Turbina de vento - Wind turbine
.jpg)
A turbina eólica é um dispositivo que converte o vento energia cinética em energia elétrica .
As turbinas eólicas são fabricadas em uma ampla variedade de tamanhos, com eixos horizontais ou verticais. Estima-se que centenas de milhares de grandes turbinas , em instalações conhecidas como parques eólicos , gerem agora mais de 650 gigawatts de energia, com 60 GW adicionados a cada ano. Eles são uma fonte cada vez mais importante de energia renovável intermitente e são usados em muitos países para reduzir os custos de energia e reduzir a dependência de combustíveis fósseis . Um estudo afirmou que, a partir de 2009, o vento tinha as "menores emissões relativas de gases de efeito estufa, as menores demandas de consumo de água e ... os impactos sociais mais favoráveis" em comparação com a energia fotovoltaica, hídrica, geotérmica, carvão e gás.
Turbinas eólicas menores são usadas para aplicações como carregamento de bateria para energia auxiliar de barcos ou caravanas e para alimentar sinais de alerta de tráfego. Turbinas maiores podem contribuir para um suprimento de energia doméstico enquanto vendem energia não utilizada de volta ao fornecedor da concessionária por meio da rede elétrica .
História
A roda- vento do Herói de Alexandria (10 DC - 70 DC) marca uma das primeiras ocorrências registradas de energia eólica em uma máquina na história. No entanto, as primeiras usinas eólicas práticas conhecidas foram construídas no Sistão , uma província oriental da Pérsia (atual Irã), a partir do século 7. Esses " Panemone " eram moinhos de vento de eixo vertical, que tinham longos eixos de transmissão verticais com pás retangulares. Compostos por seis a doze velas cobertas por esteiras de junco ou tecido, esses moinhos de vento serviam para moer grãos ou tirar água, e eram usados na indústria de moagem e cana-de-açúcar.
A energia eólica apareceu pela primeira vez na Europa durante a Idade Média . Os primeiros registros históricos de seu uso na Inglaterra datam dos séculos 11 ou 12, há relatos de cruzados alemães levando suas habilidades de fabricação de moinhos de vento para a Síria por volta de 1190. No século 14, os moinhos de vento holandeses eram usados para drenar áreas do Reno delta. As turbinas eólicas avançadas foram descritas pelo inventor croata Fausto Veranzio . Em seu livro Machinae Novae (1595), ele descreveu turbinas eólicas de eixo vertical com pás curvas ou em forma de V.
A primeira turbina eólica geradora de eletricidade foi uma máquina de carregamento de bateria instalada em julho de 1887 pelo acadêmico escocês James Blyth para iluminar sua casa de férias em Marykirk , na Escócia. Alguns meses depois, o inventor americano Charles F. Brush foi capaz de construir a primeira turbina eólica operada automaticamente após consultar professores e colegas da Universidade local Jacob S. Gibbs e Brinsley Coleberd e obter com sucesso os projetos revisados por pares para a produção de eletricidade em Cleveland, Ohio . Embora a turbina de Blyth fosse considerada antieconômica no Reino Unido, a geração de eletricidade por turbinas eólicas era mais econômica em países com populações amplamente dispersas.
Na Dinamarca em 1900, havia cerca de 2500 moinhos de vento para cargas mecânicas, como bombas e moinhos, produzindo uma potência de pico combinada estimada de cerca de 30 MW . As maiores máquinas estavam em torres de 24 metros (79 pés) com rotores de quatro pás de 23 metros (75 pés) de diâmetro. Em 1908, havia 72 geradores elétricos movidos a vento operando nos Estados Unidos de 5 kW a 25 kW. Na época da Primeira Guerra Mundial, os fabricantes americanos de moinhos de vento produziam 100.000 moinhos de vento agrícolas a cada ano, principalmente para bombeamento de água.
Na década de 1930, geradores eólicos para eletricidade eram comuns em fazendas, principalmente nos Estados Unidos, onde os sistemas de distribuição ainda não haviam sido instalados. Nesse período, o aço de alta resistência era barato e os geradores eram colocados no topo de torres pré-fabricadas de treliça de aço aberto.
Um precursor dos modernos geradores eólicos de eixo horizontal estava em serviço em Yalta , URSS em 1931. Este era um gerador de 100 kW em uma torre de 30 metros (98 pés), conectada ao sistema de distribuição local de 6,3 kV. Foi relatado que ela tinha um fator de capacidade anual de 32 por cento, não muito diferente das máquinas eólicas atuais.
No outono de 1941, a primeira turbina eólica da classe megawatt foi sincronizada com uma rede elétrica em Vermont . A turbina eólica Smith-Putnam funcionou apenas 1.100 horas antes de sofrer uma falha crítica. A unidade não foi reparada devido à escassez de materiais durante a guerra.
A primeira turbina eólica conectada à rede elétrica a operar no Reino Unido foi construída pela John Brown & Company em 1951 nas Ilhas Orkney .
Apesar desses diversos desenvolvimentos, os desenvolvimentos em sistemas de combustível fóssil eliminaram quase inteiramente qualquer sistema de turbina eólica maior do que o tamanho supermicro. No início da década de 1970, no entanto, os protestos antinucleares na Dinamarca estimularam os mecânicos artesanais a desenvolver microturbinas de 22 kW . A organização dos proprietários em associações e cooperativas levou ao lobby do governo e das empresas de serviços públicos e forneceu incentivos para turbinas maiores ao longo da década de 1980 e posteriormente. Ativistas locais na Alemanha, fabricantes de turbinas nascentes na Espanha e grandes investidores nos Estados Unidos no início da década de 1990 fizeram lobby por políticas que estimularam a indústria nesses países.
