Por Prof. Dr. Turan Dias Oliveira

Estudos recentes revelam que a concentração molar global de CO2 é superior a 400 ppm e está sob tendência crescente. Se essa tendência mantiver sua consistência, a temperatura média global da superfície do planeta terá aumentado 4°C até o final deste século, enquanto limitar o aquecimento em 2°C é necessário para evitar catástrofes climáticas. Para reverter esse cenário crítico sugere-se o aumento da participação de energia não fóssil para 60% e 90% até 2050 e 2100, respectivamente.

Entre 2011 e 2021, no entanto, a participação de energias não fósseis no consumo total mundial, de acordo com a REN21, passou de 18,8% para somente 21,1%. Essa parcela de energia não fóssil é majoritariamente devido a energias renováveis e, dentro dessas, a energia eólica se mostra bastante promissora. Ao final de 2017, a energia eólica já apresentou uma capacidade instalada mundial de 539 GW, a segunda maior entre as renováveis (a primeira é a hidroeletricidade), atestando sua relevância para o cenário.

A maioria da capacidade instalada de energia eólica deve-se a turbinas eólicas de grande porte. Este tipo de turbina normalmente produz potência superiores a 1 MW e comumente tem uma faixa de diâmetro superior a 50m. Ao operar com velocidades de vento entre as velocidades de “cut-in” e “cutoff” este tipo de turbina eólica usa mecanismos de controle de ângulo de pitch para controlar a saída de energia para não sobrecarregar o sistema. Também é possível, e financeiramente viável, que essas turbinas tenham velocidade de rotação variável e, assim, alcancem melhor desempenho operando mais próximo de uma ótima relação de velocidade de ponta (Tip Speed Ratio, TSR, razão entre a velocidade devido à rotação na ponta da pá e a velocidade do vento incidente).

Turbinas eólicas pequenas (com potência padrão inferior a 100 kW) são relevantes para geração distribuída de energia ou aplicações em ambiente urbano, embora tenham pouca participação percentual na geração global de energia. Para essas turbinas, um ângulo de pitch constante é geralmente aplicado uma vez que um controle deste parâmetro dificilmente é economicamente justificado. Turbinas eólicas pequenas são geralmente de velocidade fixa, devido ao uso de geradores síncronos de menor custo. Com isso, esse tipo de turbina opera em diversos valores de TSR, comumente operando longe de seu melhor cenário de desempenho.

Regimes de vento são também bastante variáveis e impactam no desempenho das turbinas (principalmente naquelas de rotação fixa). Apesar de frequentemente referido a partir de uma velocidade média, maior detalhamento é necessário para caracterizar tal regime. A depender de fatores como localização global e relevo local, regimes de vento de mesma média podem diferir bastante em relação a frequências observadas para diferentes velocidades. É usual em literatura o modelamento deste regime através da distribuição de Weibull devido à sua simplicidade, precisão e adaptabilidade para representar regimes de ventos mais concentrados em torno da média (alta parâmetro de forma, frequente encontrado no Nordeste Brasileiro, por exemplo) tanto quanto regimes mais dispersos (baixo parâmetro de forma, frequentemente encontrado em regiões Europeias, por exemplo).

O objetivo principal deste trabalho é analisar como o ângulo de inclinação e a velocidade de rotação impactam a energia gerada por uma turbina eólica de pequeno eixo horizontal de rotação fixa e pitch fixo sob diferentes regimes de distribuição eólica. Uma turbina NREL Fase VI é utilizada para a análise e o impacto das variáveis estudadas é avaliado através de um código computacional Blade Element Momentum (BEM) proposto.

Os efeitos das variações do ângulo de pitch na eficiência são analisados por um modelo BEM proposto para variações de TRS entre 1 e 16. Os ângulos de pitch investigados são -5, -1, 1, 3, 5, 7 e 11°. Este intervalo de ângulo de inclinação é selecionado para incluir valores mais altos e mais baixos que os ótimos.

