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sábado, 16 de julho de 2011

Energia Eólica

Generalidades Sobre Energia Eólica
O vento, movimento do ar na atmosfera terrestre, é a fonte primária do sistema de energia eólica. Esse movimento do ar é gerado principalmente pelo aquecimento da superfície da Terra nas regiões próximas ao Equador e pelo resfriamento nas regiões dos pólos. Dessa forma, os ventos das superfícies frias circulam dos pólos em direção ao Equador para substituir o ar quente tropical que, por sua vez, desloca-se para os pólos.
O vento é influenciado pela rotação da Terra, provocando variações sazonais na sua intensidade e direção, e pela topografia do local. Para utilizar a energia dos ventos de maneira eficiente na geração de energia, é necessário medir a direção e a intensidade dos ventos. Essas medições são feitas normalmente com anemômetros instalados em alturas variadas dependendo do relevo e da finalidade da medição. É possível fazer estimativas do comportamento dos ventos utilizando-se o tratamento estatístico dos dados obtidos (CASTRO, 2005).
No tratamento desses dados, a curva mais importante (geradora de outras curvas) é a curva da freqüência das velocidades, que fornece o período de tempo (percentual) em que uma velocidade foi observada. Dessa curva deriva-se também a curva de energia disponível (Wh/m²), também conhecida como potência média bruta ou fluxo de potência eólica. Outras curvas importantes são as que fornecem o período de calmaria e a ventos fortes.
Caso não exista disponibilidade de uma curva de freqüência de velocidade do vento, as velocidades podem ser projetadas a partir da velocidade média, utilizandose a modelagem matemática baseada na distribuição de Rayleigh.
Conhecer a velocidade média do vento é fundamental para a estimativa da energia produzida, porque os aerogeradores começam a gerar numa determinada velocidade de vento e param de gerar quando a velocidade ultrapassa determinado valor de segurança. Além disso, a velocidade média do vento é fator determinante para o dimensionamento do sistema de armazenamento (BLASQUES, 2005).
ENERGIA E POTÊNCIA
A quantidade de trabalho que um sistema físico é capaz de realizar, durante certo período de tempo, denomina-se energia. Então a energia não pode ser criada, nem consumida ou destruída, mas ela pode ser convertida ou transferida para outras formas: a energia cinética do movimento das moléculas do ar pode ser convertida em energia de movimento pelo rotor de uma turbina eólica, que por sua vez pode ser convertida em energia elétrica por um gerador acoplado à turbina. Em cada uma destas conversões uma parte da energia original é convertida em energia calorífera (BLASQUES, 2005).
A turbina eólica também é chamada de conversor de energia eólica, e sua performance é medida em termos da quantidade de energia eólica que ela pode converter da energia cinética do vento. Normalmente, essa energia é medida em quilowatts-hora (kWh) ou megawatts-hora (MWh) durante um certo período de tempo, geralmente uma hora, um mês ou um ano.
A potência elétrica é medida em Watt (W), quilowatt (kW), megawatt (MW), etc.. Potência é a energia transferida por unidade de tempo e pode ser medida em qualquer instante, enquanto que a energia tem de ser medida durante um certo período de tempo: um segundo, uma hora ou um ano. Exemplo: uma turbina de 10 kW pode produzir 16.000 kW anualmente, suficiente para alimentar uma residência de bom porte. Uma turbina de 1,65 MW pode produzir cerca de 4,7 milhões de kW em um ano, suficientes para abastecer uma pequena comunidade.
Se uma turbina eólica tem potência de 600 kW, isto significa que ela produz 600 kW de energia por hora de operação, na sua máxima performance. Se um local tem 1.000 MW de potência instalada, este valor não traduz a quantidade de energia produzida (GARCIA, 2004).
Algumas relações 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 EÓLICA E SUA ORIGEM
No século VII, na Pérsia, moinhos movidos por vento já eram utilizados para moer grãos. Esses moinhos, onde a roda das pás (hélices) era horizontal e sustentada por um eixo vertical, não eram eficazes.
Na Europa, os primeiros moinhos surgiram no século XII na França e Inglaterra. Como características comuns, eles possuíam 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 máquinas do moinho, instaladas na base da estrutura.
