sobreinvestimento inicial.\nFigura 5: Parques elicos offshore [WindService].\nFigura 6: Parques elicos de: a) Vinderby e de b) Horns Rev na Dinamarca [DanishAssoc].\nOs custos associados instalao de aproveitamentos elicos dependem fundamentalmente dos custos de instalao e do tipo de tecnologia usada, sendo, por isso, muito variveis em funo das fundaes, acessos, transporte, ligao rede, nmero de turbinas, altura do rotor, tipo de gerador, sistema de controlo ...\nRecorda-se que um modelo simplificado do custo mdio anual actualizado de produo conduz a c = I01(i+dom)/ha, em que i o inverso do factor presente da anuidade, dom so os encargos de O&M e custos diversos, em percentagem do investimento total, I01 custo de investimento por kW instalado e ha utilizao anual da potncia instalada. Na Figura 7 ilustra-se a curva de variao do custo mdio anual actualizado da unidade de energia produzida em funo da utilizao anual da potncia instalada, parametrizada em funo do investimento por unidade de potncia instalada. Para o investimento unitrio consideraram-se valores que se situam nos extremos da gama de variao actualmente aceite como representativa: um valor mdio-baixo de 1.000 /kW e um valor mdio-alto de 1.500 /kW. Para os encargos de O&M tomou-se o valor de 1% do investimento total e a taxa de actualizao considerada foi de 7%. De acordo com a legislao em vigor que estabelece a frmula de clculo da remunerao da energia entregue rede pblica pelos PRE que usam recursos renovveis (chamado tarifrio verde) pode estimar-se (2009) que cada unidade de energia injectada na rede pblica com origem em parques elicos paga a um valor que se situar em torno de 70 /MWh, durante um mximo de 15 anos. A propsito, nota-se que o perodo em anlise na Figura 7 foi reduzido precisamente para 15 anos para corresponder ao perodo em que o tarifrio verde bonificado garantido pelo Estado. Esta opo conduz naturalmente a resultados de viabilidade econmica pessimistas, uma vez que a vida til de um parque elico , em geral, superior a 15 anos. Pode verificar-se na Figura 7 que, para os investimentos totais mdios actuais em sistemas de converso de energia elica, a rentabilidade assegurada tipicamente a partir das 2.000 horas de funcionamento anual equivalente potncia nominal. Em Portugal, so relativamente frequentes os locais caracterizados por utilizaes anuais da potncia instalada desta ordem de grandeza.\nI01 = 1500 /kW 100 / MWh\nI01 = 1000 /kW\nUtilizao anual da potncia instalada (h)\nFigura 7: Custo mdio anual actualizado do MWh; a = 7%, n = 15 anos, dom = 1%It.\nEmbora energia elica estejam associados benefcios ambientais significativos do ponto de vista da emisso de substncias nocivas atmosfera, existem outros aspectos ligados com a preservao do ambiente que no podem ser negligenciados. indispensvel que os projectos sejam adequadamente integrados na paisagem e desenvolvidos em colaborao com as comunidades locais, para manter o apoio da opinio pblica a esta forma de energia. O impacto visual das turbinas uma questo de gosto pessoal: h quem considere que as turbinas se integram harmoniosamente na paisagem e quem considere a sua presena intrusiva. Vale a pena mencionar, contudo, que os postes que suportam as linhas de transporte de energia, e que existem um pouco por toda a parte, so, pelo menos, igualmente intrusivos. O rudo produzido pelas turbinas tambm apontado como argumento contra a penetrao da energia elica. Basicamente h dois tipos de rudo: mecnico, associado caixa de velocidades e ao gerador e motores auxiliares, e aerodinmico,\nrelacionado com o movimento das ps no ar. Embora existam no mercado turbinas de baixo rudo5, inevitvel a existncia de um zumbido, principalmente a baixas velocidades do vento, uma vez que a altas velocidades do vento o rudo de fundo se sobrepe ao rudo das turbinas. Tanto a interferncia electromagntica com sinais de sistemas de comunicaes, como os efeitos sobre a vida animal, nomeadamente as aves migratrias, no so superiores aos de outras estruturas semelhantes, podendo ser evitados atravs da escolha criteriosa do local de instalao. Por outro lado, o uso da terra no fica comprometido com a instalao de turbinas elicas, uma vez que apenas uma pequena percentagem do espao onde instalado o parque elico fica efectivamente ocupado.\nNos sistemas que operam a velocidade varivel, o gerador de baixa rotao e a caixa de velocidades dispensada.\nOs ventos so causados por diferenas de presso ao longo da superfcie terrestre, devidas ao facto de a radiao solar recebida na terra ser maior nas zonas equatoriais do que nas zonas polares. A origem do vento , portanto, a radiao solar. Os ventos mais fortes, mais constantes e mais persistentes ocorrem em bandas situadas a cerca de 10 km da superfcie da terra. Como no possvel colocar os conversores elicos nessas zonas, o espao de interesse encontra-se limitado a algumas dezenas de metros na atmosfera. A estas alturas, o vento directamente afectado pela frico na superfcie, o que provoca uma diminuio na sua velocidade. Uma avaliao correcta do potencial elico com vista produo de energia elctrica tem de basear-se em medidas de vento efectuadas especificamente para esse efeito. Esta no era a situao data da elaborao dos primeiros estudos. Na verdade, os registos existentes eram provenientes de estaes meteorolgicas, as quais esto associadas medio de dados para a aviao, agricultura, previso do tempo, mas no para avaliao do potencial. Acresce que estas estaes no esto normalmente localizadas nos stios mais favorecidos do ponto de vista elico, pelo que a extrapolao dos registos meteorolgicos conduziu avaliao por defeito do recurso.\n2.1.1. O Atlas Europeu de Vento Na Europa, uma das primeiras aces com vista correco desta situao foi a publicao, em 1989, do Atlas Europeu do Vento [WindAtlas]. Os dados foram obtidos a partir de estaes meteorolgicas seleccionadas, sendo depois corrigidos, embora de forma grosseira, para ter em conta os efeitos da topografia, e, finalmente, extrapolados para outras reas.\nA Figura 8, retirada do Atlas Europeu do Vento, apresenta uma panormica geral do recurso elico na Europa Ocidental, em termos da velocidade mdia (m/s) e da densidade de potncia (W/m2) mdias anuais, altura de 50 metros.\nPara a Noruega, Sucia e Finlndia os resultados referem-se a um estudo mais recente, tendo sido calculados para a altura de 45 m em terreno aberto.\nNa Europa, as regies mais ventosas esto localizadas no norte do Reino Unido e nas costas norte / oeste (roxo e vermelho), embora as condies topogrficas locais afectem significativamente esta imagem geral7. Em geral, o norte de Itlia e o sul de Frana no so favorecidos em termos do recurso elico (azul). A zona correspondente a Portugal Continental praticamente toda do tipo D (verde), identificando-se apenas pequenas faixas costeiras do oeste e do sul como sendo do tipo C (laranja). Apesar de todas as suas limitaes, o Atlas Europeu de Vento representou um esforo importante para produzir um instrumento de trabalho vlido de avaliao do potencial elico com vista produo de energia elctrica.\n2.1.2. O Atlas Europeu de Vento Offshore O recurso elico offshore est mapeado no Atlas Europeu de Vento Offshore [WindAtlas], representado na Figura 9. Pode observar-se que o recurso mais significativo se encontra em redor das ilhas Britnicas, que pode atingir, a 100 m de altura, velocidades mdias anuais superiores a 10 m/s. Isto explica o interesse manifestado pelo Reino Unido no aproveitamento deste tipo de energia elica. Em Portugal, o recurso elico offshore apresenta valores intermdios, caracterizando-se a costa Portuguesa por velocidades mdias do vento, a 100 m de altura, da ordem de 8 m/s. Estes valores so superiores s velocidades do vento registadas em terra.\nComo exemplo regista-se o vento Mistral do sul de Frana e os ventos sazonais que caracterizam as ilhas Gregas.\n2.1.3. O Atlas Portugus de Vento Em Portugal vrias instituies, designadamente o INETI Instituto Nacional de Engenharia, Tecnologia e Inovao, dedicaram-se tambm realizao sistemtica de medies da velocidade do vento. O INETI tem publicada uma verso muito completa do Atlas Portugus de Vento [INETI], de que se apresenta um exemplo na Figura 10. As maiores velocidades mdias anuais (6 a 6,5 m/s, a 60 m de altura) encontramse junto ao litoral oeste, nomeadamente na zona centro, e em certas regies do interior norte.\nFig.2 Velocidade mdia horizontal a 60 m [m/s]. Ano ref. 1999, 9x9 km\nFigura 10: Atlas Portugus do Vento [Costa].\n2.2.1. Variao no tempo A velocidade e a direco do vento esto constantemente a variar no tempo. Na Figura 11 mostra-se, a ttulo exemplificativo, o registo grfico das medies efectuadas por um anemmetro8, localizado na zona centro oeste de Portugal, no dia 1 de Agosto de 1997, na 1 semana de Agosto de 1997 e em Agosto de 1997 (velocidades mdias horrias).\nAparelho destinado medio da velocidade do vento.\n10 Velocidade mdia horria (m/s)\n16 14 Velocidade mdia horria (m/s) 12 10 8 6 4 2 0 0 24 48 72 Horas 96 120 144\n16 14 Velocidade mdia horria (m/s) 12 10 8 6 4 2 0 0 168 336 Horas 504 672\nc) Figura 11: Exemplo do registo de um anemmetro: a) um dia; b) uma semana; c) um ms.\n2.2.2. Representao espectral O vento pode tambm ser descrito no domnio da frequncia. A Figura 12 mostra um exemplo de uma representao espectral de vento, isto , uma medida da energia cintica associada componente horizontal da velocidade do vento. A esta funo, que obtida a partir de um registo significativo (pelo menos, um ano) de medidas da velocidade do vento, d-se o nome de densidade espectral de energia. Embora, em rigor, o espectro de vento s seja vlido para caracterizar a zona onde se efectuaram as medies, tem-se verificado que a sua forma geral se mantm constante.\nA anlise da Figura 12 revela a existncia de dois picos de energia e de um vale, formando trs zonas distintas: A zona macrometeorolgica, associada a frequncias baixas (correspondendo a perodos da ordem de alguns dias) e relacionada com o movimento de grandes massas de ar, do tipo depresses ou anti-ciclones. A zona micrometeorolgica, associada a frequncias mais elevadas (correspondendo a perodos da ordem de poucos segundos) e relacionada com a turbulncia atmosfrica. A zona de vazio espectral, associada a perodos compreendidos aproximadamente entre 10 minutos e 2 horas, e relacionada com zonas do espectro correspondentes a muito pouca energia. A turbulncia atmosfrica afecta a converso de energia, principalmente devido s variaes na direco do vento; contudo, o seu impacto bastante mais significativo ao nvel dos esforos a que a turbina fica submetida, pelo que a turbulncia considerada um factor determinante no projecto de turbinas elicas.