Tem sido argumentado que a expansão do uso da energia eólica levará ao aumento da competição geopolítica sobre materiais críticos para turbinas eólicas, como elementos de terras raras, neodímio, praseodímio e disprósio. Mas essa perspectiva tem sido criticada por não reconhecer que a maioria das turbinas eólicas não usa ímãs permanentes e por subestimar o poder dos incentivos econômicos para a expansão da produção desses minerais.
Recursos
A densidade da energia eólica (WPD) é uma medida quantitativa da energia eólica disponível em qualquer local. É a potência média anual disponível por metro quadrado de área varrida de uma turbina e é calculada para diferentes alturas acima do solo. O cálculo da densidade da energia eólica inclui o efeito da velocidade do vento e da densidade do ar.
As turbinas eólicas são classificadas pela velocidade do vento para a qual foram projetadas, da classe I à classe III, com A a C se referindo à intensidade de turbulência do vento.
| Classe | Velocidade média do vento (m / s) | Turbulência |
|---|---|---|
| I A | 10 | 16% |
| IB | 10 | 14% |
| IC | 10 | 12% |
| IIA | 8,5 | 16% |
| IIB | 8,5 | 14% |
| IIC | 8,5 | 12% |
| IIIA | 7,5 | 16% |
| IIIB | 7,5 | 14% |
| IIIC | 7,5 | 12% |
Eficiência
A conservação da massa requer que a quantidade de ar que entra e sai de uma turbina seja igual. Consequentemente, a lei de Betz dá a extração máxima alcançável de energia eólica por uma turbina eólica como 16/27 (59,3%) da taxa na qual a energia cinética do ar chega à turbina.
A potência máxima teórica de saída de uma máquina eólica é, portanto, 16/27 vezes a taxa na qual a energia cinética do ar chega à área efetiva do disco da máquina. Se a área efetiva do disco é A, e a velocidade do vento v, a potência máxima teórica P é:
- ,
A eficiência vento-rotor (incluindo fricção e arrasto das pás do rotor ) estão entre os fatores que afetam o preço final da energia eólica. Outras ineficiências, como perdas na caixa de engrenagens , perdas no gerador e no conversor, reduzem a potência fornecida por uma turbina eólica. Para proteger os componentes do desgaste indevido, a energia extraída é mantida constante acima da velocidade operacional nominal conforme a energia teórica aumenta no cubo da velocidade do vento, reduzindo ainda mais a eficiência teórica. Em 2001, turbinas conectadas a concessionárias entregues de 75% a 80% do limite de Betz de energia extraível do vento, em velocidade operacional nominal.
A eficiência pode diminuir ligeiramente com o tempo, sendo um dos principais motivos a poeira e as carcaças de insetos nas lâminas, o que altera o perfil aerodinâmico e, essencialmente, reduz a razão de sustentação / arrasto do aerofólio . A análise de 3.128 turbinas eólicas com mais de 10 anos na Dinamarca mostrou que metade das turbinas não teve queda, enquanto a outra metade teve uma queda na produção de 1,2% ao ano.
Em geral, condições meteorológicas mais estáveis e constantes (principalmente a velocidade do vento) resultam em uma eficiência média de 15% maior do que a de uma turbina eólica em condições meteorológicas instáveis, permitindo assim um aumento de até 7% na velocidade do vento em condições estáveis. Isso se deve a uma esteira de recuperação mais rápida e maior arrastamento do fluxo que ocorre em condições de maior estabilidade atmosférica. No entanto, foi descoberto que esteiras de turbinas eólicas se recuperam mais rapidamente em condições atmosféricas instáveis, em oposição a um ambiente estável.
Descobriu-se que diferentes materiais têm efeitos variados sobre a eficiência das turbinas eólicas. Em um experimento da Universidade de Ege, três turbinas eólicas (cada uma com três pás com diâmetros de um metro) foram construídas com lâminas feitas de diferentes materiais: Um vidro e vidro / carbono epoxi, vidro / carbono e vidro / poliéster. Quando testados, os resultados mostraram que os materiais com maiores massas totais apresentam maior momento de atrito e, portanto, menor coeficiente de potência.
Tipos
As turbinas eólicas podem girar em torno de um eixo horizontal ou vertical, sendo o primeiro mais antigo e mais comum. Eles também podem incluir lâminas ou ser sem lâmina. Projetos verticais produzem menos energia e são menos comuns.
