Como funciona uma turbina eólica?

Em Máquinas incríveis por André M. Coelho

Turbinas eólicas parecem hélices de avião girando no mesmo lugar – girando em círculos, mas indo a lugar nenhum. Eles estão servindo um propósito muito útil, no entanto. Há energia bloqueada no vento e seus rotores gigantes podem capturar alguns deles e transformá-lo instantaneamente em eletricidade. Você já parou para pensar como funcionam as turbinas eólicas? Vamos olhar mais de perto!

Como uma turbina eólica gera eletricidade?

Uma turbina, como as de um parque eólico, é uma máquina que gira em torno de um fluido em movimento (líquido ou gás) e capta parte da energia que passa. Todos os tipos de máquinas usam turbinas, de motores a jato a usinas hidrelétricas e de locomotivas a diesel a moinhos de vento. Até mesmo o moinho de vento de brinquedo de uma criança é uma forma simples de turbina.

Peças-chave de uma turbina para a energia eólica

Embora falemos de “turbinas eólicas”, a turbina é apenas uma das partes dentro dessas máquinas. Para a maioria das turbinas (mas não todas), outra parte importante é uma caixa de câmbio cujas engrenagens convertem a rotação relativamente lenta das pás giratórias em movimento de alta velocidade – girando o eixo de acionamento com rapidez suficiente para alimentar o gerador de eletricidade.

O gerador é uma parte essencial de todas as turbinas e você pode pensar nele como sendo uma versão enorme e ampliada do dínamo em uma bicicleta. Quando você anda de bicicleta, o dínamo que toca a roda de trás gira e gera eletricidade suficiente para acender uma lâmpada. A mesma coisa acontece em uma turbina eólica, apenas o gerador “dínamo” é acionado pelas pás do rotor da turbina em vez de por uma roda de bicicleta, e a “lâmpada” é uma luz em casa de alguém a quilômetros de distância. Na prática, as turbinas eólicas usam diferentes tipos de geradores que não são muito parecidos com dínamos. Você pode ler sobre como eles funcionam, de maneira mais geral, em nosso artigo principal sobre geradores.

Turbinas eólicas geram eletricidade usando geradores gigantes que produzem campos elétricos com a rotação das turbinas. (Foto: energyforhumanity.org)

Como funciona uma turbina eólica?

O vento (ar em movimento que contém energia cinética) sopra em direção às pás do rotor da turbina.

Os rotores giram, capturando parte da energia cinética do vento e girando o eixo central que os sustenta. Embora as bordas externas das pás do rotor se movam muito rapidamente, o eixo central (eixo de transmissão) é conectado a curvas bem devagar.

Na maioria das grandes turbinas modernas, as pás do rotor podem girar no cubo na frente, de modo que elas encontrem o vento no melhor ângulo (ou “passo”) para a coleta de energia. Isso é chamado de mecanismo de controle de pitch. Em grandes turbinas, pequenos motores elétricos ou macacos hidráulicos giram as pás para frente e para trás sob controle eletrônico preciso. Em turbinas menores, o controle de inclinação é muitas vezes completamente mecânico. No entanto, muitas turbinas têm rotores fixos e nenhum controle de inclinação.

Dentro da nacela (o corpo principal da turbina que fica no topo da torre e atrás das pás), a caixa de câmbio converte a rotação de baixa velocidade do eixo de acionamento (talvez 16 revoluções por minuto, rpm) em alta velocidade (talvez , 1600 rpm) rotação rápida o suficiente para acionar o gerador de forma eficiente.

O gerador, imediatamente atrás da caixa de câmbio, retira energia cinética do eixo giratório e transforma em energia elétrica.
Funcionando na capacidade máxima, um típico gerador de turbina de 2 MW produzirá 2 milhões de watts de potência a cerca de 700 volts.

Anemômetros (dispositivos automáticos de medição de velocidade) e aletas de vento na parte traseira da nacela fornecem medições da velocidade e direção do vento.