\nA variabilidade do vento significa que a potncia elctrica tambm flutuante, embora numa gama de frequncias mais estreita, pois a turbina funciona como um filtro passa-baixo. O carcter aleatrio desta caracterstica do vento obriga ao uso de processos que descrevam estatisticamente essa variao.\n2.2.3. Um modelo do vento A existncia da zona de vazio espectral, contendo muito pouca energia associada, permite tratar separadamente as duas componentes caractersticas do vento, e encarar a turbulncia como uma perturbao ao escoamento quase-estacionrio caracterizado por uma velocidade mdia. Em termos matemticos pode escreverse que a funo velocidade do vento u(t) :\nem u a velocidade mdia e u'(t) a turbulncia.\nA velocidade mdia calculada com base num perodo que caia dentro do vazio espectral, tipicamente entre 20 minutos e 1 hora, e representa o regime quaseestacionrio9 de energia disponvel para a turbina. A turbulncia tambm afecta a energia disponvel, mas de forma indirecta, uma vez que a turbina no reage a flutuaes rpidas na velocidade ou na direco do vento. A considerao apenas da velocidade mdia anual do vento num local mascara todas as variaes, tanto as lentas como as rpidas. Como a potncia depende do cubo da velocidade do vento10, esta simplificao pode afectar seriamente as estimativas da energia elctrica produzida.\nNo sentido em que as variaes so lentas, quando comparadas com as variaes associadas turbulncia. 10 Ver Captulo 3.\nPara o caso das variaes lentas, o problema pode ser ultrapassado recorrendo a distribuies estatsticas, do tipo densidade de probabilidade, isto , a probabilidade de a velocidade do vento ser igual a um determinado valor. Para o efeito, o nmero de ocorrncias de cada velocidade mdia horria contado e expresso em funo do nmero total de horas do perodo em anlise, por forma a obter a descrio estatstica do regime de ventos no local. Ser desejvel que o perodo em anlise seja to alargado quanto possvel, idealmente trs anos, no mnimo, de modo a incluir as variaes registadas de ano para ano. Os registos existentes so de velocidades mdias horrias, isto , um conjunto de valores discreto. Assim, a densidade de probabilidade representa, mais precisamente, a probabilidade de a velocidade do vento estar compreendida entre dois valores. O problema est em definir a largura da faixa delimitada por esses valores. Se for demasiado apertada, poder-se- correr o risco de pesar excessivamente velocidades do vento que ocorrem poucas vezes. Se for demasiado larga, provvel que no se contabilizem valores que tm um peso significativo na distribuio de velocidades. costume encontrar na literatura especializada o valor de 1 m/s para a largura desta banda, designada habitualmente por classe de vento. Na Figura 13 ilustra-se o grfico de frequncia de ocorrncia de velocidades mdias horrias do vento, obtido a partir dos registos de um anemmetro instalado na zona centro oeste de Portugal, durante o ano de 1997.\n16% 14% 12% Frequncia de ocorrncia 10% 8% 6% 4% 2% 0%\nFigura 13: Frequncia de ocorrncia da velocidade do vento (%), obtida a partir de dados reais.\n2.3.1. Distribuio de Weibull Os registos da densidade de probabilidade ganham importncia se puderem ser descritos por expresses analticas. Tm sido sugeridas vrias distribuies probabilsticas para descrever o regime de ventos, mas a distribuio de Weibull normalmente considerada como a mais adequada. A expresso matemtica da funo densidade de probabilidade de Weibull f ( u ) :\nku f(u) = cc\nem que u a velocidade mdia do vento, c um parmetro de escala, com as dimenses de velocidade, e k um parmetro de forma, sem dimenses. A velocidade mdia anual do vento uma calcula-se atravs de:\numa = u f ( u ) d u\nNa prtica tm-se distribuies discretas da velocidade mdia do vento em classes de 1 m/s, pelo que a velocidade mdia anual se calcula, de forma aproximada, por:\nA funo Gamma\nrelaciona os parmetros c e k da distribuio de Weibull\ncom as caractersticas da velocidade do vento mdia anual e varincia, atravs das relaes seguintes:\n1 uma = c1 + k\n2 1 2 = c 1 + 1 + k k\nExemplo EOL 1 Relacione as caractersticas da velocidade do vento mdia anual e desvio padro com os parmetros c e k da funo densidade de probabilidade de Weibull. Para o efeito trace a funo de Weibull e calcule a mdia anual e o desvio padro da velocidade do vento para a) c = 8 m/s e k1 = 2; k2 = 2,5; k3 = 3; b) k = 2,3 e c1 = 7 m/s; c2 = 8 m/s; c3 = 9 m/s. Resoluo: a) A funo densidade de probabilidade de Weibull pretendida est representada na Fig. A. Aplicando a equao 5 e a equao 6, obtm-se os valores da Tab. A. Verifica-se que k influencia essencialmente o desvio padro, sendo este parmetro tomado habitualmente como uma medida da disperso da velocidade do vento no local. Para o mesmo valor do parmetro c, a velocidade mdia anual aumenta ligeiramente com k, aproximando-se do valor de c, mas o desvio padro diminui acentuadamente. No limite, o grfico apresentaria apenas um pico localizado em u = 8 m/s, o que significaria que a velocidade do vento seria sempre constante.\nA funo Gamma pode ser obtida no Excel atravs do comando EXP(GAMMALN(x)) e no Matlab atravs de gamma(x).\nFig. A: Funo de Weibull (c = 8 m/s e k1 = 2; k2 = 2,5; k3 = 3).\nTab. A: Funo de Weibull mdia anual e desvio padro da velocidade do vento (c = 8 m/s e k1 = 2; k2 = 2,5; k3 = 3).\nb) A funo densidade de probabilidade de Weibull pretendida est representada na Fig. B.\nFig. B: Funo de Weibull (k = 2,3 e c1 = 7 m/s; c2 = 8 m/s; c3 = 9 m/s).\nAplicando a equao 5 e a equao 6, obtm-se os valores da Tab. B.\nTab. B: Funo de Weibull mdia anual e desvio padro da velocidade do vento (k = 2,3 e c1 = 7 m/s; c2 = 8 m/s; c3 = 9 m/s).\nObserva-se que a influncia de c se estende principalmente mdia anual, sendo este parmetro tomado habitualmente como uma medida do vento disponvel no local. No entanto, aparente que o desvio padro tambm aumenta com o parmetro c, o que significa que quanto maior for o valor de c, mais larga a banda de variao da velocidade do vento, diminuindo, por isso, a sua confiabilidade.\nUm dos mtodos mais utilizados para calcular os parmetros k e c envolve uma regresso linear e sumariamente apresentado a seguir. A funo, F(x), probabilidade acumulada probabilidade de uma varivel aleatria x exceder o valor x0, dada por.\nF( x ) = 1 f ( x ) dx\nde que decorre a relao:\nA aplicao ao caso da distribuio de Weibull conduz para F( u ) expresso:\nu k F( u ) = exp c\nA equao 9 pode ser expressa como uma funo linear do tipo:\nY = ln[ ln(F( u ))] X = ln( u )\nOs parmetros k e c esto relacionados com A e com B, atravs de:\nk=A B c = exp A\nExemplo EOL 2 Medies efectuadas num determinado local, conduziram distribuio da velocidade mdia horria do vento (funo densidade de probabilidade) indicada na tabela seguinte:\nCalcule: a) Os parmetros k e c da funo densidade de probabilidade de Weibull que aproxima os dados disponveis; b) A velocidade mdia anual do vento. Resoluo: a) Em primeiro lugar, necessrio calcular a probabilidade acumulada F(u), usando a equao 7. Para o efeito, pode recorrer-se, por exemplo, ao mtodo de integrao trapezoidal, de que se recorda a expresso geral:\nF( t ) = f ( t ) dt F( t 0 ) = f (t 0 ) 2 f ( t i t ) + f ( t i ) 2\nF( t i ) = F( t i t ) + t\nOs resultados obtidos para a probabilidade acumulada so apresentados na Tab. C. Na Fig. C representa-se a funo linearizada (Y,X) correspondente equao 10. O declive da recta A = 1,93 e a ordenada na origem B = 4,18. Os parmetros da funo de Weibull so k = 1,93 e c = 8,70 m/s.\nFig. C: Representao da funo linearizada (Y,X).\nPode observar-se que a funo obtida no linear, mas sim aproximadamente linear. Tal deve-se ao facto de se ter usado um passo de integrao de 1 m/s, que manifestamente elevado. Esta tambm a causa de os resultados obtidos para os parmetros da funo de Weibull constiturem uma aproximao dos verdadeiros parmetros. Com efeito, a funo densidade de probabilidade dada no enunciado foi construda a partir de uma funo de Weibull caracterizada por k = 2 e c = 8,46 m/s. A velocidade mdia correspondente uma = 7,50 m/s ( 1 + 1 = = 0,8862 ). 4 2 b) A velocidade mdia anual estimada uma = 7,72 m/s ( (1 + 1 1,93 ) = 0,8869 ).\nPara k = 2 a distribuio de Weibull reduz-se distribuio uni-paramtrica de Rayleigh:\nu 2 u f(u) = exp 2 uma 2 4 uma\nem que uma a velocidade mdia anual.\nUma aplicao til da distribuio de Rayleigh ocorre na fase em que no se dispem de dados experimentais e se pretende caracterizar sumariamente um local, unicamente a partir da velocidade mdia anual.\nExemplo EOL 3 Obtenha as expresses analticas das funes densidade de probabilidade e probabilidade acumulada de Weibull com k = 2. Resoluo: De acordo com a equao 5, para k = 2, tem-se:\nc= uma 2 = uma 1 1 + 2\ne substituindo na equao 2, obtm-se:\n2 u u exp uma 2uma 2uma\nu 2 u exp 2 uma 2 4 uma\nque corresponde funo densidade de probabilidade de Rayleigh (equao 13). A funo probabilidade acumulada obtm-se a partir da equao 9:\nu 2 F( u ) = exp 4 uma\ndesignada por funo probabilidade acumulada de Rayleigh.\n2.3.2. Lei de Prandtl O atrito entre a superfcie terrestre e o vento tem como consequncia um retardamento deste ltimo. As camadas mais baixas de ar retardam as que lhe esto por cima, resultando numa variao da velocidade mdia do vento com a altura\nao solo. O efeito da fora de atrito vai-se desvanecendo at praticamente se anular a uma altura de aproximadamente 2.000 metros. No solo, a condio fronteira obriga a que a velocidade do escoamento seja nula. A esta zona da atmosfera caracterizada pela variao da velocidade do vento com a altura chama-se camada limite atmosfrica; acima desta zona diz-se que a atmosfera livre. A regio da camada limite atmosfrica que se estende at uma altura de cerca de 100 metros a chamada camada superficial12 a zona de interesse para as turbinas elicas. Nesta zona, a topografia do terreno e a rugosidade do solo condicionam fortemente o perfil de velocidades do vento, que pode ser adequadamente representado pela lei logartmica de Prandtl:\nu* z ln k z0\nem que u( z) a velocidade mdia do vento altura z, u* a chamada velocidade de atrito, k a constante de Von Karman (cujo valor 0,4), e z0 o que se define por comprimento caracterstico da rugosidade do solo. A velocidade de atrito, que varia com a rugosidade do solo, com a velocidade do vento e com foras que se desenvolvem na atmosfera, difcil de calcular. Para obviar a esta dificuldade, e porque o uso habitual da equao 14 a extrapolao para alturas diferentes de dados medidos a uma altura de referncia, usa-se, na prtica, a equao 15:\nz ln z u( z ) = 0 z u( zR ) ln R z 0\nTambm chamada camada logartmica.