Eixo horizontal
.jpg)
Grandes turbinas eólicas de eixo horizontal de três pás (HAWT) com as pás contra o vento da torre produzem a esmagadora maioria da energia eólica do mundo hoje. Essas turbinas possuem o eixo do rotor principal e gerador elétrico no topo de uma torre, e devem ser apontadas para o vento. As pequenas turbinas são apontadas por um simples cata-vento , enquanto as grandes turbinas geralmente usam um sensor de vento acoplado a um sistema de guinada. A maioria possui uma caixa de engrenagens, que transforma a rotação lenta das pás em uma rotação mais rápida, mais adequada para acionar um gerador elétrico. Algumas turbinas usam um tipo diferente de gerador adequado para entrada de velocidade de rotação mais lenta. Eles não precisam de uma caixa de engrenagens e são chamados de acionamento direto, o que significa que eles acoplam o rotor diretamente ao gerador, sem caixa de engrenagens entre eles. Embora os geradores de acionamento direto de ímã permanente possam ser mais caros devido aos materiais de terras raras necessários, essas turbinas sem engrenagens às vezes são preferidas aos geradores de caixa de engrenagens porque "eliminam o aumento da velocidade da engrenagem, que é suscetível a carga de torque de fadiga acumulada significativa, confiabilidade relacionada problemas e custos de manutenção. " Há também o mecanismo de acionamento direto pseudo, que apresenta algumas vantagens em relação ao mecanismo de acionamento direto de ímã permanente.
A maioria das turbinas de eixo horizontal tem seus rotores contra o vento da torre de suporte. Máquinas downwind foram construídas porque não precisam de um mecanismo adicional para mantê-las alinhadas com o vento. Em ventos fortes, as lâminas também podem dobrar, o que reduz sua área varrida e, portanto, sua resistência ao vento. Apesar dessas vantagens, os projetos contra o vento são preferidos, porque a mudança na carga do vento conforme cada lâmina passa atrás da torre de suporte pode causar danos à turbina.
As turbinas usadas em parques eólicos para a produção comercial de energia elétrica são geralmente de três pás. Eles têm baixa ondulação de torque , o que contribui para uma boa confiabilidade. As lâminas são geralmente coloridas de branco para visibilidade diurna por aeronaves e variam de comprimento de 20 a 80 metros (66 a 262 pés). O tamanho e a altura das turbinas aumentam ano a ano. As turbinas eólicas offshore são construídas até 8 MW hoje e têm pás de até 80 metros (260 pés). Projetos com 10 a 12 MW estavam em preparação em 2018, e um protótipo de "15 MW +" com três lâminas de 118 metros (387 pés) está planejado para ser construído em 2022. Turbinas multi-megawatt normais têm torres de aço tubular com altura de 70 m a 120 me em extremos até 160 m.
Eixo vertical
Turbinas eólicas de eixo vertical (ou VAWTs) têm o eixo do rotor principal disposto verticalmente. Uma vantagem desse arranjo é que a turbina não precisa ser apontada para o vento para ser eficaz, o que é uma vantagem em um local onde a direção do vento é altamente variável. Também é uma vantagem quando a turbina está integrada em um edifício porque é inerentemente menos dirigível. Além disso, o gerador e a caixa de engrenagens podem ser colocados próximos ao solo, usando um acionamento direto do conjunto do rotor para a caixa de engrenagens baseada no solo, melhorando a acessibilidade para manutenção. No entanto, esses projetos produzem muito menos energia calculada ao longo do tempo, o que é uma grande desvantagem.
Projetos de turbinas verticais têm eficiência muito menor do que projetos horizontais padrão. As principais desvantagens incluem a velocidade de rotação relativamente baixa com o consequente torque mais alto e, portanto, maior custo do trem de acionamento, o coeficiente de potência inerentemente mais baixo , a rotação de 360 graus do aerofólio dentro do fluxo de vento durante cada ciclo e, portanto, o carregamento altamente dinâmico na lâmina, o torque pulsante gerado por alguns projetos de rotor no trem de acionamento e a dificuldade de modelar o fluxo de vento com precisão e, portanto, os desafios de analisar e projetar o rotor antes de fabricar um protótipo.
Quando uma turbina é montada em um telhado, o edifício geralmente redireciona o vento para o telhado e isso pode dobrar a velocidade do vento na turbina. Se a altura de uma torre de turbina montada no telhado for de aproximadamente 50% da altura do edifício, ela estará próxima do ideal para energia eólica máxima e turbulência mínima do vento. Embora as velocidades do vento dentro do ambiente construído sejam geralmente muito mais baixas do que em locais rurais expostos, o ruído pode ser uma preocupação e uma estrutura existente pode não resistir adequadamente ao estresse adicional.
Os subtipos do projeto do eixo vertical incluem:
Turbina eólica Darrieus
As turbinas "Eggbeater", ou turbinas Darrieus, foram nomeadas em homenagem ao inventor francês, Georges Darrieus. Eles têm boa eficiência, mas produzem grande ondulação de torque e tensão cíclica na torre, o que contribui para a baixa confiabilidade. Eles também geralmente requerem alguma fonte de alimentação externa ou um rotor Savonius adicional para começar a girar, porque o torque inicial é muito baixo. A ondulação do torque é reduzida com o uso de três ou mais pás, o que resulta em maior solidez do rotor. A solidez é medida pela área da lâmina dividida pela área do rotor. As turbinas mais novas do tipo Darrieus não são sustentadas por cabos de sustentação, mas têm uma superestrutura externa conectada ao rolamento superior.
Giromill
Um subtipo de turbina Darrieus com lâminas retas, em oposição às curvas. A variedade de cicloturbina tem passo variável para reduzir a pulsação de torque e é autoinicializada. As vantagens do passo variável são: alto torque inicial; uma curva de torque ampla e relativamente plana; um coeficiente de desempenho mais alto ; operação mais eficiente em ventos turbulentos; e uma relação de velocidade da lâmina mais baixa que reduz as tensões de flexão da lâmina. Lâminas retas, em V ou curvas podem ser usadas.