Usando essas medições, toda a parte superior da turbina (os rotores e a nacela) pode ser girada por um motor de guinada, montado entre a nacela e a torre, de modo que fique diretamente voltado para o vento que se aproxima e capte a quantidade máxima de energia. Se estiver muito ventoso ou turbulento, os freios são aplicados para impedir que os rotores girem (por motivos de segurança). Os freios também são aplicados durante a manutenção de rotina.

A corrente elétrica produzida pelo gerador flui através de um cabo que passa pelo interior da torre da turbina.

Um transformador eleva a eletricidade para cerca de 50 vezes a voltagem mais alta, para que possa ser transmitida de forma eficiente para a rede elétrica (ou para prédios ou comunidades próximas). Se a eletricidade está fluindo para a rede, ela é convertida em uma voltagem ainda mais alta (130.000 volts ou mais) por uma subestação próxima, que atende muitas turbinas.

As casas desfrutam de energia limpa e verde: a turbina não produz emissões de gases de efeito estufa nem poluição quando opera.

O vento continua soprando para além da turbina, mas com menos velocidade e energia (por razões explicadas abaixo) e mais turbulência (já que a turbina interrompeu seu fluxo).

Como as turbinas colhem energia máxima?

Se você já esteve sob uma grande turbina eólica, você saberá que eles são absolutamente gigantescos e montados em torres incrivelmente altas. Quanto mais tempo as pás do rotor, mais energia elas podem capturar do vento. As lâminas gigantes (tipicamente 70 m ou 230 pés de diâmetro, que é cerca de 30 vezes a envergadura de uma águia) multiplicam a força do vento como uma roda e um eixo, de modo que uma brisa suave é suficiente para fazer as lâminas girarem. Mesmo assim, turbinas eólicas típicas permanecem inativas por volta de 14% do tempo, e na maioria das vezes não geram potência máxima. Isso não é uma desvantagem, no entanto, mas uma característica deliberada de seu design que lhes permite trabalhar de forma muito eficiente em ventos em constante mudança. Pense nisso assim. Os carros não andam em velocidade máxima o tempo todo: o motor e a caixa de câmbio de um carro alimentam as rodas com rapidez ou lentidão, pois precisamos ir de acordo com a velocidade do trânsito. As turbinas eólicas são análogas: como os carros, elas são projetadas para funcionar de maneira eficiente em diferentes velocidades.

A estrutura de turbina eólica típica está a 85 metros do chão – são 50 adultos altos, um em cima do outro! Há uma boa razão para isso. Se você já esteve em uma colina que é o ponto mais alto por quilômetros ao redor, você saberá que o vento viaja muito mais rápido quando está livre de edifícios, árvores, colinas e outras obstruções ao nível do solo. Então, se você colocar as pás do rotor de uma turbina no ar, elas captam consideravelmente mais energia eólica do que elas baixariam. (Se você montar o rotor de uma turbina eólica duas vezes mais alto, ele normalmente produzirá cerca de um terço a mais de energia.) E capturar energia é o que as turbinas eólicas são.

Como as pás de uma turbina eólica estão girando, elas devem ter energia cinética, que elas “roubam” do vento. Agora é uma lei básica da física (conhecida como a conservação da energia) que você não pode produzir energia a partir do nada, então o vento deve realmente desacelerar levemente quando passa em torno de uma turbina eólica. Isso não é realmente um problema, porque geralmente há muito mais vento seguindo atrás! É um problema se você quer construir um parque eólico: a menos que você esteja em um lugar realmente ventoso, você tem que ter certeza que cada turbina está a uma boa distância das que estão ao redor, então não é afetada por elas.

Vantagens e desvantagens das turbinas eólicas

A energia limpa não vem sem suas desvantagens e vantagens.