\nem que u( z R ) a velocidade mdia altura de referncia zR. A Tabela 1 mostra valores tpicos para o comprimento caracterstico da rugosidade do solo z0.\nTabela 1: Valores tpicos de z0 [Hassan].\nLama / gelo Mar calmo Areia Neve Campo de cereais Relva baixa / estepes Descampados Relva alta Terreno com rvores Floresta Povoao dos subrbios Centro da cidade\nNo Atlas Europeu de Vento a abordagem seguida para a contabilizao da rugosidade do terreno foi ligeiramente diferente, tendo-se optado por dividir os diferentes tipos de terrenos em classes caractersticas. No Anexo 3 mostra-se a tabela utilizada. O valor de z0 pode variar com a direco do vento e, tambm, entre os meses de vero e de inverno; isso deve ser tomado em considerao quando se analisam as caractersticas de um local. De um modo geral, deve ter-se em ateno que a equao 15 se aplica para terrenos planos e homogneos, no incluindo o efeito da topografia, de obstculos e modificaes na rugosidade, pelo que a sua aplicao deve ser feita de modo criterioso.\nRecurso Elico Exemplo EOL 4 Num determinado local, mediu-se a velocidade mdia do vento de 10 m/s altura de 10 m.\nObtenha a variao da velocidade mdia do vento em funo da altura, para os seguintes valores do comprimento caracterstico da rugosidade do solo: z0 = 10-2 m (relva baixa); z0 = 5*10-2 m (relva alta); z0 = 10-1 m (terreno com rvores). Resoluo: Tomando zR = 10 m e u(zR) = 10 m/s e substituindo valores na equao 15, obtm-se os valores que permitem construir a Fig. D.\nFig. D: Velocidade mdia em funo da altura; z0=10 m; z0=5*10 m; z0=10 m; zR=10m; u(zR)=10m/s.\nEsta caracterstica da velocidade do vento importante para o projecto das turbinas elicas. Por exemplo, para z0 = 5*10-2 m, considerando uma turbina tpica de 1.000 kW com uma torre de cerca de 60 m de altura e um rotor com 60 m de dimetro, pode verificar-se que quando a ponta da p est na posio superior a velocidade mdia do vento 14,1 m/s, enquanto que quando est na posio inferior 12,1 m/s.\nA questo da turbulncia mais difcil de ser analisada. A turbulncia atmosfrica uma caracterstica do escoamento e no do fludo. Uma tentativa de visualizao da turbulncia consiste em imaginar uma srie de turbilhes tridimensionais, de diferentes tamanhos, a serem transportados ao longo do escoamento mdio. A Figura 14 pode auxiliar a esta visualizao. A turbulncia completamente irregular e no pode ser descrita de uma maneira determinstica, sendo necessrio recorrer a tcnicas estatsticas. Repare-se que o\ninteresse da turbulncia no esotrico. A componente flutuante do vento pode conter energia significativa em frequncias prximas das frequncias de oscilao da estrutura da turbina elica, pelo que, pelo menos, h que ter em ateno que os esforos a que a turbina fica submetida iro reduzir a sua vida til.\nFigura 14: Turbulncia do vento [Cranfield].\nUma vez que a turbulncia um fenmeno inerente ao escoamento, no possvel erradic-lo: a soluo considerar a turbulncia como um elemento determinante no projecto das turbinas elicas. Na turbulncia representam-se os desvios da velocidade instantnea do vento\nu(t) em relao velocidade mdia do regime quase-estacionrio u .\n2 Uma medida da turbulncia dada pela varincia u :\n2 u = u' 2 =\n2 1 0 T 2 u(t ) u dt T t0\ndefinindo-se intensidade da turbulncia Iu como:\nComo a varincia varia mais lentamente com a altura do que a velocidade mdia, resulta que a intensidade da turbulncia normalmente decresce com a altura. Experincias realizadas revelaram que a relao u 2,5u* (recorda-se que u* a velocidade de atrito) se verifica na camada superficial, o que permite escrever (ver equao 14):\n1 z ln z 0\nExemplo EOL 5 Obtenha a variao da intensidade da turbulncia em funo da altura, para os seguintes valores do comprimento caracterstico da rugosidade do solo: z0 = 10-2 m (relva baixa); z0 = 5*10-2 m (relva alta); z0 = 10-1 m (terreno com rvores). Resoluo: Usando a equao 18 obtm-se as curvas da Fig. E parametrizadas em funo de z0.\nFig. E: Intensidade da turbulncia em funo da altura;. z0 = 10 m; z0 = 5*10 m; z0 = 10 m.\nPode verificar-se que a intensidade da turbulncia diminui com o comprimento caracterstico da rugosidade do solo, isto , quanto mais livre de obstculos for o terreno, menor ser a turbulncia.\nO projecto de turbinas elicas necessita de informao mais completa sobre a turbulncia do que aquela que foi apresentada.\nNormalmente, elabora-se o espectro de energia do vento a partir das medidas efectuadas ao longo do tempo. A vantagem do espectro que a informao imediatamente disponibilizada no domnio da frequncia. As frequncias associadas a um nvel superior de energia so imediatamente identificadas, pelo que a turbina pode ser projectada de maneira a evitar que as mesmas sejam reproduzidas nos seus modos oscilatrios prprios. O efeito do vento e da turbulncia nas estruturas um assunto que, hoje em dia, j bem dominado, permitindo projectar turbinas de forma segura, mesmo em condies extremas de vento.\nCARACTERSTICAS ESPECIAIS DO VENTO\nO vento , como vimos, um escoamento com caractersticas especiais. Estas caractersticas tm de ser devidamente contabilizadas quando se pretende instalar um aproveitamento de energia elica.\n2.5.1. Obstculos Os obstculos edifcios, rvores, formaes rochosas tm uma influncia significativa na diminuio da velocidade do vento, e so fontes de turbulncia na sua vizinhana. A Figura 15 mostra o modo como o escoamento afectado na rea envolvente do obstculo, podendo verificar-se que a zona turbulenta se pode estender at cerca de trs vezes a altura do obstculo, sendo mais intensa na parte de trs do que na parte da frente do obstculo.\nFigura 15: Escoamento na zona envolvente de um obstculo [DanishAssoc].\nA reduo na velocidade do vento depende das dimenses e da porosidade do obstculo. Porosidade define-se atravs da equao 19:\nem que AT a rea total ocupada pelo objecto e Aef a sua rea efectiva. Por exemplo, um edifcio tem porosidade nula; a porosidade das rvores varia entre o vero e o inverno de acordo com a quantidade de folhas. Sempre que os obstculos se encontrem a menos de 1 km medido segundo uma das direces predominantes, eles tero de ser tidos em conta no projecto de instalao de turbinas.\n2.5.2. Efeito de esteira Outro aspecto a considerar o chamado efeito de esteira. Uma vez que uma turbina elica produz energia mecnica a partir da energia do vento incidente, o vento que sai da turbina tem um contedo energtico muito inferior ao do vento que entrou na turbina. De facto, na parte de trs da turbina forma-se uma esteira de vento turbulento e com velocidade reduzida relativamente ao vento incidente. A Figura 16 foi obtida injectando fumo branco no ar que passa atravs da turbina para mostrar a situao que se descreveu.\npor esta razo que a colocao das turbinas dentro de um parque elico tem de ser efectuada de modo criterioso (Figura 17). habitual espaar as turbinas de uma distncia entre cinco e nove dimetros na direco preferencial do vento e entre trs e cinco dimetros na direco perpendicular. Mesmo tomando estas medidas, a experincia mostra que a energia perdida devido ao efeito de esteira de cerca de 5%.\nFigura 17: Colocao das turbinas num parque elico [DanishAssoc].\n2.5.3. Vento no mar O vento apresenta condies particulares no mar (offshore). O facto de, em geral, a rugosidade do mar apresentar valores baixos, faz com que a variao da velocidade do vento com a altura seja pequena, e, portanto, a necessidade de haver torres elevadas no seja premente. Por outro lado, o vento no mar , normalmente, menos turbulento do que em terra, o que faz esperar uma vida til mais longa para as turbinas. A experincia de parques elicos em operao no mar da Dinamarca revela que o efeito dos obstculos em terra, mesmo para distncias superiores a 20 km, parece ser superior ao inicialmente previsto. Por outro lado, os resultados obtidos at ao momento indicam que o recurso elico no mar poder ser superior s estimativas disponveis em cerca de 5 a 10%.\n2.6.1. Identificao de locais potenciais A potncia disponvel no vento aumenta com o cubo da velocidade do vento, pelo que a implantao das turbinas em locais com ventos fortes e persistentes um factor determinante no sucesso econmico da operao. A primeira etapa na escolha de locais potenciais consiste em aplicar algumas regras do senso comum:\nOs topos das montanhas so, em geral, locais muito ventosos. Os planaltos e as plancies elevadas podem ser locais com bastante vento, assim como as zonas costeiras.\nOs vales so normalmente locais com menos vento, embora, por vezes, possam ocorrer efeitos de concentrao local.\nOs locais potencialmente interessantes podem ser identificados usando mapas adequados (cartas militares, por exemplo), e a sua escolha complementada com visitas aos locais. Se estiverem disponveis mapas de isoventos (linhas de igual velocidade mdia anual do vento) eles devem ser usados para fazer uma primeira estimativa (grosseira) do recurso elico. Contudo, indispensvel uma caracterizao detalhada do stio recorrendo a dados obtidos a partir de medies efectuadas no local escolhido.\n2.6.2. Medio do vento Idealmente, a caracterizao do recurso elico num local deve ser feita com base em medies realizadas em vrios pontos da zona envolvente e ao longo de um nmero significativo de anos. Na prtica, a falta de tempo e de recursos financeiros leva a que as decises sejam muitas vezes baseadas num nico registo medido ao longo de apenas um ano.\nA medio do vento feita com instrumentao especfica: anemmetros e sensores de direco. essencial que a instrumentao esteja bem exposta a todas as direces do vento, isto , os obstculos devem estar situados a uma distncia de, pelo menos, dez vezes a sua altura. A Figura 18 ilustra o tipo de anemmetro mais difundido, o chamado anemmetro de copos, e um sensor de direco.