Turbina eólica savonius
Esses são dispositivos do tipo arrasto com duas (ou mais) conchas que são usadas em anemômetros, aberturas Flettner (comumente vistas em tetos de ônibus e van) e em algumas turbinas de alta confiabilidade e baixa eficiência. Eles sempre são iniciados automaticamente se houver pelo menos três colheres.
Twisted Savonius é um savonius modificado, com longas conchas helicoidais para fornecer torque suave. Isso é frequentemente usado como uma turbina eólica de telhado e até mesmo foi adaptado para navios .
Paralelo
A turbina paralela é semelhante ao ventilador de fluxo cruzado ou ventilador centrífugo. Ele usa o efeito solo . Turbinas de eixo vertical deste tipo foram experimentadas por muitos anos: uma unidade de 10 kW foi construída pelo pioneiro eólico israelense Bruce Brill na década de 1980.
Tipos não convencionais
|
Design e construção
O projeto da turbina eólica é um equilíbrio cuidadoso entre custo, produção de energia e vida útil à fadiga.
Componentes
As turbinas eólicas convertem energia eólica em energia elétrica para distribuição. As turbinas de eixo horizontal convencionais podem ser divididas em três componentes:
- O rotor, que representa aproximadamente 20% do custo da turbina eólica, inclui as pás para conversão da energia eólica em energia rotacional de baixa velocidade.
- O gerador, que é de aproximadamente 34% do custo da turbina eólica, inclui o gerador elétrico , os eletrônicos de controle e muito provavelmente uma caixa de engrenagens (por exemplo, caixa de engrenagens planetárias ), acionamento de velocidade ajustável ou componente de transmissão continuamente variável para converter o baixo -velocidade de rotação de entrada para rotação de alta velocidade adequada para gerar eletricidade.
- A estrutura ao redor, que representa aproximadamente 15% do custo da turbina eólica, inclui a torre e o mecanismo de guinada do rotor.
Uma turbina eólica de 1,5 ( MW ) de um tipo frequentemente visto nos Estados Unidos tem uma torre de 80 metros (260 pés) de altura. O conjunto do rotor (pás e cubo) pesa 22.000 quilogramas (48.000 lb). A nacela, que contém o gerador, pesa 52.000 kg (115.000 libras). A base de concreto da torre é construída com aço reforçado de 26.000 kg (58.000 lb) e contém 190 metros cúbicos (250 jardas cúbicas) de concreto. A base tem 15 metros (50 pés) de diâmetro e 2,4 metros (8 pés) de espessura perto do centro.
Monitoramento e diagnóstico da turbina
Devido a problemas de transmissão de dados, o monitoramento da integridade estrutural de turbinas eólicas geralmente é realizado por meio de vários acelerômetros e extensômetros acoplados à nacele para monitorar a caixa de engrenagens e o equipamento. Atualmente, correlação de imagem digital e estereofotogrametria são usadas para medir a dinâmica de pás de turbinas eólicas. Esses métodos geralmente medem o deslocamento e a tensão para identificar a localização dos defeitos. As características dinâmicas de turbinas eólicas não rotativas foram medidas usando correlação de imagem digital e fotogrametria. O rastreamento de pontos tridimensionais também tem sido usado para medir a dinâmica de rotação de turbinas eólicas.
Desenvolvimentos recentes em tecnologia
As pás do rotor da turbina eólica estão sendo feitas mais longas para aumentar a eficiência. Isso exige que sejam rígidos, fortes, leves e resistentes à fadiga. Materiais com essas propriedades são compostos como poliéster e epóxi, enquanto fibra de vidro e fibra de carbono têm sido usadas para o reforço. A construção pode usar layup manual ou moldagem por injeção.
Novos designs
As empresas buscam maneiras de obter maior eficiência de seus projetos. Uma forma predominante tem sido aumentar o comprimento da pá e, portanto, o diâmetro do rotor. O retrofit das turbinas existentes com pás maiores reduz o trabalho e os riscos de redesenhar o sistema. A lâmina mais longa atual é de 115,5 m (379 pés), produzindo 15 MW com um nível de ruído máximo de 118 dB (A). Lâminas mais longas precisam ser mais rígidas para evitar deflexão, o que requer materiais com maior relação rigidez / peso. Como as lâminas precisam funcionar em 100 milhões de ciclos de carga em um período de 20 a 25 anos, a fadiga dos materiais das lâminas também é crítica.
Materiais da lâmina
Os materiais comumente usados em pás de turbinas eólicas são descritos abaixo.
Fibras de vidro e carbono
A rigidez dos compósitos é determinada pela rigidez das fibras e seu conteúdo em volume. Normalmente, as fibras de vidro E são usadas como reforço principal nos compósitos. Normalmente, os compostos de vidro / epóxi para pás de turbinas eólicas contêm até 75% de vidro por peso. Isso aumenta a rigidez, resistência à tração e compressão. Um material composto promissor é a fibra de vidro com composições modificadas como vidro S, vidro R, etc. Outras fibras de vidro desenvolvidas pela Owens Corning são ECRGLAS, Advantex e WindStrand.