O comportamento destes diferentes ângulos de inclinação dos aerogeradores é analisado sob diferentes velocidades de rotação do rotor. As velocidades de rotação estudadas são 47, 72, 97, 122, 147, 172, 197, 222 e 247 RPM. Esses valores de velocidade de rotação são selecionados para estudar valores acima e abaixo dos melhores valores para cada distribuição de velocidade do vento estudada.

A produção anual de energia para todas as combinações de ângulo de inclinação e velocidade de rotação é avaliada para diferentes distribuições de velocidade do vento. Essas distribuições são modeladas por distribuições de Weibull e são considerados três valores diferentes de média de velocidade (4, 6 e 8 m/s) e três valores diferentes de (1,5, 2 e 3) de fator de forma. Esses valores abrangem distribuições de velocidade do vento para diferentes regiões do mundo e velocidades em torno da viabilidade de HAWTs de pequena escala.

Encontrou-se uma dependência significativa da energia produzida tanto com o ângulo de pitch quanto com a velocidade de rotação. Para turbinas com velocidade de rotação fixa, o TSR varia dentro de sua operação (devido a variações de velocidade do vento). A melhor operação será aquela que apresentar TSRs ótimas ou próximas das ótimas por um período mais longo. Ambos os parâmetros de Weibull impactam nas velocidades mais frequentes e, por causa disso, o melhor ângulo de passo da turbina e as velocidades de rotação também mudam com ambos os parâmetros. Os principais achados podem ser resumidos nos seguintes itens:

Para a velocidade de rotação original da turbina analisada (72 RPM), o melhor ângulo de passo depende de ambos os parâmetros de Weibull, variando de -1° a 5°. Velocidades médias de vento mais altas tendem a produzir mais energia com ângulos de pitch mais altos, enquanto fatores de forma mais altos tendem a trabalhar de forma mais eficiente com ângulos de pitch mais baixos. A modificação do ângulo de inclinação leva exclusivamente a uma melhoria na produção de energia de até 23%.  Em nenhum dos casos estudados, o ângulo de pitch original foi o melhor;

Para o ângulo de pitch original (3°), as melhores velocidades de rotação mudaram de 72 RPM para 192 RPM. Verificou-se que quanto maior a velocidade média do vento, maiores são as velocidades de rotação. Por outro lado, fatores de forma mais altos levam a melhores velocidades de rotação. As melhorias energéticas podem atingir 243% em velocidades de vento mais altas (com velocidades de rotação mais altas também). Vale ressaltar que altas velocidades de rotação podem levar a ruídos adicionais e danos estruturais, limitando a aplicação dessas configurações;

A melhor combinação global de velocidades de rotação e ângulo de pitch ocorre sempre com ângulos de passo de -1°, uma vez que este é o ângulo que leva a um coeficiente de potência máximo. As melhores velocidades de rotação, novamente, aumentam com a velocidade média e diminuem com o fator de forma Weibull (k), variando de 72 a 222 RPM. A produção de energia aumenta entre 7% e 305% alterando ambos os parâmetros. O impacto destes parâmetros de projeto é significativamente mais relevante para velocidades de vento mais altas;

A turbina analisada é capaz de extrair energia do vento de forma mais eficaz para distribuições de velocidade do vento com alto fator de forma, uma vez que uma maior quantidade de energia é oferecida em uma faixa de velocidade do vento menorQualitativamente, os principais resultados podem ser replicáveis para outras turbinas e distribuições de velocidade do vento. Essa generalização, que pode ser confrontada em estudos posteriores, leva a possibilidade de projetos de turbinas eólicas site-specific, adotando valores ótimos para a distribuição da velocidade do vento na instalação. Essa customização certamente aumentará os preços de aquisição, mas o aumento da produção de energia pode viabilizá-la. Seria esse um próximo passo da indústria para atender a necessidade de maior participação de renováveis na matriz energética mundial?