\nFigura 18: Sensor de direco (esquerda) e anemmetro de copos ( direita) [DeMonfort].\nA principal desvantagem do anemmetro de copos reside no facto de a sua constante de tempo ser inversamente proporcional velocidade do vento, isto , aceleram mais rapidamente do que desaceleram. A medio do vento deve ser efectuada a uma altura prxima da altura a que vai ficar o cubo do rotor da turbina. Por forma a permitir correlacionar os dados do local com os registos existentes em estaes meteorolgicas prximas, ou para estimar o comprimento caracterstico da rugosidade do solo z0 , desejvel uma medida adicional altura normalizada de 10 metros. A frequncia de amostragem depende do uso que vai ser feito dos dados. Tipicamente usam-se frequncias da ordem das dcimas ou unidades de Hertz, e as mdias horrias so feitas com base em mdias em intervalos de 10 minutos. Para recolher dados relativos turbulncia necessrio outro tipo de anemmetro mais sofisticado (e mais caro), designado por anemmetro snico e ilustrado na Figura 19.\nOs anemmetros snicos do informao simultnea sobre a velocidade e direco. Como os dados tm de ser amostrados a uma frequncia mais elevada, cerca de 50 Hz, os sistemas de armazenamento atingem rapidamente a sua capacidade mxima, pelo que a gravao destes dados no pode ser efectuada de forma contnua.\nFigura 19: Anemmetro snico [DeMonfort].\nA velocidade de rotao dos anemmetros (de copos e snicos) proporcional velocidade do vento, sendo medida atravs de uma tenso varivel. A calibrao dos anemmetros deve ser efectuada num tnel de vento, antes da sua instalao no stio; para utilizaes durante perodos longos, prudente proceder, periodicamente, sua recalibrao no local usando um anemmetro de referncia. Os sensores de direco fornecem uma tenso proporcional direco. Tipicamente, a tenso mxima obtida para a direco do norte relativo ao corpo do instrumento, pelo que o sensor tem de ser adequadamente orientado. Os sinais enviados pelos instrumentos de medida so recolhidos por um sistema de aquisio de dados (Figura 20) e armazenados localmente ou transferidos remotamente, por linha telefnica.\nFigura 20: Sistema de aquisio de dados [DanishAssoc].\nComo o sistema de aquisio de dados fica, muitas vezes, instalado ao ar livre necessrio que possua uma boa capacidade de isolamento, particularmente no que diz respeito chuva. Esta questo muito importante, uma vez que o ambiente em stios com boas condies de vento normalmente hostil.\n2.6.3. Representao do perfil de ventos Os resultados das medies da velocidade mdia e da direco do vento podem ser registados em tabelas ou grficos de frequncias. Tambm usual obter a conhecida rosa-dos-ventos, de que se mostram dois exemplos na Figura 21.\nFigura 21: Rosa-dos-ventos de Brest ( esquerda) e de Caen ( direita), em Frana [DanishAssoc].\nA rosa-dos-ventos apresentada esquerda na Figura 21 refere-se regio de Brest, na costa atlntica francesa, e est dividida em 12 sectores de 30. A medida 1 proporcional frequncia relativa com que o vento sopra naquela direco.\nA medida 2 indica a contribuio relativa da direco correspondente para a velocidade mdia do vento. Finalmente, a medida 3 mostra a contribuio relativa daquela direco para a mdia do cubo da velocidade do vento. As rosas-dos-ventos variam de lugar para lugar. Veja-se, por exemplo, o caso da rosa-dos-ventos de Caen, a 150 km a norte de Brest, representada na Figura 21, direita. Pode verificar-se que a quase totalidade do vento vem de oeste e de sudoeste. A caracterizao de um local em termos da velocidade do vento por direco importante para a orientao inicial das turbinas em relao ao vento; a frequncia de ocorrncia de cada velocidade do vento (ver Figura 13) tem aplicao nos clculos energticos. A partir dos dados reais pode encontrar-se a distribuio de Weibull que melhor se ajusta, permitindo descrever o perfil de ventos atravs de uma expresso analtica, o que pode ter interesse. Naturalmente que dispondo de dados reais fiveis, a utilidade das distribuies analticas limitada. Se os dados disponveis dizem respeito apenas a um ano, preciso saber se esse ano representativo, isto , se no foi especialmente ventoso ou calmo. A forma garantida de ultrapassar esta dvida continuar a medir por mais anos. Como esta no a soluo prtica, os dados disponveis devem ser comparados com dados meteorolgicos obtidos em estaes prximas, de modo a tentar estabelecer correlaes e estender, assim, a representatividade a um nmero significativo de anos.\n2.6.4. Modelos fsicos e modelos numricos Quando se pretende estudar simultaneamente vrios locais, ou um s local disperso por uma rea considervel, o recurso a modelos, fsicos e/ou numricos, uma prtica habitual.\nimportante realar, desde j, que os modelos no substituem as campanhas de medio de vento, antes a complementam, permitindo efectuar, com base nas medidas, extrapolaes sobre o comportamento de locais no experimentados. Os modelos fsicos da topografia do terreno so realizados escala e colocados num tnel de vento, onde se reproduzem condies de vento com padres de comportamento semelhantes s do local. A realizao destes ensaios permite caracterizar o vento em diversos stios e a diferentes alturas, identificando problemas relacionados com o escoamento em terreno complexo e com a turbulncia. Esta tcnica permite obter resultados em algumas semanas, embora a construo dos modelos e a utilizao do tnel sejam actividades dispendiosas. O desenvolvimento verificado nos computadores tornou possvel a opo de recorrer a modelos numricos para analisar o vento num local. Para utilizar estes modelos apenas necessrio dispor dos dados meteorolgicos habitualmente disponveis ou dados reais recolhidos num curto espao de tempo. Deste modo, podem ser investigadas vrias possibilidades numa fraco do tempo que seria necessrio para efectuar uma campanha de medies completa no local. O modelo numrico mais usado na Europa o WAsP Wind Atlas Analysis and Application Programme13 que foi desenvolvido na altura da elaborao do Atlas Europeu do Vento. O regime de ventos num local estimado a partir de dados existentes para um stio de referncia, normalmente registos meteorolgicos disponveis num perodo alargado de tempo. Os dados de referncia so filtrados para remover a influncia da rugosidade, dos obstculos e da topografia do terreno, e, assim, obter o escoamento livre caracterstico da rea. Posteriormente, so adicionados os efeitos locais do terreno e a correco para a altura do cubo das ps do rotor da turbina, para chegar a uma projeco do regime de ventos no local desejado.\nUm primeiro comentrio que ocorre relativamente a este modelo que a estao de referncia e o local em anlise tm que estar suficientemente prximos de modo a experimentarem regimes de vento anlogos. Por forma a validar o modelo WAsP tm sido realizados vrios estudos de comparao entre resultados tericos previstos com o modelo e resultados experimentais obtidos por medio. A principal concluso que o modelo apresenta projeces aceitveis em terrenos planos ou pouco inclinados; grandes elevaes ou terrenos complexos, onde a dinmica do escoamento crucial, no so adequadamente descritos com o WAsP, uma vez que as previses so demasiadamente grosseiras para serem aceitveis.\nUma condio necessria para a apropriao da energia contida no vento a existncia de um fluxo permanente e razoavelmente forte de vento. As turbinas modernas so projectadas para atingirem a potncia mxima para velocidades do vento da ordem de 10 a 15 m/s. A energia disponvel para uma turbina elica a energia cintica associada a uma coluna de ar que se desloca a uma velocidade uniforme e constante u (m/s). Na unidade de tempo, aquela coluna de ar, ao atravessar a seco plana transversal A (m2) do rotor da turbina, desloca uma massa Au (kg/s), em que a massa especfica do ar ( = 1,225 kg/m3, em condies de presso e temperatura normais ver Anexo 2). A potncia disponvel no vento (W) , ento, proporcional ao cubo da velocidade do vento:\n1 1 (Au)u2 = Au3 2 2\nA equao 20 revela que a potncia disponvel fortemente dependente da velocidade do vento: quando esta duplica, a potncia aumenta oito vezes, mas duplicando a rea varrida pelas ps da turbina, o aumento s de duas vezes. Por outro lado, se a velocidade do vento desce para metade, a potncia reduz-se a 12,5%. Tudo isto explica a importncia crtica da colocao das turbinas em locais com velocidades do vento elevadas no sucesso econmico dos projectos de energia elica. A informao sobre o recurso elico de um local independentemente das caractersticas das turbinas a instalar, pode ser apresentada em termos da densidade de potncia disponvel no vento (W/m2), isto , potncia por unidade de rea varrida pelas ps da turbina (Figura 22).\nDensidade de potncia (W/m2)\nFigura 22: Densidade de potncia disponvel no vento.\n3.1.1. Coeficiente de potncia CP A equao 20 indica a potncia disponvel no vento na ausncia de turbina. Esta potncia no pode ser integralmente convertida em potncia mecnica no veio da turbina, uma vez que o ar, depois de atravessar o plano das ps, tem de sair com velocidade no nula. A aplicao de conceitos da mecnica de fludos permite demonstrar a existncia de um mximo terico para o rendimento da converso eolo-mecnica: o seu valor\n16 59,3% , e conhecido por Limite de Betz. 27\nAssumindo que a velocidade mdia do vento atravs do rotor de uma turbina a mdia das velocidades, u1, antes da turbina, e da velocidade, u2, depois da passagem pela turbina, a massa de ar atravs da seco plana do rotor da turbina, na unidade de tempo, :\nmr = A\nA potncia extrada do vento pelo rotor da turbina, Pr, , portanto, proporcional diferena dos quadrados das velocidades u1 e u2:\nu + u2 2 1 2 A 1 u1 u2 = 2 2 u2 2 u2 2 1 = Au11 + u1 1 2 u u 4 1 1\nDividindo a potncia extrada do vento pela respectiva potncia disponvel (equao 20) obtm-se:\n2 Pr 1 u2 u2 1 + 1 2 = Pdisp 2 u1 u1\nNa Figura 23 representa-se a variao de Pr/Pdisp com u2/u1, podendo verificar-se que o mximo ocorre no ponto (1/3,16/27), isto , o mximo de potncia extrada do vento Pr =\nFigura 23: Variao de Pr/Pdisp com u2/u1.\nO rendimento efectivo da converso numa turbina elica depende da velocidade do vento e dado por:\nem que Pm a potncia mecnica disponvel no veio da turbina. Embora a definio de CP seja a dada pela equao 24, os fabricantes de aerogeradores tm por hbito incluir o rendimento do gerador elctrico no valor de CP, pelo que a expresso usada na prtica :\nem que Pe a potncia elctrica fornecida aos terminais do gerador. No est normalizada a designao a dar ao rendimento expresso pela equao 24 ou pela equao 25. So comuns as designaes de coeficiente de potncia14, factor de aproveitamento ou rendimento aerodinmico. Na prtica, a terminologia mais usada mesmo CP.