A fibra de carbono tem mais resistência à tração, maior rigidez e menor densidade do que a fibra de vidro. Um candidato ideal para essas propriedades é a longarina, um elemento estrutural de uma lâmina que sofre altas cargas de tração. Uma lâmina de fibra de vidro de 100 m pode pesar até 50 toneladas métricas, enquanto o uso de fibra de carbono na longarina economiza de 20% a 30% em peso, cerca de 15 toneladas métricas. No entanto, como a fibra de carbono é dez vezes mais cara, a fibra de vidro ainda é dominante.
Reforços híbridos
Em vez de fazer reforços de pás de turbinas eólicas de vidro puro ou carbono puro, os projetos híbridos trocam peso por custo. Por exemplo, para uma lâmina de 8 m, uma substituição completa por fibra de carbono economizaria 80% do peso, mas aumentaria os custos em 150%, enquanto uma substituição de 30% economizaria 50% do peso e aumentaria os custos em 90%. Os materiais de reforço híbridos incluem vidro E / carbono, vidro E / aramida. A lâmina mais longa atual da LM Wind Power é feita de compostos híbridos de carbono / vidro. Mais pesquisas são necessárias sobre a composição ideal dos materiais
Polímeros e compostos nanométricos
Adições de pequena quantidade (0,5% em peso) de nano reforço ( nanotubos de carbono ou nanoargila) na matriz de polímero de compósitos, dimensionamento de fibra ou camadas interlaminares podem melhorar a resistência à fadiga, cisalhamento ou resistência à compressão e tenacidade à fratura dos compósitos em 30% a 80 % A pesquisa também mostrou que a incorporação de pequenas quantidades de nanotubos de carbono (CNT) pode aumentar a vida útil em até 1500%.
Custos
Em 2019, uma turbina eólica pode custar cerca de US $ 1 milhão por megawatt.
Para as pás da turbina eólica, embora o custo do material seja muito mais alto para as pás híbridas de vidro / fibra de carbono do que para as pás totalmente de fibra de vidro, os custos de mão de obra podem ser menores. Usar fibra de carbono permite designs mais simples que usam menos matéria-prima. O principal processo de fabricação na fabricação de lâminas é a estratificação das lonas. Lâminas mais finas permitem reduzir o número de camadas e, portanto, a mão-de-obra e, em alguns casos, equivalem ao custo da mão-de-obra para lâminas de fibra de vidro.
Materiais sem lâmina
As peças da turbina eólica, exceto as pás do rotor (incluindo o cubo do rotor, a caixa de engrenagens, a estrutura e a torre) são em grande parte feitas de aço. Turbinas menores (bem como turbinas Enercon em escala de megawatts) começaram a usar ligas de alumínio para esses componentes para tornar as turbinas mais leves e eficientes. Essa tendência pode aumentar se as propriedades de fadiga e resistência puderem ser melhoradas. O concreto protendido tem sido cada vez mais usado como material da torre, mas ainda requer muito aço de reforço para atender aos requisitos de resistência da turbina. Além disso, as caixas de engrenagens elevadoras estão sendo cada vez mais substituídas por geradores de velocidade variável, que requerem materiais magnéticos. Em particular, isso exigiria um suprimento maior de neodímio de metal de terras raras .
As turbinas modernas usam algumas toneladas de cobre para geradores, cabos e outros. Em 2018, a produção global de turbinas eólicas usava 450.000 toneladas de cobre por ano.
Suprimento de material
Um estudo das tendências de consumo de materiais e requisitos para energia eólica na Europa descobriu que turbinas maiores têm um maior consumo de metais preciosos, mas menor consumo de material por kW gerado. O consumo de material atual e o estoque foram comparados aos materiais de entrada para vários tamanhos de sistema onshore. Em todos os países da UE, as estimativas para 2020 dobraram os valores consumidos em 2009. Esses países precisariam expandir seus recursos para atender à demanda estimada para 2020. Por exemplo, atualmente a UE tem 3% do fornecimento mundial de espatoflúor e necessita de 14% até 2020. Globalmente, os principais países exportadores são África do Sul, México e China. Isso é semelhante a outros materiais críticos e valiosos necessários para sistemas de energia, como magnésio, prata e índio. Os níveis de reciclagem desses materiais são muito baixos e o foco nisso pode amenizar o abastecimento. Como a maioria desses materiais valiosos também é usada em outras tecnologias emergentes, como diodos emissores de luz (LEDs), fotovoltaicos (PVs) e telas de cristal líquido (LCDs), sua demanda deve crescer.
Um estudo do United States Geological Survey estimou os recursos necessários para cumprir o compromisso dos EUA de fornecer 20% de sua eletricidade por energia eólica até 2030. Não considerou requisitos para pequenas turbinas ou turbinas offshore porque não eram comuns em 2008, quando o estudo foi feito. Materiais comuns como ferro fundido, aço e concreto aumentariam de 2% a 3% em relação a 2008. Entre 110.000 e 115.000 toneladas métricas de fibra de vidro seriam necessárias por ano, um aumento de 14%. O uso de metais raros não aumentaria muito em comparação com a oferta disponível, no entanto, metais raros que também são usados para outras tecnologias, como baterias, que estão aumentando sua demanda global, precisam ser levados em consideração. O terreno necessário seria de 50.000 quilômetros quadrados em terra e 11.000 no mar. Isso não seria um problema nos Estados Unidos devido à sua vasta área e porque a mesma terra pode ser usada para a agricultura. Um desafio maior seria a variabilidade e transmissão para áreas de alta demanda.