O desenvolvimento dos moinhos de vento sofre uma parada com o advento da revolução industrial do século XIX, onde a fonte de energia principal é direcionada para o vapor, a eletricidade e os combustíveis fósseis. Entretanto, na segunda metade do século XIX surge o moinho de pás múltiplas, tipo americano, considerado um dos mais importantes avanços na tecnologia de aproveitamento do vento, utilizado praticamente em todo o mundo para o bombeamento de água e cujas características serviram de base para o projeto dos modernos geradores eólicos (CASTRO, 2005).
A partir daí, outras aplicações foram desenvolvidas para os moinhos: serrarias, fábricas de papel e prensa de grãos para produção de azeite.
Melhoramentos foram introduzidos na aerodinâmica das pás e freios hidráulicos utilizados para deter o movimento das hélices. A aplicação de turbinas eólicas para geração de eletricidade iniciou-se na Dinamarca, ao final do século XIX.
O primeiro aerogerador de grande dimensão foi construído na França em 1929, e era constituído de duas pás com 20 metros de diâmetro. Após algum tempo em operação, ele foi destruído por uma tormenta. Nessa época foram construídos diversos aerogeradores de grandes dimensões, com diâmetros variando entre 30 a 53 metros. Todos foram destruídos por tormentas. Os problemas estruturais para enfrentar ventos de grande intensidade foram corrigidos e atualmente existem diversos aerogeradores com capacidade de 2.500 kW, diâmetro de pás até 93 metros, funcionando há mais de 20 anos (CRESESB 1, s.d.).
O princípio de funcionamento do gerador eólico-elétrico é o mesmo do gerador hidrelétrico. Nas usinas hidrelétricas o fluxo de água é utilizado para girar o rotor de uma turbina, e a turbina aciona o eixo de um gerador para produzir eletricidade. Na energia eólica, o fluxo de ar provocado pelo vento é que impele o rotor de uma turbina; o rotor gira e aciona o eixo de um gerador elétrico. A principal diferença entre os dois sistemas é que o ar possui densidade menor do que a água, e por isso o diâmetro da turbina eólica deverá ser muito maior. Outra diferença é que o vento se apresenta melhor distribuído na natureza do que os rios, além de não ser necessário canalizá-lo.
As turbinas modernas são acionadas por arraste, onde o vento empurra as hélices, ou por elevação, onde as hélices atuam de modo parecido com as asas do avião através de uma corrente de ar. As turbinas que funcionam por elevação trabalham com maior velocidade de rotação e são mais eficazes em relação as turbinas acionadas por arraste.

Princípio aerodinâmico da turbina eólica
Fonte: SALA DE FÍSICA, s.d.
A figura ilustra o princípio aerodinâmico de uma turbina eólica com eixo horizontal. O vento passa em ambas as faces do plano de sustentação da palheta (lâmina) da hélice. A velocidade do vento é maior na face com superfície mais extensa (face superior) da palheta, criando uma área de baixa pressão sobre o plano de sustentação. A pressão diferencial entre as superfícies superior e inferior resulta numa força, chamada de elevação aerodinâmica. Nas asas de um avião essa força provoca a “subida” do plano de sustentação, possibilitando a decolagem e o vôo.
As palhetas de uma turbina eólica são construídas para girar num plano em torno do cubo1 da hélice, constituindo um movimento de rotação. Existe outra força, chamada de arraste, que é perpendicular à força de elevação. A força de arraste se opõe ao movimento de rotação. O principal objetivo no projeto de uma turbina eólica é que a palheta da hélice tenha uma alta relação entre elevação e arraste. Esta relação 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 têm de uma a três hélices, enquanto as utilizadas para bombeamento de água podem ter várias hélices (PEREIRA, 2002).
rbinas de eixo vertical (a) e horizontal (b)
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
A turbina eólica de eixo vertical pode ter projeto baseado na elevação ou arraste. O sistema em arraste é semelhante ao trabalho realizado pelo remo para impulsionar uma canoa na água. Supondo remadas perfeitas (sem deslizamento do remo em relação à água), a velocidade máxima é praticamente a mesma que a velocidade da remada. O mesmo acontece com a ação do vento. O anemômetro de pás, dispositivo comum para a medição da velocidade do vento, é um rotor de eixo vertical baseado em arraste. Se a velocidade das pás for exatamente a mesma da velocidade do vento, podemos afirmar que o instrumento está operando na razão de velocidade máxima 1 (TSR – Tip Speed Ratio). As pás do anemômetro nunca podem ter velocidade superior à do vento, assim TSR é sempre menor ou igual a 1.