Desvantagens

À primeira vista, é difícil imaginar por que alguém faria objeções a turbinas eólicas limpas e verdes – especialmente quando comparadas com usinas a carvão sujas e nucleares arriscadas, mas elas têm algumas desvantagens. Uma das características de uma turbina eólica é que ela não gera energia equivalente a uma usina convencional de carvão, gás ou usina nuclear. Uma turbina moderna típica tem uma potência máxima de cerca de 2 megawatts (MW), o que é suficiente para alimentar 1000 torradeiras elétricas de 2kW simultaneamente – e o suficiente para abastecer cerca de 1000 residências, se produzir energia em cerca de 30% do tempo. As maiores turbinas eólicas offshore do mundo agora podem produzir de 6 a 8 megawatts, já que os ventos são mais fortes e mais persistentes no mar, e alimentam cerca de 6 mil residências. Teoricamente, você precisaria de 1.000 turbinas de 2 MW para produzir tanta potência quanto uma usina a carvão realmente considerável (2000 MW ou 2GW) ou uma usina nuclear (qualquer uma delas pode gerar energia suficiente para operar um milhão de torradeiras a 2kW). o mesmo tempo); Na prática, como o carvão e as usinas nucleares produzem energia de maneira razoavelmente consistente e a energia eólica é variável, você precisaria de muito mais. (Se uma boa usina nuclear opera com capacidade máxima 90% do tempo e um bom parque eólico offshore consegue fazer o mesmo 45% do tempo, você precisaria de duas vezes mais turbinas eólicas para compensar Em última análise, a energia eólica é variável e uma rede de energia eficiente precisa de um suprimento previsível de energia para atender à demanda variável. Na prática, isso significa que precisa de uma mistura de diferentes tipos de energia para que o fornecimento seja quase 100% garantido. Algumas delas operarão quase continuamente (como a nuclear), algumas produzirão energia nos horários de pico (como usinas hidrelétricas), algumas aumentarão ou diminuirão a energia que produzem a curto prazo (como o gás natural), e algumas produzirão energia sempre que pode (como o vento). A energia eólica não pode ser a única forma de suprimento – e ninguém jamais fingiu isso.

Como acabamos de ver, você não pode congestionar um par de milhares de turbinas eólicas e esperar que elas funcionem efetivamente; elas devem ser espaçadas a uma certa distância (tipicamente 3-5 diâmetros de rotor na direção do “vento cruzado”, entre cada turbina e as laterais, e 8-10 diâmetros na direção “a favor do vento”, entre cada turbina e as de frente e atrás). Coloque essas duas coisas juntas e você chegará à maior e mais óbvia desvantagem da energia eólica: ocupa muito espaço. Se você quisesse abastecer um país inteiro apenas com vento (o que ninguém sugeriu seriamente), você precisaria cobrir uma área de terra absolutamente vasta com turbinas. Você ainda pode usar quase toda a terra entre as turbinas para agricultura; um parque eólico típico retira menos de 5% da terra da produção (para as bases de turbinas, vias de acesso e conexões de rede). Você poderia montar turbinas no mar, mas isso levanta outros problemas e custa mais. Mesmo em terra, conectar conjuntos de turbinas eólicas à rede elétrica é obviamente um obstáculo maior do que conectar uma única usina de energia equivalente. Alguns fazendeiros e fazendeiros têm objeções a novas linhas de energia, embora muitos obtenham lucros consideráveis ao alugar suas terras (potencialmente com uma renda garantida por um quarto de século), a maioria dos quais eles podem continuar a usar como antes.

Vantagens

No lado positivo, as turbinas eólicas são limpas e verdes: ao contrário das estações de carvão, uma vez construídas, não produzem as emissões de dióxido de carbono que estão causando o aquecimento global ou as emissões de dióxido de enxofre que causam chuva ácida (um tipo de ar poluição). Uma vez que você os construiu, a energia que eles fazem é ilimitada e (exceto peças de reposição e manutenção) livre durante uma vida útil típica de 25 anos. Isso é ainda mais uma vantagem do que parece, porque o custo de operar usinas de energia convencionais é fortemente voltado para coisas arriscadas, como preços de petróleo e gás no atacado e a volatilidade dos mercados de energia mundiais.