Os ímãs permanentes para geradores de turbinas eólicas contêm metais raros, como neodímio (Nd), praseodímio (Pr), térbio (Tb) e disprósio (Dy). Os sistemas que usam turbinas de acionamento direto magnético requerem maiores quantidades de metais raros. Portanto, um aumento na fabricação de turbinas eólicas aumentaria a demanda por esses recursos. Em 2035, estima-se que a demanda por Nd aumente em 4.000 a 18.000 toneladas e em Dy em 200 a 1.200 toneladas. Esses valores são de um quarto a metade da produção atual. No entanto, essas estimativas são muito incertas porque as tecnologias estão se desenvolvendo rapidamente.
A dependência de minerais de terras raras para os componentes tem gerado despesas e volatilidade de preços, já que a China é o principal produtor de minerais de terras raras (96% em 2009) e está reduzindo suas cotas de exportação. No entanto, nos últimos anos, outros produtores aumentaram a produção e a China aumentou as cotas de exportação, levando a um maior fornecimento e menor custo, e uma maior viabilidade do uso em larga escala de geradores de velocidade variável.
A fibra de vidro é o material mais comum para reforço. Sua demanda tem crescido devido ao crescimento da construção, transporte e turbinas eólicas. Seu mercado global pode chegar a US $ 17,4 bilhões em 2024, em comparação com US $ 8,5 bilhões em 2014. Em 2014, a Ásia Pacífico produziu mais de 45% do mercado; agora a China é o maior produtor. A indústria recebe subsídios do governo chinês permitindo exportar mais barato para os Estados Unidos e Europa. No entanto, as guerras de preços levaram a medidas anti-dumping, como tarifas sobre a fibra de vidro chinesa.
Turbinas eólicas em exibição pública
Algumas localidades exploraram a natureza das turbinas eólicas que chamam a atenção, colocando-as em exibição pública, seja com centros de visitantes em torno de suas bases, ou com áreas de visualização mais distantes. As turbinas eólicas são geralmente de eixo horizontal convencional, projeto de três pás e geram energia para alimentar redes elétricas, mas também desempenham funções não convencionais de demonstração de tecnologia, relações públicas e educação.
Pequenas turbinas eólicas
Pequenas turbinas eólicas podem ser usadas para uma variedade de aplicações, incluindo residências dentro ou fora da rede, torres de telecomunicações, plataformas offshore, escolas e clínicas rurais, monitoramento remoto e outros fins que requerem energia onde não há rede elétrica ou onde a rede é instável. As pequenas turbinas eólicas podem ser tão pequenas quanto um gerador de cinquenta watts para uso em barcos ou caravanas . As unidades híbridas movidas a energia solar e eólica são cada vez mais utilizadas para sinalização de trânsito, principalmente em áreas rurais, pois evitam a necessidade de cabos longos a partir do ponto de conexão de rede mais próximo. O Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) do Departamento de Energia dos EUA define pequenas turbinas eólicas como aquelas menores ou iguais a 100 quilowatts. As unidades pequenas costumam ter geradores de acionamento direto, saída de corrente contínua, lâminas aeroelásticas, rolamentos vitalícios e usam uma palheta para apontar para o vento.
Turbinas maiores e mais caras geralmente têm trens de força com engrenagens, saída de corrente alternada e flaps, e são ativamente apontadas para o vento. Geradores de acionamento direto e pás aeroelásticas para grandes turbinas eólicas estão sendo pesquisados.
Espaçamento da turbina eólica
Na maioria dos parques eólicos horizontais, um espaçamento de cerca de 6 a 10 vezes o diâmetro do rotor é freqüentemente mantido. No entanto, para grandes parques eólicos, distâncias de cerca de 15 diâmetros de rotor devem ser mais econômicas, levando em consideração os custos de turbinas eólicas típicas e de terreno. Esta conclusão foi alcançada por pesquisas conduzidas por Charles Meneveau da Johns Hopkins University e Johan Meyers da Leuven University na Bélgica, com base em simulações de computador que levam em consideração as interações detalhadas entre turbinas eólicas (wakes), bem como com todo o limite atmosférico turbulento camada.
Uma pesquisa recente de John Dabiri da Caltech sugere que as turbinas eólicas verticais podem ser colocadas muito mais próximas umas das outras, desde que um padrão alternado de rotação seja criado, permitindo que as lâminas das turbinas vizinhas se movam na mesma direção à medida que se aproximam.
Operabilidade
Manutenção
As turbinas eólicas precisam de manutenção regular para permanecerem confiáveis e disponíveis . Na melhor das hipóteses, as turbinas estão disponíveis para gerar energia 98% do tempo. O acúmulo de gelo nas lâminas das turbinas também reduz significativamente a eficiência das turbinas eólicas, o que é um desafio comum em climas frios, onde ocorrem eventos de gelo e chuva congelante . O degelo é realizado principalmente por aquecimento interno ou, em alguns casos, por pulverização de água morna limpa de helicóptero nas lâminas,
As turbinas modernas geralmente têm um pequeno guindaste a bordo para içar ferramentas de manutenção e componentes menores. No entanto, componentes grandes e pesados como gerador, caixa de engrenagens, lâminas e assim por diante raramente são substituídos, e um guindaste externo de carga pesada é necessário nesses casos. Se a turbina tiver uma estrada de difícil acesso, um guindaste de contêiner pode ser levantado pelo guindaste interno para fornecer um levantamento mais pesado.