\n3.1.2. Caracterstica elctrica do aerogerador As turbinas elicas so projectadas para gerarem a mxima potncia a uma determinada velocidade do vento. Esta potncia conhecida como potncia nominal e a velocidade do vento a que ela atingida designada velocidade nominal do vento. Esta velocidade ajustada de acordo com o regime de ventos no local, sendo habitual encontrar valores entre 12 a 15 m/s. Na Figura 24 mostra-se um exemplo de uma caracterstica elctrica, isto , potncia elctrica velocidade do vento, correspondente a um sistema de converso de energia elica com potncia nominal de 660 kW.\nDevido lei de variao cbica da potncia com a velocidade do vento, para velocidades abaixo de um certo valor15 (normalmente, cerca de 5 m/s, mas depende do local) no interessa extrair energia. Pela mesma razo, para valores superiores velocidade do vento nominal16 no econmico aumentar a potncia, pois isso obrigaria a robustecer a construo, e, do correspondente aumento no investimento, apenas se tiraria partido durante poucas horas no ano: assim, a turbina regulada para funcionar a potncia constante, provocando-se, artificialmente, uma diminuio no rendimento da converso. Quando a velocidade do vento se torna perigosamente elevada17 (superior a cerca de 25 30 m/s), a turbina desligada por razes de segurana.\nPotncia elctrica (kW)\nFigura 24: Caracterstica elctrica de um gerador elico de 660 kW [DanishAssoc].\nUma vez obtida uma representao do perfil de ventos fivel numa base de tempo alargada, o valor esperado para a energia elctrica produtvel anualmente , no caso geral:\nEa = 8760 f ( u )Pe ( u )d u\nem que f ( u ) a densidade de probabilidade da velocidade mdia do vento, Pe ( u ) a caracterstica elctrica do sistema de converso de energia elica, u0 a velocidade de cut-in e umax a velocidade de cut-out. Este integral pode ser calculado analiticamente quando so conhecidas as expresses das funes f ( u ) e Pe ( u ) ; em alternativa pode ser calculado numericamente, usando o mtodo de integrao trapezoidal, por exemplo. Habitualmente esto disponveis distribuies discretas, pelo que a equao 26 se transforma em:\nf ( u )P ( u )\nem que fr ( u ) (h) a frequncia relativa de ocorrncia da velocidade mdia do vento: fr ( u ) = 8760 f ( u ) . Quando F( u ) conhecida, uma forma mais elaborada de calcular a energia consiste precisamente em usar esta funo de probabilidade acumulada para obter a probabilidade de a velocidade do vento estar compreendida entre dois valores; neste caso, deve usar-se o valor mdio da potncia retirado da caracterstica elctrica do aerogerador. Assim, a expresso a usar ser:\nmax P (i) + Pe (i 1) Ea = 8760 (F(i 1) F(i)) e 2 i =u1\nEnergia Elctrica Produtvel Exemplo EOL 6\nConsidere-se um local com velocidade mdia anual do vento igual a 7,5 m/s, cujo perfil de ventos o representado na tabela seguinte:\nPara instalar naquele local, tome-se um sistema de converso de energia elica de potncia elctrica igual a 500 kW, dimetro das ps do rotor igual a 40 m, cuja caracterstica se encontra representada na tabela seguinte:\nCalcular: a) O valor esperado da energia elctrica produzida anualmente e a utilizao anual da potncia instalada; b) A variao do CP com a velocidade do vento; c) A curva de durao anual de potncia. Resoluo: a) Para uma visualizao mais apelativa, a Fig. F e a Fig. G mostram a representao grfica da frequncia relativa de ocorrncia da velocidade mdia do vento e da caracterstica elctrica do aerogerador de 500 kW, respectivamente.\nFrequncia relativa de ocorrncia (h)\nFig. F: Frequncia relativa de ocorrncia da velocidade mdia do vento.\n400 Potncia elctrica (kW)\nFig. G: Caracterstica elctrica do aerogerador de 500 kW.\nA multiplicao, para cada velocidade mdia do vento, das caractersticas representadas na Fig. F e na Fig. G origina o valor esperado para a energia elctrica produzida por velocidade mdia do vento, representado na Fig. H. A soma, para todas as velocidades mdias do vento, d o valor esperado para a energia elctrica produzida anualmente, a partir do qual se calcula a utilizao anual da potncia instalada.\n200 000 Energia elctrica (kWh)\nFig. H: Distribuio de energia produzida por velocidade mdia do vento.\nDependendo das condies de vento no local, relativamente comum obter valores de utilizao anual da ordem de 2.000 a 3.000 horas. Pode verificar-se que a velocidade mdia do vento que ocorre mais vezes u1 = 6 m/s, mas a velocidade mdia do vento associada a uma maior produo de energia u2 = 11 m/s; u2 a velocidade mdia do vento que maximiza o produto fr(u)Pe(u). b) O coeficiente de potncia CP calcula-se pela equao 25, sendo o numerador obtido da caracterstica elctrica do aerogerador e o denominador dado pela equao 20 (tomou-se = 1,225 kg/m e\nA = d2 4 ). O resultado obtido encontra-se representado na Fig. I.\nFig. I: Distribuio do coeficiente de potncia Cp.\nO valor mximo do coeficiente de potncia deste aerogerador 0,42 (correspondente a 71% do limite de Betz), atingido velocidade mdia do vento de 10 m/s. Para velocidades mdias compreendidas entre 5 m/s e 12 m/s a turbina funciona com valores de CP superiores a 0,35 (83% do valor mximo).\nDe acordo com a tabela da frequncia de ocorrncia dada no enunciado, aquelas velocidades ocorrem durante 5.621 horas por ano (64% do ano), o que atesta bem a qualidade das modernas turbinas. c) A curva de durao anual de potncia indica em abcissa o nmero de horas por ano que a potncia indicada em ordenadas atingida ou excedida. Esta curva obtida combinando a caracterstica elctrica do sistema elico (Fig. G) com a frequncia relativa de ocorrncia (Fig. F) de modo a eliminar a velocidade mdia do vento. O nmero de horas que cada potncia atingida por ano depois somado, para se obter o efeito acumulado potncia atingida ou excedida (ver Fig. J).\nCurva de durao anual de potncia.\n0 0 1000 2000 3000 4000 horas 5000 6000 7000 8000 9000 100 Potncia (kW) 500 600\nFig. J: Curva de durao anual de potncia.\nA Fig. J permite tirar algumas concluses interessantes, que naturalmente se aplicam apenas ao caso em estudo:\nA potncia nominal atingida apenas 683 horas num ano (7,8% do nmero total de horas).\nO aerogerador est parado 21 horas no ano (0,24%), devido a velocidade do vento excessiva, e 704 horas no ano (8%), devido a velocidade do vento insuficiente.\nExemplo EOL 7 Considere um sistema de converso de energia elica de 660 kW, com 3 ps de 47 m de dimetro e uma altura da torre de 40 m. A caracterstica elctrica do aerogerador pode ser expressa atravs da seguinte funo analtica, para u em m/s e P em kW.\nP=0 P = 1,1039u 3 + 29,081u 2 161,8u + 257,69 P = 660 P=0 0u3 4 u 14 15 u 25 u 26\nA velocidade mdia anual do vento medida altura de 10 m 6,65 m/s e o solo onde o aerogerador est instalado apresenta uma rugosidade equivalente de 3x10-2 m. Assumindo que a distribuio da velocidade do vento segue a funo densidade de probabilidade de Rayleigh, calcule: a) a velocidade mdia anual do vento altura da torre; b) uma estimativa da energia produzida durante o perodo em que o aerogerador funciona a potncia constante; c) a energia produzida durante o perodo referido em b), usando o mtodo de integrao trapezoidal; d) a energia produzida durante o perodo referido em b), usando a expresso analtica da funo de probabilidade acumulada de Rayleigh. Resoluo: a) A velocidade mdia anual do vento altura de 40 m, calcula-se pela Lei de Prandtl fazendo uma(10m) = 6,65 m/s, z = 40 m, z0 = 0,03, zR = 10 m: uma(40m) = uma(10m)*ln(z/z0)/ln(zR/z0) = 8,24 m/s b) O aerogerador funciona a potncia constante para velocidades compreendidas entre 15 m/s e 25 m/s, inclusive, produzindo, anualmente, a energia Ea2.\n, sendo f(u) a funo densidade de probabilidade de Rayleigh.\nu u f (u) = exp 2 2 uma 4 uma\nUma primeira aproximao do valor de Ea2 502.080 kWh, o qual se obtm somando os termos E2(u) que constam da tabela seguinte.\nc) O valor de Ea2 pode ser refinado calculando o integral pelo mtodo de integrao trapezoidal, uma vez que est disponvel a expresso analtica de f(u).\nE a 2 = Pnom * 8760 * f (u)du\nO clculo conduz ao valor de Ea2 = 500.873 kWh o que no traz um acrscimo de preciso assinalvel, devido ao comportamento praticamente constante da funo de Rayleigh nesta zona de velocidades do vento. A tabela seguinte mostra os detalhes do clculo.\nd) O integral a calcular :\n8760 660 f (u)du = 8760 660 [1 F(u)]15 = 8760 660 (F(15) F(25))\nu 2 F(u) = exp 4 uma\nO resultado obtido Ea2 = 423.287 kWh. Repare-se que o mesmo resultado se obtm atravs da utilizao da equao 28, isto :\nEa 2 = 8760 660 (F(i 1) F(i)) = 8760 660 (F(15) F(25))\nProblema EOL 1. Um micro-aerogerador de 20 kW ( velocidade de vento nominal, unom = 10 m/s), tem um rotor de dimetro 11,6 m. A velocidade do vento de arranque (cut-in wind speed) u0 = 4 m/s e a velocidade do vento de paragem (cut-out wind speed) umax = 24 m/s. Para velocidades do vento compreendidas entre u0 e unom, considera-se que a potncia elctrica varia com o cubo da velocidade do vento, desde zero at potncia nominal, podendo ser calculada atravs da expresso aproximada:\nPe (u) = 20 (u 4)3 para P em kW e u em m/s. 63\nPara velocidades do vento compreendidas entre unon e umax, o aerogerador regulado para funcionar potncia nominal de 20 kW.\nO conversor elico montado num local onde a densidade de probabilidade da velocidade do vento, altura do rotor da turbina, dada pela equao:\nf (u) = ln(10) 15 para u em m/s. 10 15\nCalcule: a) o rendimento aerodinmico, Cp, potncia nominal; considere que a massa especfica do ar = 1,23 kg/m3; b) uma estimativa da energia elctrica anual produzida (sugesto: use o mtodo de integrao trapezoidal); c) uma estimativa da energia elctrica anual no produzida devido turbina no funcionar para alm de umax. Recorde:\na mx +C m ln a x n a mx n n mx n1 mx x a dx = m ln a m ln a x a dx\nmx a dx =\nSoluo: a) Cp(10) = 0,3077 b) Ea = 10.742,50 + 33.344,87 = 44.087,37 kWh c) Ea_np = 4.400,83 kWh\nProblema EOL 2. Considere um sistema de converso de energia elica de 660 kW, com 3 ps de 47 m de dimetro e uma altura da torre de 40 m. Os dados respeitantes caracterstica elctrica e frequncia relativa de ocorrncia da velocidade mdia do vento, altura de 40 m, esto indicados na tabela seguinte.