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kW pode produzir 16.000 kW anualmente, suficiente para alimentar uma residencia de bom porte. Uma turbina de 1,65 MW pode produzir cerca de 4,7 milhoes de kW em um ano, suficientes para abastecer uma pequena comunidade.Se uma turbina eolica tem potencia de 600 kW, isto significa que ela produz 600 kW de energia por hora de operacao, na sua maxima performance. Se um local tem 1.000 MW de potencia instalada, este valor nao traduz a quantidade de energia produzida (GARCIA, 2004). Algumas relacoes entre unidades: 1 kW = 1.359 HP; 1 MW = 1.000 kW = 1.000.000 W; 1 J (joule) = 1 Ws = 41.868 cal; 1 kWh = 3.600.000 J; 1 HP = 745,7 W. ENERGIA EOLICA E SUA ORIGEMNo seculo VII, na Persia, moinhos movidos por vento ja eram utilizados para moer graos. Esses moinhos, onde a roda das pas (helices) era horizontal e sustentada por um eixo vertical, nao eram eficazes.Na Europa, os primeiros moinhos surgiram no seculo XII na Franca e Inglaterra. Como caracteristicas comuns, eles possuiam na sua parte superior um eixo horizontal que suportava de quatro a oito vigas de madeira com comprimento e 3 a 9 metros. As vigas eram cobertas com telas ou pranchas de madeira e a energia gerada pelo giro do eixo era transmitida por um sistema de engrenagens para as maquinas do moinho, instaladas na base da estrutura.O desenvolvimento dos moinhos de vento sofre uma parada com o advento da revolucao industrial do seculo XIX, onde a fonte de energia principal e direcionada para o vapor, a eletricidade e os combustiveis fosseis. Entretanto, na segunda metade do seculo XIX surge o moinho de pas multiplas, tipo americano, considerado um dos mais importantes avancos na tecnologia de aproveitamento do vento, utilizado praticamente em todo o mundo para o bombeamento de agua e cujas caracteristicas serviram de base para o projeto dos modernos geradores eolicos (CASTRO, 2005).A partir dai, outras aplicacoes foram desenvolvidas para os moinhos: serrarias, fabricas de papel e prensa de graos para producao de azeite.Melhoramentos foram introduzidos na aerodinamica das pas e freios hidraulicos utilizados para deter o movimento das helices. A aplicacao de turbinas eolicas para geracao de eletricidade iniciou-se na Dinamarca, ao final do seculo XIX.O primeiro aerogerador de grande dimensao foi construido na Franca em 1929, e era constituido de duas pas com 20 metros de diametro. Apos algum tempo em operacao, ele foi destruido por uma tormenta. Nessa epoca foram construidos diversos aerogeradores de grandes dimensoes, com diametros variando entre 30 a 53 metros. Todos foram destruidos por tormentas. Os problemas estruturais para enfrentar ventos de grande intensidade foram corrigidos e atualmente existem diversos aerogeradores com capacidade de 2.500 kW, diametro de pas ate 93 metros, funcionando ha mais de 20 anos (CRESESB 1, s.d.).O principio de funcionamento do gerador eolico-eletrico e o mesmo do gerador hidreletrico. Nas usinas hidreletricas o fluxo de agua e utilizado para girar o rotor de uma turbina, e a turbina aciona o eixo de um gerador para produzir eletricidade. Na energia eolica, o fluxo de ar provocado pelo vento
e que impele o rotor de uma turbina; o rotor gira e aciona o eixo de um gerador eletrico. A principal diferenca entre os dois sistemas e que o ar possui densidade menor do que a agua, e por isso o diametro da turbina eolica devera ser muito maior. Outra diferenca e que o vento se apresenta melhor distribuido na natureza do que os rios, alem de nao ser necessario canaliza-lo.As turbinas modernas sao acionadas por arraste, onde o vento empurra as helices, ou por elevacao, onde as helices atuam de modo parecido com as asas do aviao atraves de uma corrente de ar. As turbinas que funcionam por elevacao trabalham com maior velocidade de rotacao e sao mais eficazes em relacao as turbinas acionadas por arraste. Principio aerodinamico da turbina eolicaFonte: SALA DE FISICA, s.d.A figura ilustra o principio aerodinamico de uma turbina eolica com eixo horizontal. O vento passa em ambas as faces do plano de sustentacao da palheta (lamina) da helice. A velocidade do vento e maior na face com superficie mais extensa (face superior) da palheta, criando uma area de baixa pressao sobre o plano de sustentacao. A pressao diferencial entre as superficies superior e inferior resulta numa forca, chamada de elevacao aerodinamica. Nas asas de um aviao essa forca provoca a subida do plano de sustentacao, possibilitando a decolagem e o voo. As palhetas de uma turbina eolica sao construidas para girar num plano em torno do cubo1 da helice, constituindo um movimento de rotacao. Existe outra forca, chamada de arraste, que e perpendicular a forca de elevacao. A forca de arraste se opoe ao movimento de rotacao. O principal objetivo no projeto de uma turbina eolica e que a palheta da helice tenha uma alta relacao entre elevacao e arraste. Esta relacao pode variar ao longo do comprimento da palheta, otimizando a energia produzida para diversas velocidades do vento (CRESESB 1, s.d.).As turbinas podem ter eixo principal paralelo ao solo, chamada de eixo horizontal, e eixo vertical, perpendicular ao solo, conforme mostrado na figura; As turbinas de eixo horizontal utilizadas para gerar eletricidade tem de uma a tres helices, enquanto as utilizadas para bombeamento de agua podem ter varias helices (PEREIRA, 2002).rbinas de eixo vertical (a) e horizontal (b)Fonte: ENERGIAS RENOVAVEIS, 2002A turbina eolica de eixo vertical pode ter projeto baseado na elevacao ou arraste. O sistema em arraste e semelhante ao trabalho realizado pelo remo para impulsionar uma canoa na agua. Supondo remadas perfeitas (sem deslizamento do remo em relacao a agua), a velocidade maxima e praticamente a mesma que a velocidade da remada. O mesmo acontece com a acao do vento. O anemometro de pas, dispositivo comum para a medicao da velocidade do vento, e um rotor de eixo vertical baseado em arraste. Se a velocidade das pas for exatamente a mesma da velocidade do vento, podemos afirmar que o instrumento esta operando na razao de velocidade maxima 1 (TSR Tip Speed Ratio). As pas do anemometro nunca podem ter velocidade superior a do vento, assim TSR e sempre menor ou igual a 1.Uma
a potencia produzida pelo aerogerador aumenta ate atingir o valor definido como potencia nominal, estando o gerador operando em velocidade nominal. Isto nao significa necessariamente que a maquina esteja fornecendo sua maxima potencia. A partir do ponto de maxima potencia mudara o comportamento da maquina, alteracao devida ao fato da turbina estar presa ao seu eixo, e a forca das altas velocidades do vento a deforma, piorando suas caracteristicas aerodinamicas e diminuindo a potencia produzida.Um aerogerador pode possuir diversos sistemas de controle, destacando-se o controle de velocidade e de orientacao do rotor. A velocidade e regulada principalmente pelos controles de passo e estol.As pas de alguns aerogeradores podem girar sobre o eixo que as fixa ao rotor da turbina devido a acao do vento. Essa caracteristica mantem a rotacao do aerogerador e consequentemente nao permite aumento na potencia produzida.Essas maquinas sao chamadas de passo variavel. As que nao possuem este sistema sao conhecidas como de passo fixo. A figura a seguir mostra as curvas caracteristicas idealizadas de dois aerogeradores com e sem regulacao do passo das pas, comprovando a diferenca de comportamento depois de atingida a velocidade nominal. Entre as velocidades de inicio de geracao (Vv0) e nominal da maquina (Vvn), os aerogeradores com e sem regulacao de passo tem comportamento semelhante, a partir da velocidade nominal, a maquina de passo variavel mantem a potencia gerada constante (GARCIA, 2005). Curva de potencia de aerogeradores com e sem regulacao de passo das pas.Fonte: GARCIA, 2005 Como ja foi dito anteriormente, para