Repotenciação
A instalação de novas turbinas eólicas pode ser controversa. Uma alternativa é a repotenciação, onde as turbinas eólicas existentes são substituídas por outras maiores e mais potentes, às vezes em menor número, mantendo ou aumentando a capacidade.
Demolição e reciclagem
Em alguns casos iniciais, as turbinas mais antigas não precisavam ser removidas quando chegavam ao fim de sua vida útil. Alguns ainda estão de pé, esperando para serem reciclados ou repotenciados.
Uma indústria de demolição se desenvolve para reciclar turbinas offshore a um custo de DKK 2–4 milhões por ( MW ), a ser garantido pelo proprietário.
O interesse em reciclar lâminas varia em diferentes mercados e depende da legislação de resíduos e da economia local. Um desafio na reciclagem de lâminas está relacionado ao material compósito, que é feito de uma matriz termoendurecível e fibras de vidro ou uma combinação de fibras de vidro e carbono. A matriz termofixa não pode ser remodelada para formar novos compostos. Portanto, as opções são enviar a lâmina para aterro sanitário, reutilizar a lâmina e os elementos de material composto encontrados na lâmina ou transformar o material composto em uma nova fonte de material. Na Alemanha, as pás das turbinas eólicas são recicladas comercialmente como parte de uma mistura de combustível alternativo para uma fábrica de cimento. Nos EUA, a cidade de Casper, Wyoming, enterrou 1.000 lâminas não recicláveis em seu aterro, gerando US $ 675.000 pela cidade. Ele apontou que os resíduos de parques eólicos são menos tóxicos do que outros tipos de lixo. As pás das turbinas eólicas representam uma “fração cada vez menor” do lixo geral nos Estados Unidos, de acordo com a American Wind Energy Association .
No Reino Unido, um projeto vai testar lâminas de corte em tiras para uso como vergalhão em concreto , com o objetivo de reduzir as emissões na construção de High Speed 2 .
Comparação com turbinas de combustível fóssil
Vantagens
As turbinas eólicas produzem eletricidade entre dois e seis centavos por quilowatt-hora, que é uma das fontes de energia renovável de menor preço. Como a tecnologia necessária para turbinas eólicas continuou a melhorar, os preços também diminuíram. Além disso, atualmente não existe um mercado competitivo para a energia eólica, porque o vento é um recurso natural disponível gratuitamente, a maior parte do qual inexplorado. O principal custo de pequenas turbinas eólicas é o processo de compra e instalação, que varia entre $ 48.000 e $ 65.000 por instalação. A energia captada da turbina compensará o custo de instalação, além de fornecer energia virtualmente gratuita por anos.
As turbinas eólicas fornecem uma fonte de energia limpa, usam pouca água, não emitindo gases de efeito estufa e sem resíduos. Mais de 1.500 toneladas de dióxido de carbono por ano podem ser eliminadas usando uma turbina de um megawatt em vez de um megawatt de energia de um combustível fóssil.
Desvantagens
As turbinas eólicas podem ser muito grandes, atingindo mais de 140 m (460 pés) de altura e com pás de 55 m (180 pés) de comprimento, e as pessoas sempre se queixam de seu impacto visual.
O impacto ambiental da energia eólica inclui o efeito na vida selvagem, mas pode ser mitigado se o monitoramento adequado e as estratégias de mitigação forem implementadas. Milhares de pássaros, incluindo espécies raras, foram mortos pelas pás das turbinas eólicas, embora as turbinas eólicas contribuam de forma relativamente insignificante para a mortalidade aviária antropogênica. Os parques eólicos e as usinas nucleares são responsáveis por 0,3 a 0,4 mortes de pássaros por gigawatt-hora (GWh) de eletricidade, enquanto as usinas movidas a combustíveis fósseis são responsáveis por cerca de 5,2 mortes por GWh. Em 2009, para cada ave morta por uma turbina eólica nos Estados Unidos, quase 500.000 foram mortas por gatos e outras 500.000 por edifícios. Em comparação, os geradores convencionais a carvão contribuem significativamente mais para a mortalidade de pássaros, por incineração quando capturados em correntes de ar de chaminés e por envenenamento com subprodutos de emissões (incluindo partículas e metais pesados a favor do vento dos gases de combustão). Além disso, a vida marinha é afetada por entradas de água de torres de resfriamento de turbinas a vapor (trocadores de calor) para geradores de combustível fóssil e nucleares, por depósitos de poeira de carvão em ecossistemas marinhos (por exemplo, danificando a Grande Barreira de Corais da Austrália) e pela acidificação da água de monóxidos de combustão.
A energia aproveitada por turbinas eólicas é intermitente e não é uma fonte de energia "despachável"; sua disponibilidade se baseia no fato de o vento estar soprando, não na necessidade de eletricidade. As turbinas podem ser colocadas em cumes ou escarpas para maximizar o acesso do vento que têm, mas isso também limita os locais onde podem ser colocadas. Desta forma, a energia eólica não é uma fonte de energia particularmente confiável. No entanto, pode fazer parte da matriz energética , que também inclui energia de outras fontes. Notavelmente, a produção relativa disponível de fontes eólicas e solares é frequentemente inversamente proporcional (equilíbrio). A tecnologia também está sendo desenvolvida para armazenar o excesso de energia, o que pode compensar qualquer déficit de suprimentos.