\nCalcule: a) a velocidade mdia anual do vento; b) estimativa da produo anual de energia elctrica e da utilizao anual da potncia instalada; c) o valor de Cp velocidade do vento de 10 m/s.\nEnergia Elctrica Produtvel Soluo: a) uma = 8,73 m/s b) Ea = 2.510,375 MWh; ha = 3.804 h c) Cp(10) = 37,5%\nProblema EOL 3. Considere um sistema de converso de energia elica de 1 MW, com 3 ps de 54 m de dimetro e uma altura da torre de 45 m. A caracterstica elctrica do sistema est indicada na tabela seguinte.\nA funo densidade de probabilidade da velocidade mdia do vento, altura do rotor, no local onde se pretende instalar o aerogerador pode ser aproximada por uma distribuio de Weibull, em que o parmetro de escala c = 7,45 m/s e o parmetro de forma k = 1,545. O solo onde o aerogerador ser instalado apresenta uma rugosidade equivalente z0 = 10-2 m. Calcule: a) a velocidade mdia anual do vento, altura do rotor e altura de 10 m; b) o nmero de horas por ano em que o aerogerador regulado para funcionar potncia nominal e a respectiva energia produzida durante esse perodo; c) o erro cometido no clculo da energia referido em b), pelo facto de se dividir a frequncia de ocorrncia da velocidade mdia do vento em classes de largura igual a 1 m/s (e calcular o integral como um somatrio de produtos). Soluo: a) uma(45) = 6,70 m/s; uma(10) = 5,50 m/s b) n = 323,84 h; Ea_n = 323,841 MWh c) erro = 17,91% (Ea_n1 = 381.836 MWh)\nProblema EOL 4. (Teste de 2005/06) Considere um gerador elico de potncia nominal igual a 2.000 kW, com 3 ps de 80 m de dimetro e uma altura da torre de 78 m. As velocidades mdias do vento de arranque, nominal e de paragem so, respectivamente, 4 m/s, 15 m/s e 25 m/s. Pretende-se instalar este aerogerador num local em que a distribuio dos ventos, altura do rotor, pode ser representada por uma funo de Weibull com parmetros k=1,75 e c=6,67 m/s. Considere que, na gama habitual de variao do parmetro k, o valor da funo Gamma no ponto (1+1/k) aproximadamente igual a 0,9. Recorde que, em mdia, se pode afirmar que a potncia mdia anual de um aerogerador igual a cerca de um tero da potncia nominal do mesmo. Calcule: a) rendimento da converso de energia, Cp, velocidade nominal do vento; b) velocidade mdia anual do vento altura do rotor; c) energia anual produzida quando o aerogerador regulado para funcionar a potncia constante; d) melhor estimativa da energia anual produzida quando o aerogerador funciona a potncia varivel com a velocidade do vento. Soluo: a) Cp (15) = 19,17% b) uma = 6,00 m/s c) Ea2 = 281,078 MWh d) Ea1 = 3.786,898 MWh\nProblema EOL 5. (Exame de 2004/05) Num local em que o regime de ventos bem representado pela distribuio de Rayleigh e em que a velocidade mdia anual do vento uma sabe-se que: A potncia mdia anual disponvel no vento por unidade de rea varrida pelas ps dada por: Pdm = 0,95uma3 W/m2. O rendimento mdio anual da converso elica-elctrica em funo da velocidade mdia anual do vento de um gerador elico de tecnologia actual pode ser aproximado pela expresso: cpm = 0,045uma+0,65.\nPretende-se instalar um parque elico constitudo por 10 geradores elicos distanciados de sete e quatro dimetros na direco predominante do vento e na direco perpendicular, respectivamente. Considere que, mesmo assim, as perdas por efeito de esteira so 5%. As caractersticas de cada gerador elico so as seguintes: Potncia nominal 2 MW Vel. vento nominal 16 m/s Dimetro do rotor 80 m Vel. vento arranque 4 m/s Altura da torre 67 m Vel. vento paragem 25 m/s\nMedies efectuadas no local de instalao reportaram os valores de velocidade mdia anual do vento iguais a 5,77 m/s e 6,41 m/s, s alturas de 10 m e de 20 m, respectivamente. Neste local, a distribuio do vento pode ser bem representada por uma funo de Rayleigh. Calcule: a) comprimento caracterstico da rugosidade do solo; b) velocidade mdia anual do vento altura da torre; c) energia anual produzida pelo parque; d) energia anual produzida quando o parque funciona potncia nominal, em percentagem da energia total anual. Soluo: a) z0 = 0,019 m b) uma(67) = 7,53 m/s c) Ea = 64.873,74 MWh d) E_Pn = 7,33% Ea\nA Figura 25 mostra os principais componentes de uma turbina elica do tipo mais comum, isto , de eixo horizontal e directamente ligada rede elctrica.\nFigura 25: Esquema de uma turbina elica tpica [Nordex]. Legenda: 1 ps do rotor; 2 cubo do rotor; 3 cabina; 4 chumaceira do rotor; 5 veio do rotor; 6 caixa de velocidades; 7 travo de disco; 8 veio do gerador; 9 gerador; 10 radiador de arrefecimento; 11 anemmetro e sensor de direco; 12 sistema de controlo; 13 sistema hidrulico; 14 mecanismo de orientao direccional; 15 chumaceira do mecanismo de orientao direccional; 16 cobertura da cabina; 17 torre.\nPode observar-se na Figura 25 que, basicamente, o sistema de converso de energia elica se divide em trs partes: rotor, cabina18 e torre.\n4.1.1. Rotor O projecto das ps do rotor, no qual a forma da p e o ngulo de ataque em relao direco do vento tm uma influncia determinante, beneficiou do conhecimento da tecnologia das asas dos avies, que apresentam um funcionamento semelhante. Em relao superfcie de ataque do vento incidente nas ps, o rotor pode ser colocado a montante ou a jusante19 da torre. A opo upwind, em que o vento ataca as ps pelo lado da frente, generalizou-se devido ao facto de o vento incidente no ser perturbado pela torre. A opo downwind, em que o vento ataca as ps pelo lado de trs, permite o auto alinhamento do rotor na direco do vento, mas tem vindo a ser progressivamente abandonada, pois o escoamento perturbado pela torre antes de incidir no rotor. Define-se solidez20 como sendo a razo entre a rea total das ps e a rea varrida pelas mesmas. Se o dimetro e a solidez das ps forem mantidos constantes, o rendimento aumenta com o nmero de ps: isto acontece, porque diminuem as chamadas perdas de extremidade. O acrscimo na energia capturada ao vento est estimado em cerca de 3 a 5% quando se passa de duas para trs ps, mas esta percentagem vai-se tornando progressivamente menor medida que se aumenta o nmero de ps. Esta razo motivou que a grande maioria das turbinas em operao apresente rotores com trs ps, muito embora a soluo com duas ps configure benefcios relacionados com a diminuio de peso e de custo. Por outro lado, necessrio que o cubo do rotor (local de fixao das ps) possa baloiar21, isto , que apresente um ngulo de inclinao relativamente vertical22, de forma a acomodar os desequilbrios resultantes da passagem das ps em\nfrente torre. Esta questo assume relevncia acrescida no desenho do rotor de duas ps (Figura 26). Os rotores de uma s p foram objecto de investigao, tendo sido construdos alguns prottipos; contudo, no conheceram desenvolvimento comercial, dada a sua natureza inerentemente desequilibrada.\nFigura 26: Pormenor do rotor com duas ps [DanishAssoc].\nA vida til do rotor est relacionada com os esforos a que fica sujeito e com as condies ambientais em que se insere. A seleco dos materiais usados na construo das ps das turbinas , pois, uma operao delicada: actualmente, a escolha faz-se entre a madeira, os compostos sintticos e os metais. A madeira o material de fabrico de ps de pequena dimenso (da ordem de 5 m de comprimento). Mais recentemente, a madeira passou a ser empregue em tcnicas avanadas de fabrico de materiais compsitos de madeira laminada. Actualmente, h alguns fabricantes a usar estes materiais em turbinas de 40 m de dimetro. Os compostos sintticos constituem os materiais mais usados nas ps das turbinas elicas, nomeadamente, plsticos reforados com fibra de vidro23. Estes materiais so relativamente baratos, robustos, resistem bem fatiga, mas, principalmente, so facilmente moldveis, o que uma vantagem importante na fase de fabrico. Sob o ponto de vista das propriedades mecnicas, as fibras de carbono constituem a melhor opo. Contudo, o seu preo elevado ainda um obstculo que se ope a uma maior difuso.\nNo grupo dos metais, o ao tem sido usado, principalmente nas turbinas de maiores dimenses. Contudo, um material denso, o que o torna pesado. Em alternativa, alguns fabricantes optaram por ligas de alumnio que apresentam melhores propriedades mecnicas, mas tm a desvantagem de a sua resistncia fadiga se deteriorar rapidamente. A tendncia actual aponta para o desenvolvimento na direco de novos materiais compsitos hbridos, por forma a tirar partido das melhores caractersticas de cada um dos componentes, designadamente sob o ponto de vista do peso, robustez e resistncia fadiga.\n4.1.2. Cabina Na cabina esto alojados, entre outros equipamentos, o veio principal, o travo de disco, a caixa de velocidades (quando existe), o gerador e o mecanismo de orientao direccional24. O veio principal de baixa rotao transfere o binrio primrio do rotor para a caixa de velocidades. Neste veio esto montadas as tubagens de controlo hidrulico dos traves aerodinmicos25 (se forem necessrios ver adiante). Em situaes de emergncia devidas a falha no travo aerodinmico ou para efectuar operaes de manuteno usado um travo mecnico de disco. Este travo tanto pode estar situado no veio de baixa rotao como no veio de alta rotao, aps a caixa de velocidades. Na segunda opo, o travo menor e mais barato, pois o binrio de travagem a fornecer menor. Contudo, na eventualidade de uma falha na caixa de velocidades, no h controlo sobre o rotor. A caixa de velocidades (quando existe) necessria para adaptar a frequncia do rotor da turbina, tipicamente da ordem de 0,33 Hz (20 rpm) ou 0,5 Hz (30 rpm), frequncia do gerador, isto , da rede elctrica de 50 Hz.\nO gerador converte a energia mecnica disponvel no veio de alta rotao em energia elctrica. A ligao mais flexvel do gerador assncrono, permitida pelo escorregamento, tem levado a maior parte dos fabricantes a escolh-lo como equipamento de converso mecano-elctrica; j a ligao rgida caracterstica do gerador sncrono no se adapta bem s variaes do vento, pelo que este conversor s usado em sistemas de velocidade varivel (ver adiante). , ainda, necessrio que o rotor fique alinhado com a direco do vento, de modo a extrair a mxima energia possvel. Para executar esta funo, existe o mecanismo de orientao direccional, constitudo essencialmente por um motor, o qual, em face da informao recebida de um sensor de direco do vento, roda a nacelle e o rotor at que a turbina fique adequadamente posicionada. No cimo da cabina est montado um anemmetro e o respectivo sensor de direco. As medidas da velocidade do vento so usadas pelo sistema de controlo para efectuar o controlo da turbina, nomeadamente, a entrada em funcionamento, a partir da velocidade de aproximadamente 5 m/s, e a paragem, para ventos superiores a cerca de 25 m/s. A informao da direco do vento usada como entrada do sistema de orientao direccional.