velocidades de vento muito altas o aerogerador nao deve continuar funcionando, pois a elevada rotacao pode causar alguns danos a maquina e encurtar sua vida util, alem de que a maquina poderia cair pela forca do vento. Por esse motivo, contam com um sistema de protecao que em alguns casos afastam o aerogerador da direcao do vento, outros torcem as pas ate angulos elevados diminuindo a acao do vento. A velocidade na qual isso acontece e denominada velocidade de saida ou velocidade de corte (Vvs) (GARCIA, 2005).As velocidades do vento mencionadas modificam a curva que representa a curva caracteristica teorica do gerador eletrico, como foi mostrado na figura, obtendo-se como resultado a curva caracteristica do aerogerador.O controle da orientacao do rotor, para maquinas de pequeno porte, e feito empregando modelos aerodinamicos ao desenho do aerogerador. A esse desenho e adaptado um leme simples, como mostra a figura (aerogerador de pequeno porte), que mantem o equipamento sempre direcionado no sentido do vento predominante (PEREIRA, 2004). Exemplos de aerogeradores de pequeno, medio e grande porte.Fonte: ANEEL, 1998http://www.engenheirosassociados.com.br/artigos.phphttp://www.engenheirosassociados.com.br/artigos/generalidade_enegia_eolica.php
gerando o hidrogenio necessario para sua alimentacao.Pela temperatura de operacao elevada, as celulas do tipo oxido solido sao geralmente utilizadas em aplicacoes de co-geracao em funcionamento continuo ou para o acionamento de uma turbina a vapor utilizando o esquema de ciclo combinado. Vantagens e Desvantagens de Celulas a CombustivelNa tabela 2, encontra-se um resumo relativo as vantagens e desvantagensda geracao de energia a base de celulas a combustivel.VANTAGENS E DESVANTAGENS DA CELULA A COMBUSTIVELFONTE: REIS (2003) Perspectivas da Tecnologia no Mercado NacionalSendo o Brasil um pais que enfrenta grandes problemas no que diz respeito ao suprimento de energia eletrica, a tecnologia de celulas a combustivel, com suas inumeras vantagens, surge como uma bela opcao tao logo seja competitiva no mercado.Conforme Reis (2000), com a absoluta maioria, cerca de 90% e 60.000 MW, de sua capacidade instalada baseada em hidrogeracao, se faz necessaria uma complementacao desta matriz, principalmente nos periodos secos do ano e quando da ocorrencia de elevados picos de carga.A participacao cada vez mais ativa do gas natural na matriz energetica brasileira e uma grande contribuicao ao desenvolvimento das centrais de co-geracao base de celulas a combustivel, tornando-as promissoras na complementacao da capacidade de producao de energia das usinas hidreletricas.As principais oportunidades de mercado para a introducao da tecnologia de celulas a combustivel no cenario energetico brasileiro, situam-se nas centrais de pequeno e medio porte para a producao e/ou auto-producao independente de energia, levando em consideracao o elevado custo de energia nos periodos de ponta e o baixo indice de poluicao ambiental e sonora. A eficiencia das celulas a combustivel aliada a sua capacidade de co-geracao atraves do calor liberado tambem e um fator significativo desta tecnologia.http://www.engenheirosassociados.com.br/artigos/generalidade_celular.phphttp://www.engenheirosassociados.com.br/artigos.php
de elevada eficiencia. Estava estabelecido o principio da lampada de enxofre. Mais exatamente, esse principio baseia-se na excitacao do enxofre contido em um bulbo de vidro por microondas, da mesma forma que um forno de microondas domestico. O enxofre e ionizado e levado ao estado de plasma pela energia das microondas, a 2,45 GHz (a mesma frequencia do forno domestico).Gracas as prioridades fisicas dos atomos de enxofre excitados, a porcao de energia das microondas transformada em luz e muito grande, enquanto a porcao emitida como radiacao ultravioleta ou infravermelho e pequena.Destaque-se que o bulbo nao inclui qualquer eletrodo - que e, alias, um dos pontos determinantes