Registros
Veja também a lista das turbinas eólicas mais potentes
- Mais poderoso, mais alto, maior e com maior produção 24 horas
- O Haliade-X da GE Wind Energy é a turbina eólica mais poderosa do mundo, com 12MW. Também é o mais alto, com uma altura de cubo de 150 me uma altura de ponta de 260 m. Possui também o maior rotor de 220 me maior área varrida com 38.000 m 2. Também detém o recorde de maior produção em 24 horas, com 312 MWh.
- Unidade convencional (não direta) de maior capacidade
- O Vestas V164 tem uma capacidade nominal de 8 MW , posteriormente aumentada para 9,5 MW . A turbina eólica tem uma altura total de 220 m (722 pés), um diâmetro de 164 m (538 pés), é para uso offshore e é a turbina eólica de maior capacidade do mundo desde sua introdução em 2014. Os trens de força convencionais consistem em uma caixa de câmbio principal e um gerador PM de velocidade média. Protótipo instalado em 2014 no National Test Centre Denmark nas proximidades de Østerild . A produção em série começou no final de 2015.
- Maior eixo vertical
- O parque eólico Le Nordais em Cap-Chat, Quebec , tem uma turbina eólica de eixo vertical (VAWT) chamada Éole, que é a maior do mundo com 110 m. Tem uma capacidade nominal de 3,8 MW .
- Maior turbina de 1 lâmina
- O maior projeto de turbina eólica de uma pá a ser colocado em operação completa é o MBB Messerschmitt Monopteros M50, com uma potência total de saída não inferior a 640 kW em capacidade total. No que diz respeito ao número de unidades, apenas três foram instaladas em um parque eólico real, das quais todas foram para o Parque Eólico de Jade .
- Maior turbina de 2 lâminas
- A maior turbina de 2 pás foi construída pela Mingyang Wind Power em 2013. É uma turbina a favor do vento offshore SCD6,5 MW , projetada pela aerodinâmica Energiesysteme GmbH .
- Torre mais alta
- A Fuhrländer instalou uma turbina de 2,5 MW em uma torre de treliça de 160 m em 2003 (veja Fuhrländer Wind Turbine Laasow e Nowy Tomyśl Wind Turbines ).
- A maioria dos rotores
- Lagerwey construiu Four-in-One, uma turbina eólica de múltiplos rotores com uma torre e quatro rotores perto de Maasvlakte. Em abril de 2016, a Vestas instalou uma turbina eólica de teste de quatro rotores de 900 kW em Risø , feita de 4 turbinas V29 de 225 kW recicladas.
- Mais produtivo
- Quatro turbinas no Rønland Offshore Wind Farm, na Dinamarca, compartilham o recorde de turbinas eólicas mais produtivas, com cada uma gerando 63,2 GWh em junho de 2010.
- Situado mais alto
- Desde 2013, a turbina eólica mais localizada do mundo foi fabricada e instalada pela WindAid e está localizada na base da geleira Pastoruri, no Peru, a 4.877 metros (16.001 pés) acima do nível do mar. O local usa o gerador eólico WindAid de 2,5 kW para fornecer energia a uma pequena comunidade rural de microempresários que atendem os turistas que vêm à geleira Pastoruri.
- Maior turbina eólica flutuante
- A maior turbina eólica flutuante do mundo é qualquer uma das cinco turbinas de 6 MW do parque eólico offshore Hywind Scotland de 30 MW .
Veja também
Referências
Leitura adicional
- Tony Burton, David Sharpe, Nick Jenkins, Ervin Bossanyi: Wind Energy Handbook , John Wiley & Sons, 2ª edição (2011), ISBN 978-0-470-69975-1
- Darrell, Dodge, Early History Through 1875 Arquivado em 2 de dezembro de 2010 na Wayback Machine , TeloNet Web Development, Copyright 1996–2001
- Ersen Erdem, Aplicações Industriais de Turbinas Eólicas
- Robert Gasch, Jochen Twele (ed.), Wind power plants. Fundamentos, projeto, construção e operação , Springer 2012 ISBN 978-3-642-22937-4 .
- Erich Hau, Wind turbines: fundals, technologies, application, economics Springer, 2013 ISBN 978-3-642-27150-2 (visualização no Google Livros)
- Siegfried Heier, Integração de rede de sistemas de conversão de energia eólica John Wiley & Sons, 3ª edição (2014), ISBN 978-1-119-96294-6
- Peter Jamieson, Inovação em Projeto de Turbinas Eólicas . Wiley & Sons 2011, ISBN 978-0-470-69981-2
- JF Manwell, JG McGowan, AL Roberts, Wind Energy Explained: Theory, Design and Application , John Wiley & Sons, 2ª edição (2012), ISBN 978-0-47001-500-1
- David Spera (ed.) Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering , Second Edition (2009), ASME Press, ISBN 9780791802601
- Alois Schaffarczyk (ed.), Understanding wind power technology , John Wiley & Sons, (2014), ISBN 978-1-118-64751-6
- Hermann-Josef Wagner, Jyotirmay Mathur, Introdução aos sistemas de energia eólica. Noções básicas, tecnologia e operação . Springer (2013), ISBN 978-3-642-32975-3
- GA Mansoori, N Enayati, LB Agyarko (2016), Energia: Fontes, Utilização, Legislação, Sustentabilidade, Illinois como Estado Modelo