\n4.1.3. Torre A torre suporta a nacelle e eleva o rotor at uma cota em que a velocidade do vento maior e menos perturbada do que junto ao solo. As torres modernas podem ter sessenta e mais metros de altura, pelo que a estrutura tem de ser dimensionada para suportar cargas significativas, bem como para resistir a uma exposio em condies naturais ao longo da sua vida til, estimada em cerca de vinte anos. Os fabricantes tm-se dividido entre dois tipos de torres: tubulares (Figura 27a) e entrelaadas (Figura 27b).\nFigura 27: Tipos de torres: a) tubular [DanishAssoc]; b) entrelaada [Tu-Berlin].\nPara fabricar as torres tubulares pode usar-se ao ou beto, sendo, normalmente os diversos troos fixados no local com uma grua. Estas torres so mais seguras para o pessoal da manuteno, que pode usar uma escada interior para aceder plataforma da nacelle. As torres entrelaadas so mais baratas, as fundaes so mais ligeiras e o efeito de sombra da torre atenuado; contudo, tm vindo a ser progressivamente abandonadas especialmente devido a questes ligadas com o impacto visual.\n4.2.1. Optimizao da converso Se o rotor rodar devagar, pequena a perturbao induzida no escoamento pelo movimento do rotor; ao contrrio, se o rotor rodar muito depressa, o vento encarao como uma parede. Daqui resulta que a velocidade de rotao dever ser compatibilizada com a velocidade do vento, por forma a obter a mxima eficincia da converso, isto , um coeficiente de potncia CP mximo.\nA relao entre a velocidade linear (m/s) da extremidade da p da turbina de raio\nR (m), rodando velocidade T (rad/s), e a velocidade do vento u (m/s) caracterizada por um factor adimensional, conhecido por razo de velocidades na p ou velocidade especfica na ponta da p 26.\nA Figura 28 mostra uma curva experimental de variao do coeficiente de potncia CP com para uma turbina moderna. Pode observar-se que para manter o valor de CP no mximo necessrio que a velocidade do rotor acompanhe as variaes da velocidade do vento. Tal consonncia no possvel nos sistemas elicos em que o gerador est directamente ligado rede de frequncia fixa que impe, no caso do gerador assncrono, uma velocidade aproximadamente constante. A consequncia que estes sistemas operam muitas vezes em regimes de funcionamento no ptimos. O estudo terico do comportamento dos aerogeradores ganha se estiverem disponveis expresses analticas que descrevam o comportamento das grandezas relevantes. Para a variao de CP com , uma das expresses analticas mais reportadas na literatura [Slootweg]:\n116 12,5 CP = 0,22 5 exp i i 1 i = 1 0,035\nTSR Tip Speed Ratio.\nFigura 28: Variao de CP com [ILSE]. Exemplo EOL 8 Trace a variao de CP com usando a expresso analtica da equao 30. Resoluo:\nFig. K: Variao de CP com - Exemplo EOL 8.\n4.2.2. Foras actuantes na p A geometria das ps do rotor, cuja seco recta tem a forma de um perfil alar, determina a quantidade de energia que extrada a cada velocidade do vento. A Figura 29 ilustra as foras presentes num elemento do perfil alar.\nF L N D\nFigura 29: Sistema de foras num perfil alar [DeMonfort] (adaptado).\nCom referncia Figura 29, as grandezas intervenientes so as seguintes:\nO vector velocidade relativa do vento W que actua o elemento de p, resulta de duas componentes: a velocidade do vento Up e a velocidade tangencial da p Ut27.\nO ngulo de ataque , definido como sendo o ngulo entre a linha que une os bordos de entrada e de sada do perfil (linha de corda) e a velocidade relativa; o ngulo de passo , que o ngulo entre o plano de rotao da p e a linha de corda; o ngulo do escoamento , tal que\nO vector fora F pode ser decomposto em duas componentes: uma, actuando na mesma direco da velocidade relativa, designa-se por arrastamento28 D; outra, perpendicular e designa-se por sustentao29 L.\nO vector fora F pode, igualmente, ser decomposto na direco do plano de rotao e na direco perpendicular, obtendo-se a componente que\nu e TR, respectivamente, na nomenclatura que tem vindo a ser adoptada. Drag. 29 Lift.\ncontribui para o movimento da p N, e a componente que contribui para o binrio motor T. Estas foras podem ser, respectivamente, calculadas por:\nN = L sin( ) D cos( ) T = L cos( ) + D sin( )\ndesejvel que o desempenho da p possa ser descrito, independentemente do seu tamanho e da velocidade com que est animada: por isso, usual dividir a fora de sustentao L e a fora de arrastamento D pela fora experimentada pela seco recta A de uma p, animada da velocidade do vento u. Obtm-se, respectivamente, o coeficiente de sustentao CL e o coeficiente de arrastamento CD:\nL 1 u 2 A 2\nD CD = 1 2 u A 2\nem que a massa especfica do ar. Normalmente, apresentam-se as caractersticas das ps atravs das representaes grficas CL = f() e CD = f() (Figura 30). Estas representaes so obtidas atravs de ensaios e medidas exaustivas efectuadas em tnel de vento e devem ser fornecidas pelo fabricante. Para os perfis normalmente utilizados em turbinas elicas, verifica-se que o coeficiente de sustentao atinge o seu mximo para um ngulo de ataque de cerca de 10 a 15 , a partir do qual decresce. O coeficiente de arrastamento mantm-se aproximadamente constante at quase atingir o ngulo de ataque para o qual o coeficiente de sustentao atinge o seu mximo; para valores de superiores, o coeficiente de arrastamento sofre um crescimento acentuado. No entanto, este coeficiente mais difcil de calcular, porque depende, fortemente, da rugosidade da p e de efeitos de frico.\nFigura 30: Coeficiente de sustentao (a) e coeficiente de arrastamento (b) em funo do ngulo de ataque [Centennial].\nDe um modo geral, o comportamento dos perfis alares em funo do ngulo de ataque pode ser dividido em trs zonas de funcionamento, conforme se mostra na Tabela 2.\n-15 < < 15 15 < < 30 30 < < 90\nLinear Desenvolvimento de perda30 Travo\nA fim de extrair do vento a mxima potncia possvel, a p deve ser dimensionada para trabalhar com um ngulo de ataque tal, que a relao entre a sustentao e o arrastamento seja mxima.\nCONTROLO DE POTNCIA31\nAnteriormente j se referiu a necessidade de limitar a potncia fornecida pela turbina elica para valores acima da velocidade nominal do vento, valores estes que ocorrem um nmero limitado de horas por ano. Esta tarefa de regulao pode ser efectuada por meios passivos, isto , desenhando o perfil das ps de modo a que entrem em perda aerodinmica stall a partir de determinada velocidade do vento, sem necessidade de variao do passo, ou por meios activos, isto , variando o passo das ps pitch do rotor. As turbinas stall tm as ps fixas, ou seja no rodam em torno de um eixo longitudinal. Relativamente ao esquema da Figura 29, o ngulo de passo constante. A estratgia de controlo de potncia assenta nas caractersticas aerodinmicas das ps do rotor que so projectadas para entrar em perda a partir de uma certa velocidade do vento. Uma vez que as ps esto colocadas a um dado ngulo de passo fixo, quando o ngulo de ataque aumenta para alm de um certo valor, a componente de sustentao diminui, ao mesmo tempo que as foras de arrastamento passam a ser dominantes. Nestas condies, a componente T da fora que contribui para o binrio diminui (equao 31): diz-se, neste caso, que a p entrou em perda (de sustentao). Note-se que o ngulo de ataque aumenta quando a velocidade do vento aumenta, porque o rotor roda a uma velocidade constante (Ut constante na Figura 29). As turbinas pitch tm a possibilidade de rodar a p em torno do seu eixo longitudinal, isto , variam o ngulo de passo das ps, .\nEm colaborao com o Prof. J.M. Ferreira de Jesus.\nA expresso analtica da variao de CP com da equao 30 pode ser modificada de modo a contabilizar a variao do ngulo de passo . Uma das expresses mais referidas na literatura da especialidade [Slootweg]:\n116 12,5 CP = 0,22 0,4 5 exp i i 1 i = 1 0,035 + 0,08 3 + 1\nExemplo EOL 9 Trace a variao de CP com , parametrizada para = 0, = 10 e = 25, usando a expresso analtica da equao 33. Resoluo:\nbeta=0 0,5 beta=10 beta=25\nFig. L: Variao de CP com parametrizada para = 0, = 10 e = 25.\nA Fig. L mostra claramente que, para um dado ngulo do passo da p do rotor, , existe um valor de velocidade especfica, , que maximiza CP. Por outro lado, conclui-se que o rendimento aerodinmico mximo obtido com = 0 e que o mesmo rendimento diminui com o aumento do ngulo de passo . Alis, a equao 30 foi obtida fazendo = 0 na equao 33.\nNas turbinas do tipo pitch o sistema de controlo do passo da p ajusta o ngulo , pelo que possvel controlar o valor de CP. Este controlo s se encontra activo quando a turbina entra na zona de potncia constante, ou seja, para valores da\nvelocidade do vento superiores velocidade nominal do vento (tipicamente acima dos 13-14 m/s). Para estas velocidades do vento, o sistema de controlo do passo actua de modo a que o binrio motor produzido corresponda potncia nominal, isto , provoca artificialmente, atravs de uma adequada inclinao da p, uma diminuio do binrio (equao 31). Na zona de velocidades do vento inferiores velocidade nominal do vento, o ngulo de passo mantido no valor zero. Teoricamente seria possvel manter o valor de no seu valor ptimo (valor de para o qual CP mximo), controlando a velocidade do rotor da turbina em funo da velocidade do vento, atravs do controlo do ngulo do passo das ps do rotor; contudo, verifica-se que o tempo de resposta do sistema de controlo do passo das ps do rotor demasiadamente elevado para acompanhar as variaes de velocidade do vento. Na prtica, fora-se (atravs do sistema de controlo electrnico do gerador) a variao da velocidade do rotor da turbina, impondo um binrio de carga turbina que a conduza rotao a uma velocidade tal que mantenha no valor ptimo. este o principio de funcionamento dos geradores elicos de velocidade varivel. A Figura 31 ilustra a variao de com a velocidade do vento, u, para as turbinas do tipo pitch. Fora da zona de controlo de potncia o valor de nulo, dependendo o valor de CP da velocidade especfica da ponta da p, .