na vida das lampadas em geral. Para conservar o plasma estavel, o bulbo emantido permanentemente em rotacao.Na pratica, portanto, uma lampada de plasma envolve tres ingredientes basicos: 1) uma fonte de alimentacao; 2) o magnetron para gerar as microondas; e 30 o bulbo de quartzo transparente contendo enxofre e gas inerte (argonio). As microondas convertem o enxofre em plasma e a intensa luz gerada e entao difundida, o que hoje tem sido feito, essencialmente, de duas formas: 1) atraves de longos tubos de luz (guias de luz), construidos com material plastico especial, ou 2) por meio de refletores secundarios. Como a lampada, propriamente dita, e de dimensoes reduzidas e como nao ha arco (consequentemente, nao ha tambem a movimentacao ou deslocamentos que caracterizam o arco), ela apresenta caracteristicas opticas muito boas. Alem disso, como mencionado, a energia luminosa por ela emitida tem um espectro continuo muito proximo do ideal, pois esimilar ao da luz solar, na regiao visivel, mas em materia de ultravioleta e infravermelho econteudo emitido pela lampada e muito menor.O primeiro prototipo da lampada de enxofre foi lancado pela Fusion Lighting em 1994. Com 3,4KW de potencia, a lampada foi utilizada em algumas instalacoes nos EUA (com tubos de luz) e na Suecia (com um sistema de distribuicao baseado em refletores). A potencia total, incluindo fonte de alimentacao e magnetron, chegava a 5,4KW. Com um fluxo de cerca de 450.000 Lumens, a eficiencia global do sistema, portanto, beirava os 85 lm/W. A potencia extremamente alta da lampada exigia seu resfriamento com ar comprimido, aumentando o nivel de ruido.A Fusion continuou investindo no desenvolvimento das lampadas de enxofre e, em 1995, chegou a uma versao com potencia menor, de 1 kW . O consumo total do sistema e de 1425 W, com a vantagem de que a lampada nao precisa mais de resfriamento. O fluxo luminoso e de 135.000 lm. A eficiencia do sistema atinge, assim, 95 lm/W.A duracao prevista do bulbo e de pelo menos 45 000 h. Isso significa que, em materia de vida util, o gargalo do novo sistema de iluminacao reside na fonte do e no magnetron, cujaexpectativa de vida vai de 10 000 a 20 000 h. E, em que pese a longa duracao, a lampada apresenta uma depreciacao luminosa que chega, no maximo, a 5%, alem de manter integralmente suas caracteristicas espectrais.A nova lampada se destaca ainda em outros aspectos: ela e absolutamente isenta de mercurio ou qualquer outro
metal pesado; e sua luz e quase que totalmente livre de cintilacao (flicker).A lampada de enxofre na Fusion compreende duas caixas: uma delas aloja a fonte de alimentacao e pesa cerca de 22 Kg; na outra, que abriga o compreende duas caixas: uma delas aloja a fonte de alimentacao e pesa cerca de 22 Kg; na outra, que abriga o magnetron, sao montados a lampada e, geralmente, tambem o refletor. O peso desta Segunda caixa e de apenas alguns kg. A lampada, como mencionado, fica girando constantemente, para manter i plasma estavel. O refletor utilizado normalmente pela Fusion e de facho estreito, com uma distribuicao de luz rotacionalmente simetrica, otimizada para tubos de luz. A Fusion vende a lampada apenas em esquema OEM.No mercado europeu, a Fusion tem trabalhado em parceria com a Celsius Tech, empresa sueca especializada em tecnologia magnetron para equipamentos de radar e de radiocomunicacao. A Celsius Tech inclusive desenvolveu uma pequena fonte de alimentacao chaveada que substitui totalmente a fonte de 22 Kg e pode ser instalada dentro da mesma caixa que abriga o magnetron - sem aumentar-lhe o peso de forma significativa. Alem disso, esta nova fonte de alimentacao permite dimerizar a lampada de o a 100% de seu fluxo luminoso.A fonte de alimentacao tambem pode ser integrada a um sistema de controle e monitoracao computadorizado. Isto e especialmente importante considerando-se que a vida util do magnetron e bem menor do que a da lampada. O sistema de monitoracao