Uma forma de determinar se uma turbina eólica de eixo vertical é baseada em arraste ou elevação, é verificar se o TSR pode ser maior que 1. Um TSR acima de 1 significa alguma quantidade de elevação, enquanto TSR abaixo de 1 significa maior ênfase em arraste. Os projetos baseados em elevação geralmente fornecem maior potência, aliado a maior eficiência.
O rotor Savonius, mostrado na figura 3.5, é um exemplo de sistema eólico com eixo vertical baseado em arraste. Ele possui baixa velocidade e alto torque, sendo utilizado na moagem de grãos e bombeamento de água, mas não para gerar eletricidade. Para gerar eletricidade, o número de rotações por minuto deve ser superior a 1.000, enquanto que os projetos baseados em arraste possuem velocidade abaixo de 100 rpm. No Savonius, a utilização de engrenagens para multiplicar a velocidade de rotação causa perda de eficiência e dificuldade para ultrapassar a inércia de partida.

Turbinas eólica Savonius
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
A primeira turbina eólica operada automaticamente para geração de energia elétrica foi construída por Charles Brush (1849 – 1929) em 1888. O diâmetro do seu rotor tinha 17 m e possuía 144 pás de madeira. O gerador tinha 12 kW e funcionou por 20 anos, carregando um sistema de baterias. A desproporção entre o tamanho da turbina e a capacidade do gerador era devido ao tipo de sistema com elevado número de pás, proporcionando baixa velocidade (PEREIRA, 2002).
Paul de la Cour (1846 – 1908) foi um dos pioneiros da aerodinâmica moderna, tendo construído seu próprio túnel de vento para experimentos. Ele descobriu que turbinas com menos pás, mais rápidas, são mais eficientes para a produção de eletricidade.

Turbina eólica de Paul de la Cour
Fonte: TIMS, 1998
No ano de 1980 surgiu a máquina Darrieus, mostrado na figura. Este sistema eólico com eixo vertical é baseado em elevação, onde cada palheta recebe torque máximo somente duas vezes por revolução. Dessa forma, a potência de saída é elevada e senoidal. Algumas freqüências naturais de vibração devem ser evitadas durante a operação de rotor Darrieus com palhetas longas. Um dos principais problemas deste sistema é a montagem sobre torres pois a utilização de estaiamento para manter a turbina ereta provoca a ação de forças sobre os rolamentos da turbina (PEREIRA, 2002).

Turbina eólica Darrieus
Fonte: UNICAMP, 1996
Na mesma época foi desenvolvido um modelo de grande porte muito popular
na Europa, conhecido como Bônus 300 kW. A máquina Twind de 2 MW possui rotor
com diâmetro de 54 m girando em velocidade variável, acoplado a um gerador
síncrono.
Bônus 300 kW
Fonte: UNICAMP, 1996
A turbina NEG Micon de 22 MW foi desenvolvida em 1999, possui rotor com diâmetro de 72 m. A figura 3.9 mostra a instalação de Hagesholm, Dinamarca, com a turbina montada numa torre de 68 m e fundações para receber mais duas turbinas.
Turbina NEG Micon 2MW, Hagesholm, Dinamarca
Fonte: ENERGIAS RENOVÁVEIS, 2002
Desenvolvimentos tecnológicos buscam a redução de custos por meio de conceitos simplificados, tais como: utilização de potências modulares, projetos sem caixa de multiplicação e sistemas com orientação livre. As pesquisas também incidem sobre a redução de cargas por meio de articulações e com sistemas de velocidade variável, e controle que reduza as flutuações. Ao mesmo tempo, há uma preocupação em reduzir a poluição visual e sonora (CRESESB 1, s.d.).
O material tradicionalmente utilizado para a fabricação de hélices é a fibra de vidro. Existe uma tendência para a utilização de epóxi (resina de poliéster) reforçado com fibras de vidro ou carbono. Outra possibilidade é utilizar aramida (kevlar) como material de reforço, mas é um material ainda antieconômico para turbinas de grande dimensão. Alguns fabricantes de aerogeradores de pequeno porte utilizam madeira para confecção de hélices.