Torres de turbinas eólicas e naceles contêm um pouco de metal, e fundações de concreto para impedi-los de cair (uma turbina típica tem 8000 peças no total), então construí-las tem algum impacto ambiental. Mesmo assim, olhando para toda a sua vida operacional, verifica-se que eles têm entre as mais baixas emissões de dióxido de carbono de qualquer forma de geração de energia, significativamente menor do que as plantas movidas a combustíveis fósseis, a maioria das instalações solares ou usinas de biomassa. Agora, as usinas nucleares também têm emissões de dióxido de carbono relativamente baixas, mas as turbinas eólicas não têm os problemas de segurança, poluição e descarte de lixo que muitas pessoas associam à energia nuclear, e são muito mais rápidas e fáceis de construir. Eles também são muito mais baratos, por quilowatt / hora de energia que produzem: metade do preço da energia nuclear e dois terços do preço do carvão. De acordo com o Conselho Global de Energia Eólica, uma turbina pode produzir energia suficiente em 3 a 6 meses para recuperar a energia usada ao longo de sua vida útil (construindo, operando e reciclando-a).

Vantagens resumidas

Baixas emissões de dióxido de carbono (efetivamente zero uma vez construídas).
Sem poluição do ar ou da água.
Nenhum impacto ambiental de mineração ou perfuração.
Nenhum combustível para pagar – nunca!
Completamente sustentável – ao contrário dos combustíveis fósseis, o vento nunca se esgotará.
As turbinas funcionam praticamente em qualquer lugar do mundo onde é confiável, ao contrário dos depósitos de combustíveis fósseis que estão concentrados apenas em certas regiões.
Ao contrário da energia movida a combustíveis fósseis, os custos operacionais da energia eólica são previsíveis com anos de antecedência.
Liberdade de preços de energia e volatilidade política do fornecimento de petróleo e gás de outros países.
Os preços da energia eólica tornar-se-ão cada vez mais competitivos à medida que os preços dos combustíveis fósseis aumentem e a tecnologia eólica amadureça.
Novos empregos na construção, operação e fabricação de turbinas.

Contras resumidos

Alto custo inicial (assim como para grandes usinas nucleares ou movidas a combustíveis fósseis).
Subsídios econômicos necessários para viabilizar a energia eólica (embora outras formas de energia também sejam subsidiadas economicamente ou porque não pagam o custo econômico e social da poluição que produzem).
Custo extra e complexidade de equilibrar a energia eólica variável com outras formas de energia.
Custo extra de atualização da rede elétrica e linhas de transmissão, embora o sistema como um todo seja beneficiado.
Produção variável – embora esse problema seja reduzido pela operação de parques eólicos em diferentes áreas e (no caso da Europa) usando interconectores entre países vizinhos.
Grandes terrenos globais – embora pelo menos 95% das terras de parques eólicos ainda possam ser usados para agricultura, e turbinas offshore podem ser construídas no mar.
Não é possível fornecer 100 por cento da energia de um país durante todo o ano, do mesmo modo que a energia fóssil, nuclear, hidroelétrica e de biomassa.
Perda de empregos para pessoas que trabalham em mineração e perfuração.

Mas e se o vento não soprar?

Algumas pessoas temem que, como o vento é muito variável, podemos perder de repente toda a nossa eletricidade e nos vermos mergulhados em um “apagão” (uma grande queda de energia) se dependermos demais dela.

A realidade do vento é bem diferente. “Variável” não significa não confiável ou imprevisível. Onde quer que você viva, seu poder vem de uma rede complexa (rede) de unidades geradoras de energia intrinsecamente interconectadas (desde usinas de energia gigantes a turbinas eólicas individuais). As empresas de serviços de utilidade pública são altamente competentes para equilibrar a energia gerada em muitos lugares diferentes, de muitas maneiras diferentes, para corresponder à carga (a demanda total de energia), pois ela varia de hora para hora e de dia para dia. A energia de qualquer turbina eólica flutua à medida que o vento sobe e desce, mas a potência total produzida por milhares de turbinas, amplamente dispersas por todo um país, é muito mais regular e previsível. Em qualquer país, praticamente, é sempre muito ventoso em algum lugar. Em outras palavras, ter muitas turbinas eólicas espalhadas por muitos lugares diferentes garante um suprimento razoavelmente estável de energia eólica praticamente todo o ano.