\nFigura 31: Variao do ngulo de passo da p do rotor, , com a velocidade do vento, u.\nUm gerador elico com velocidade varivel no pode ser directamente interligado com um sistema de energia elctrica caracterizado por possuir uma frequncia constante, pelo que se recorre a sistemas de converso corrente alternada / corrente contnua / corrente alternada (CA/CC/CA) por forma a realizar esta ligao. Os conversores elicos equipados com turbinas do tipo pitch e sistemas de converso AC/DC/AC tm ainda a vantagem de, na zona de controlo de potncia, exibirem uma resposta mais rpida, j que o sistema de conversores electrnicos possui constantes de tempo inferiores s exibidas pelo sistema de controlo do passo das ps do rotor: o sistema de converso CA/CC/CA actua em primeiro lugar por forma a controlar a potncia, sendo o controlo fino desta assegurado pelo controlador do passo das ps do rotor. Face a perturbaes na rede, os sistemas de controlo so inibidos por sistemas de proteco do equipamento elctrico e electrnico. No caso dos geradores elicos interligados atravs de conversores CA/CC/CA, a ocorrncia de perturbaes na rede ocasiona a sua desligao, por forma a proteger os conversores das elevadas intensidades de corrente que se podem verificar. No caso dos geradores elicos directamente ligados rede, a desligao condicionada pelos valores elevados de intensidade de corrente e do binrio que se podem verificar no perodo psperturbao. Estes sistemas de proteco tm como objectivo proteger o equipamento elctrico e electrnico e no a turbina. O sistema de proteco que especificamente diz respeito turbina o de proteco de sobrevelocidade, que protege o equipamento no caso de rejeio de carga. Vantagens e inconvenientes A favor da regulao por stall joga, principalmente, a sua grande simplicidade devido ausncia de mais partes em movimento; por isso tambm mais barata. No entanto, a sua implementao faz apelo a complicados mtodos de clculo aerodinmico para definir o ngulo de ataque para o qual a p entra em perda. Este aspecto crucial para o desempenho deste mtodo.\nA favor da soluo pitch jogam, por exemplo, o bom controlo de potncia, para todas as gamas de variao da velocidade do vento. Na Figura 32 comparam-se as curvas de potncia de turbinas elicas stall e pitch: visvel que o sistema de variao do passo permite o controlo de potncia muito mais fino. Por outro lado, a variao do ngulo de passo permite tambm a reduo dos esforos de fadiga com vento muito forte, porque, nessa situao, a p apresenta uma menor superfcie frontal em relao ao vento. No entanto, o grande acrscimo de complexidade, e o correspondente aumento de custo, que esta soluo acarreta so inconvenientes que tm de ser ponderados.\nFigura 32: Curvas de potncia: pitch (Bonus) e stall (NEG Micon e Nordex) [DanishAssoc].\nUma diferena fundamental entre as turbinas stall e pitch relaciona-se com a capacidade de auxlio nos processos de arranque e paragem. No arranque, quando a velocidade do vento baixa, a turbina de ps fixas no tem binrio de arranque suficiente. Torna-se necessrio dispor de um motor auxiliar de arranque ou, ento, usar o prprio gerador a funcionar como motor para trazer o rotor at velocidade adequada. No processo de paragem no possvel\ncolocar as ps na posio ideal para esse efeito, a chamada posio de bandeira, pelo que exigido um sistema complementar de travagem por meios aerodinmicos, por exemplo, deflexo de spoilers. As turbinas pitch permitem que o processo de arranque seja assistido, porque o ngulo de passo pode ser variado de modo a conseguir um embalamento do rotor at velocidade de rotao nominal. A travagem tambm melhorada, porque se o passo das ps for tal que = 90 (posio de bandeira), o rotor move-se lentamente (Figura 29), e o sistema de travagem aerodinmica pode ser dispensado.\nREFERNCIA AOS GERADORES ELCTRICOS\nAs diferentes configuraes de geradores elicos que o mercado oferece so objecto de uma descrio pormenorizada num texto separado, pelo que aqui apenas se abordam aspectos genricos sobre o assunto. Para converter a energia mecnica disponvel no veio em energia elctrica, a opo bsica consiste em usar o gerador sncrono (alternador) ou o assncrono (de induo). Quando a apropriao da energia elica conduzida de maneira a que a explorao se faa a velocidade praticamente constante, o gerador de induo a opo mais usada pelos fabricantes, tirando partido da sua grande simplicidade e robustez, e, consequentemente, do seu baixo preo. A existncia de um escorregamento entre a velocidade de rotao e a velocidade de sincronismo permite acomodar parte da turbulncia associada ao vento, de modo a tornar a operao deste tipo de mquinas suficientemente suave. Ao contrrio, o funcionamento sncrono do alternador no deixa margem para acolher as flutuaes da velocidade do vento, tornando a operao dos geradores sncronos demasiado rgida.\nComo principal desvantagem do gerador de induo aponta-se o facto de trocar com a rede a energia reactiva de excitao e, portanto, necessitar de equipamento adicional para corrigir o factor de potncia. Os sistemas de converso de energia elica funcionando a velocidade aproximadamente constante equipados com geradores de induo directamente ligados a uma rede de frequncia constante correspondem ao chamado conceito CSCF32 e constituem ainda a maioria das aplicaes actualmente em operao. Nos ltimos anos, o conceito CSCF tem vindo a ser progressivamente abandonado e a ser substitudo pelo chamado conceito VSCF33, com o objectivo de maximizar o aproveitamento da energia elica. Para alargar o espectro de velocidades de rotao possveis, os fabricantes dinamarqueses oferecem actualmente como equipamento standard, sistemas conversores equipados com gerador de induo de rotor bobinado e escorregamento varivel. Nesta montagem, designada na literatura por DFIG ou DOIG34, o estator directamente ligado rede e o rotor tambm ligado rede atravs de um sistema conversor AC/DC/AC que, controlando o escorregamento, possibilita o envio de potncia adicional para a rede. Outra alternativa, oferecida por um fabricante alemo, para sistemas de velocidade varivel consiste num gerador sncrono ligado assincronamente rede elctrica atravs de um sistema conversor AC/DC/AC. A utilizao de um tipo especial de gerador sncrono, com um nmero elevado de pares de plos, permite ao gerador acompanhar a velocidade de rotao da turbina, tornando a caixa de velocidades dispensvel. A ligao assncrona isola a frequncia do rotor da frequncia da rede, oferecendo, por isso, a possibilidade de o sistema funcionar de forma consistente em pontos de operao prximos do valor ptimo de . Por outro lado, a utilizao de mo-\nCSCF Constant Speed Constant Frequency. VSCF Variable Speed Constant Frequency. 34 DFIG Double Fed Induction Generator ou DOIG Double Output Induction Generator.\ndernos conversores electrnicos de potncia funcionando com IGBT35 permite controlar simultaneamente os trnsitos de energia activa e reactiva. Os benefcios dos sistemas VSCF incluem:\naumento da produo de energia reduo das fadigas nos componentes mecnicos reduo do rudo a baixas velocidades do vento ligao suave rede de frequncia constante eventual ausncia de caixa de velocidades\nA possibilidade oferecida por alguns destes sistemas de dispensarem a caixa de velocidades uma vantagem importante, pois diminuem as perdas e o rudo associado com baixas velocidades do vento e aumenta, em princpio, a fiabilidade do sistema. Com a instalao destes equipamentos no terreno, torna-se necessrio avaliar correctamente os seus potenciais efeitos negativos. Aspectos relacionados com a eficincia dos conversores electrnicos, com a produo de harmnicas, com o comportamento do sistema elctrico em condies extremas de vento, com a compatibilidade electromagntica, assumem, neste quadro, importncia significativa.\nActualmente, pode afirmar-se que todas as turbinas elicas em operao comercial possuem um rotor em forma de hlice com eixo horizontal36. Estas turbinas fazem uso do mesmo princpio bsico das modernas turbinas hdricas, isto , o escoamento paralelo ao eixo de rotao das ps da turbina.\nInsulated Gate Bipolar Transistor. HAWT Horizontal Axis Wind Turbine.\nNas antigas rodas de gua, contudo, a gua chegava s ps segundo uma direco perpendicular ao eixo de rotao da roda. As turbinas de eixo vertical37 apresentam um princpio de funcionamento semelhante. A nica turbina de eixo vertical que foi, em tempos38, fabricada comercialmente era uma mquina do tipo Darrieus39 (Figura 33), normalmente com duas ou trs ps em forma de C.\nsimplicidade na concepo insensibilidade direco do vento, dispensando o mecanismo de orientao direccional\npossibilidade de instalao junto ao solo de todo o equipamento de converso da energia mecnica\nVAWT Vertical Axis Wind Turbine. Aparentemente, o ltimo fabricante deste tipo de turbinas abriu falncia em 1997. 39 Em homenagem ao engenheiro francs George Darrieus que a patenteou em 1931.\nQuanto aos inconvenientes desta soluo, identificam-se os seguintes:\nvelocidades do vento muito baixas junto base incapacidade de auto-arranque, necessitando de meios exteriores de auxlio\nnecessidade de utilizao de espias de suporte esforos dinmicos acrescidos, devido ao comportamento inerentemente peridico\nUm campo que apresenta grandes potencialidades de desenvolvimento o das aplicaes de pequena potncia (mximo de alguns kW) em ambiente urbano, ligados rede, ou em ambiente rural, em sistema isolado. Na Figura 34 ilustram-se alguns exemplos deste tipo de equipamentos que se encontram em comercializao.\nFigura 34: Microgeradores elicos: (a) Cabo Verde, 500 W; (b) Holanda, 5 kW [Ropatec].\nPor exemplo, um microgerador elico de 1 kW montado numa torre de 7 m tem um comprimento de ps de 1,15 m e uma massa de 130 kg [Ropatec]. Em Portugal foi desenvolvido, num projecto liderado pelo INETI, um microgerador elico TURBAN (Figura 35) com uma potncia de 2,5 kW.\nFigura 35: TURBAN Microgerador elico Portugus.\nAnexo 1: Classificao do vento [DanishAssoc].\nAnexo 2: Massa especfica do ar presso normal [DanishAssoc].\nAnexo 4: Equivalncias teis [DanishAssoc].\nAWEA - American Wind Energy Association, http://www.awea.org BWEA British Wind Energy Association, http://www.bwea.com U.S. Centennial of Flight Commission, http://www.centennialofflight.gov/\nP. Costa, P. Miranda, A. Estanqueiro. Development and Validation of the Portuguese Wind Atlas. 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