PARTES COMPONENTES
a) Aerogerador de grande porte
Esquema básico de uma turbina eólica.
Fonte: CRESESB 1, s.d.
As principais partes componentes de uma instalação eólica para geração de
eletricidade são (CRESESB 1, s.d.):
cubo: constitui elemento de conexão das pás com o eixo do rotor transmitindo forças, conjugados e vibrações;
pás: o conjunto de pás, na maioria dos casos igual a três, é denominado rotor. Visando o uso em máquinas para geração de eletricidade, as pás devem conciliar uma série de características, entre as quais podem ser citadas: leveza, rigidez, e um bom rendimento
aerodinâmico. Na maior parte das aplicações, as pás são produzidas assumindo contorno retangular ou trapezoidal, sendo este último a forma mais usada em unidades de médio e grande porte devido ao alto rendimento aerodinâmico. Quanto ao comprimento, as pás variam de cerca de 0,40 metros para unidades de 100 W de potência até cerca de 52 metros para unidades com 6 MW de potência. Quanto ao material de fabricação, pás modernas usam na maioria dos casos compostos de epoxy e polyester reforçados com fibra de vidro;
eixo do rotor: nas unidades eólicas que não possuem engrenagens, o eixo do rotor representa o próprio eixo do gerador elétrico; caso contrário, a caixa de engrenagem realiza o casamento entre o eixo do rotor e o eixo do gerador;
caixa multiplicadora de rotação: presente na maioria das instalações interligadas à rede elétrica funciona como elemento de ligação entre a baixa rotação das pás e a elevada rotação do gerador elétrico. Se a caixa de engrenagens possui apenas uma relação de velocidade, o projeto deve ser realizado considerando a velocidade do vento mais provável no local da instalação do ponto de vista estatístico. Algumas unidades dispensam o uso de engrenagens através do uso de gerador elétrico com elevado número de pares de pólos; gerador elétrico: elemento responsável pela geração de eletricidade.
Em geral, são empregadas máquinas de indução ou síncronas convencionais para unidades de média e grande potência; para unidades de pequena potência são empregadas também máquinas síncronas com excitação de ímãs permanentes.
unidades de controle: responsáveis por diferentes tarefas, como o acionamento do deslocamento angular das pás em torno do eixo e do acompanhamento da direção do vento pela nacele;
circuitos eletrônicos: estes componentes assumem diversas tarefas, como o desacoplamento elétrico entre o gerador e a rede através de circuitos retificadores, inversores, visando a operação em velocidade variável das turbinas e a entrega de eletricidade dentro das exigências de qualidade de energia;
anemômetro: mede a velocidade do vento e transmite a informação para o controlador;
freio: utilizado em emergência, pode ser aplicado por meio mecânico, elétrico ou hidráulico;
controlador: aciona e desliga a máquina quando a velocidade do vento atinge certos valores estabelecidos pelo fabricante da turbina eólica.
Certas turbinas não podem operar com velocidade do vento acima de 29 m/s (depende do fabricante) porque o gerador sofre sobreaquecimento e as estruturas ficam mais sujeitas ao processo de fadiga. Até pouco tempo, o controlador da turbina era utilizado basicamente para reduzir sua velocidade ou comando de parada, prevenindo a sobrevelocidade e a vibração na ocorrência de vento muito forte.
Atualmente, estão sendo desenvolvidos controladores inteligentes que otimizam a operação da turbina. Eles utilizam microprocessadores que analisam continuamente as condições do vento e a operação da turbina. O controlador ajusta a operação de modo a otimizar a quantidade de potência gerada, protegendo a máquina do desgaste excessivo e assegurando maior vida útil, além de garantir operação segura;
nacele: compartimento (estrutura de proteção) do conjunto contendo a engrenagem, eixo de baixa e alta velocidade, gerador, controlador e freio (todo o mecanismo do gerador). Em aerogeradores de grande porte, a nacele contém acessórios de manutenção e permite acesso de técnicos ao se interior;
passo: giro controlado das pás, alterando o seu perfil frente ao impacto do vento. Com isso, a velocidade de operação da turbina pode ser controlada;
rotor: composto pelas pás e o cubo frontal de interligação entre pás e eixo de acionamento;
veleta (sensor de vento): fornece a medida de orientação do vento que aciona o dispositivo que posiciona a face da turbina;
torre: constitui o elemento de sustentação da nacele, compartimento no interior do qual estão localizados a caixa de engrenagens e o gerador elétrico. As primeiras torres de treliça deram lugar para torres de aço, com alturas que podem chegar a 124 metros.