pode assim acompanhar o funcionamento de cada magnetron e informar o pessoal de manutencao quando um deles precisa ser trocado.Enquanto a Fusion vende suas lampadas apenas nas modalidade OEM, a Celsius Tech pretende vende-las a qualquer interessado. Segundo informacao divulgada pelo IAEEL,entidade internacional dedicada a promocao da iluminacao eficiente, a lampada de 1 KW,versao nao dimerizavel, estaria sendo comercializado por cerca de US$ 2500 na Europa.Atualmente, a maior instalacao com lampadas de enxofre em operacao e a do centro de triagem postal da cidade de Sundsvall, na Suecia, que compreende uma extensa rede de tubos de luz, com 26 unidades de 1 KW.Entre as instalacoes pioneiras, ainda na fase da lampada de 3,4 kW , estao a ala espacial do Museu Nacional de Aeronautica e Espaco, da Smithsonian Institution, a plaza externa do edificio Forrestal, ambas em Washington, EUA, e usando tubos de luz; e o hall da entrada principal do hospital da Universidade de Lund, na Suecia, cuja distribuicao de luz e baseada em refletores.O interesse em torno da novidade vem estimulando o anuncio e a realizacao de novos projetos: nos EUA, o Ministerio de Energia planeja uma instalacao com tubos de luz em Denver, tambem num centro de triagem postal e, em Washington, preve-se uma instalacao do mesmo tipo em um grande hangar. Ja na Finlandia anuncia-se a inauguracao, ainda este ano, de uma instalacao cujo sistema de distribuicao de luz e baseado em espelhos: trata-se de um grande projeto, com cerca de 20 lampadas, usadas para iluminar o atrio de um shopping Center proximo a capital Helsinque. Na Suecia, a novidade registra inclusive casos de
modernizacao, como o do hospital da Universidade de Lund, em que as duas lampadas de 3,4 kW existentes serao substituidas por quatro de 1 kW, com o projeto de maior impacto, pelo menos em termos de midia , certamente devera ser o da iluminacao da arena principal da Olimpiada de Sidney, na Australia (a Olimpiada do ano de 2000), cuja proposta vencedora preve o uso das lampadas de enxofre.De pronto, uma aplicacao claramente recomendada para a nova lampada e na iluminacao de grandes areas, como predios industriais, supermercados, ginasios esportivos, pracas de esportes e de lazer externas, hangares, armazens e almoxarifados, parques de estacionamento, shopping centers, hospitais, alem de uso publico em locais onde a diferenciacao de cores e importante e etc. Mas ha ainda um vasto potencial de uso que so agora comeca a ser explorado, como na agricultura, para o cultivo de plantas, em ratamentos medicos que recomendem luz identicas a natural, na iluminacao de filmagens de cinema e TV e em projetores de video.LAMPADA DE VAPOR DE SODIOUma comparacao com as lampadas de vapor de mercurio O Grande enigma entre a lampada vapor de sodio e mercurio refere-se a vida util media das mesmas. Apesar de alguns fabricantes ainda mencionarem uma vida de 16.000 horas e 12.000 horas esses valores vem sendo alterados. Fabricantes como a PHILIPS e algumas concessionarias onde ja se utiliza a lampada de sodio, manifestam que ambas as lampadas possuem a mesma vida util media.Apesar de estar praticamente consagrado a mesma vida, neste estudo analisaremos os dados da maioria dos fabricantes e do proprio MANUAL DE ILUMINACAO PUBLICA DA COPEL de 1989, ou seja 16.000 horas (VSO-150) e 12.000 horas (VMC-250). Mas tambem contemplaremos o caso das lampadas terem a mesma vida util media ou seja 12.000 horas.Nao podemos relegar o fato de que a depreciacao do fluxo luminoso da lampada de sodio e menor, tanto que ao final de 12.000 horas, seu fluxo luminoso e cerca de 60% maior que a lampada de Mercurio.Outro fator que tambem pode-se considerar como desvantagem, seria a cor amarela e espectros luminosos que dificultam a definicao de cores, consequentemente ha uma reacao negati-va por parte da populacao quanto a lampada de sodio.O fato de exigir Ignitor para partida da lampada de Sodio, torna