Embora seja verdade que você pode precisar de 1.000 turbinas eólicas para produzir tanta energia quanto uma gigante de carvão ou usina nuclear, também é verdade que se uma única turbina eólica falhar ou parar de girar, ela causa apenas 1/1000 (0,1%) da interrupção você começa quando um carvão ou usina nuclear falha ou fica offline para manutenção (o que acontece com mais frequência do que você imagina). Também vale a pena ter em mente que o vento é relativamente previsível com vários dias de antecedência, por isso é fácil para os planejadores de energia levarem em conta sua variabilidade, já que eles descobrem como produzir energia suficiente para atender às demandas esperadas.

Os opositores da energia eólica chegaram a sugerir que ela poderia ser contraproducente, porque precisaríamos construir carvão, biomassa ou usinas hidrelétricas adicionais (ou alguma forma de armazenar eletricidade gerada pelo vento) para aqueles momentos em que não há vento suficiente soprando. Isso certamente seria verdade se fizéssemos toda a nossa energia a partir de uma única turbina eólica de tamanho grande – mas não o fazemos! Na realidade, até mesmo os países que têm grandes fontes de energia eólica têm muitas outras fontes de energia também; desde que a energia eólica esteja produzindo menos da metade da energia total de um país, a variabilidade do vento não é um problema. Na prática, a eletricidade de cada país sempre vem de uma mistura de diferentes fontes de energia, e a mistura ideal varia de um país para outro por razões geográficas, práticas e políticas.

Como podemos armazenar o poder do vento?

O vento poderia desempenhar um papel maior no futuro se pudéssemos encontrar maneiras econômicas de armazenar eletricidade produzida em dias de vento para os momentos em que há pouco ou nenhum vento para colher. Uma possibilidade experimentada e testada é o armazenamento bombeado: eletricidade de baixo preço é usada para bombear enormes quantidades de água de uma montanha até um lago de alto nível, pronto para ser drenado de volta à montanha, por meio de uma turbina hidrelétrica, em altíssima demanda. quando a eletricidade é mais valiosa. Na verdade, armazenamos eletricidade como energia potencial gravitacional, o que podemos fazer indefinidamente e a transformamos em eletricidade quando nos convém.

As baterias também poderiam ser um concorrente – se tivéssemos o suficiente delas. Houve sugestões sobre o uso de uma frota de carros elétricos como uma bateria coletiva gigante, exatamente para esse fim, mas mesmo baterias em larga escala conectadas a parques eólicos individuais podem ser muito úteis.

É o vento a energia do futuro?

Certamente tem um papel a desempenhar, mas o tamanho de uma parte depende de onde você está no mundo e se existem alternativas melhores adaptadas à sua geografia local. Na ensolarada Austrália, por exemplo, a energia solar provavelmente seria mais barata. Nos países que apresentam invernos ventosos (quando a demanda por eletricidade é mais alta), as turbinas eólicas podem ser um forte concorrente. Países com muitas usinas movidas a combustíveis fósseis e sem planos de aposentá-los em breve poderão encontrar investimentos em captura e armazenamento de carbono (esfregando o dióxido de carbono das emissões de carvão e outras usinas fósseis), uma opção que ainda não é comprovada. Em última análise, é uma escolha política e também científica. Mas embora o crescimento da energia eólica seja impressionante, ela ainda desempenha um papel relativamente pequeno, em geral, no fornecimento de eletricidade mundial.

O que acham da energia eólica? Já viram uma usina eólica funcionando?

Sobre o autor

Engenheiro eletricista, André sempre foi interessado em novas tecnologias. Na primeira década dos anos 2000, atuou como consultor tecnológico em empresas, ajudando as empresas a escolherem as melhores tecnologias para suas necessidades. Desde então, continuou estudando o assunto e hoje compartilha o que aprendeu e continua aprendendo através do site Tecnologia É.

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