o conjunto mais vulneravel a problemas, pois e um ponto a mais de defeito e, quando a lampada esta queimada ou fora do porta lampadas com o circuito ligado, o Ignitor continua funcionando e emite pulsacoes que causam radiointerferencia, prejudicando o desempenho de aparelhos de comunicacao ligados no mesmo circuito.Quanto a radiacao ultravioleta, a lampada de Sodio emite bem menos que a de Mercurio, com isso, tem-se um beneficio social a medida que se diminui a atracao de insetos. Fato consumado e que a eficiencia media e o fluxo luminoso nominal da lampada de Sodio e bem maior que a sua rival, cerca de 90 lm/W e 13.500 lm p/ VSO 150 e 50 lm/W e 12.500 lm p/ lampada a vapor de mercurio VMC 250 ;Mas, mesmo com vantagens e desvantagens existentes entre ambas,
o ponto fundamental re-side no consumo de energia eletrica. Sera que seria uma boa opcao a lampada de Sodio ao inves da lampada de mercurio, apesar do custo da lampada de Sodio ser bem mais alto? No quadro a seguir , apresentaremos um resumo comparativo de ambas. Deve-se atentar que, o grande dilema realmente recai no fato de que o custo inicial e de manutencao (substituicao) do conjunto de Sodio (lampada + equipamentos auxiliares) e bem maior que o conjunto de Mercurio, comprometendo sua utilizacao mesmo consumindo menos energia (cerca de 34,8% a menos). { VSO 150 + 26 (perdas) = 176 { VMC 250 + 20 (perdas) = 270 W LAMPADA DE SODIO (150W) LAMPADA DE MERCURIO (250W)1- Custo inicial e de substituicao alto 1- Custo bem menor2- Vida util media de 16.000 horas 2- Vida util media de 12.000 horas3- Depreciacao do fluxo luminoso menor 3- Maior depreciacao do fluxo luminoso4- Fluxo luminoso inicial nominal 13.500lm 4- Fluxo luminoso inicial nominal 12.500lm5- Cor amarelada e espectro luminoso que dificulta a identificacao das cores5- Problema nao preocupante6- Ignitor , ponto a mais de defeito 6- Nao tem Ignitor7- Com lampada queimada, o Ignitor continua funcionando, emitindo pulsacoes quecausam radio-interferencia7- Nao tem Ignitor8- Radiacao ultravioleta minima nao atrai insetos8- Radiacao bem maior - atrai insetos9- Perda no Reator 26 W 9- Perda no Reator 20 W10- Vida Util Media Reator 6,5 anos 10- Vida Util Media Reator 8,4 anos11- Consumo Mensal de 63,36 KWh 11- Consumo Mensal de 97,2 KWh4.9. CONSIDERACOES ADICIONAISPara a comparacao, referenciou-se todos os precos em R$ (Reais) e uma Taxa de Desconto de 10% a.a. (0,7974%) e considerou-se a lampada funcionando 12 horas por dia durante 30 dias todos os meses. Consequentemente, a vida media da lampada de Sodio e de 44 meses e a de Mercurio 33 meses. Quanto aos Reatores, tem-se 78 meses (Sodio) e 101 meses Mercurio). Para obter esses resultados, simplesmente transformou-se a vida util de horas (lampada) para meses e de anos (Reator) para meses (Fonte: Relatorio SCPE-33.011 de 15/04/88-CODI / GE-33-COPEL).As lampadas consideradas no estudo foram do tipo ovoide e o Reator do tipo externo, alto fator de potencia, 220V, com base para Rele e Ignitor incorporado no reator no caso do conjunto de Sodio.Quanto as luminarias, concluiu-se que o preco das mesmas, tanto para lampadas de Sodiocomo para de Mercurio e praticamente o mesmo. Com isso, desprezou-se este fator; bem como o Rele Fotoeletrico e Braco, por estarem presente em ambas alternativas.Foi considerado apenas a manutencao corretiva, ou seja, a substituicao do equipamento quando do fim da vida util.Com o atual valor da tarifa de energia eletrica, realmente e indicado a utilizacao do conjunto de Sodio (150W), apesar do alto custo de instalacao (materiais) e substituicao desta alternativa. Se considerarmos que as Lampadas possuem diferentes vida util media, o conjunto de Sodio ficaria 24,7 % mais barato. Enquanto que, considerando a mesma vida util media, esse percentual reduziria-se para 22,3 %.Se analisarmos os problemas atuais do pais pode-se concluir que, o fator mais significativo no custo total de ambos os conjuntos