Os cabos que conduzem a corrente elétrica da turbina, através da torre, podem ser danificados por excesso de torção caso o dispositivo de orientação fique acionado somente num sentido.
Para evitar isso, a turbina é equipada com um contador de giro dos cabos, que informa ao controlador a necessidade de inverter a direção de giro e distorcer os cabos. O sistema de segurança para torção dos cabos é redundante: se os cabos estão muito torcidos, uma chave de parada de emergência independente do controlador é acionada.
A performance da turbina eólica depende principalmente da velocidade do vento e diâmetro do rotor. A tabela 3.1 fornece uma relação estimada entre esses dois fatores e a saída da turbina, em Watt-hora/dia.

Relação entre velocidade do vento e diâmetro do rotor
Velocidade do vento (m/s)
Diâmetro do rotor (m) 4 5 6 7
1,5 35 70 94 117
3 152 269 386 468
5 421 769 1053 1287
7 831 1522 2107 2575
Wh / dia
Fonte: CRESESB 1, s.d.
a) Aerogerador de pequeno porte
Figura 3.11 - Esquema básico de um aerogerador de pequeno porte.
Fonte: AIRX, 2001.
PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO DE UM AEROGERADOR
O princípio de funcionamento do aerogerador, descrito na figura 3.12,
compreende dois processos de conversão, que são: o rotor, que retira a energia
cinética do vento e a converte em conjugado mecânico, e o gerador, que converte o
conjugado mecânico em eletricidade (PEREIRA, 2006).

Princípio básico de funcionamento de um aerogerador.
Fonte: PEREIRA, 2004
Diagrama de blocos simplificado de um aerogerador.
Fonte: LEITE, 2005
A transformação da energia mecânica em elétrica por meio de geradores eletromecânicos é um problema tecnologicamente dominado, existindo vários fabricantes destes equipamentos disponíveis no mercado, citados no item 3.8. Alguns problemas prejudicam a integração dos sistemas eólicos aos geradores, podendo citar (CRESESB 1, s.d., LEITE, 2005):
variações na velocidade do vento;
variações do torque de entrada;
controle de freqüência e tensão;
confiabilidade.
A conversão da energia mecânica disponível no rotor é feita mediante o uso de geradores síncronos (alternadores), geradores assíncronos (de indução) ou corrente contínua, e cada um deles apresenta vantagens e desvantagens que devem ser analisadas com cuidado na sua incorporação a sistemas de conversão de energia eólica (FARRET, 1999).
Aerogeradores de pequeno porte normalmente são destinados à eletrificação de pequenos consumidores e ao carregamento de baterias. As tensões de funcionamento mais comuns são de 12 e 24V, podendo ser encontradas tensões maiores. São fundamentalmente constituídos por geradores de corrente alternada, necessitando de sistemas de retificação para armazenamento da energia, porém, dispõem de diodos retificadores para converter a tensão alternada de saída em uma tensão contínua (GARCIA, 2005).
Atualmente, em aerogeradores de pequeno porte, utiliza-se a tecnologia de geradores com ímãs permanentes, que dispensam o uso de escovas. A utilização desta tecnologia diminui consideravelmente a sua manutenção, uma vez que não tem necessidade de efetuar a troca das escovas (elemento de alto desgaste por atrito mecânico) (ELETRICISTA, 2004).
Não se utiliza aerogeradores em série. A associação paralela é utilizada para a obtenção de maiores potências, embora existam no mercado aerogeradores com as principais potências para várias aplicações.
A figura mostra o comportamento teórico do sistema que forma o aerogerador, determinado pela interseção entre as curvas da turbina para diferentes velocidades e a curva do gerador elétrico para as mesmas rotações, como mostrado em (a) gerando a curva mostrada em (b). Essa relação é conhecida como curva característica do aerogerador ou curva de potência.
(a) (b)
(a) Curva característica do gerador para diferentes rotações (b) Curva de potência do aerogerador em função da velocidade do vento.
Fonte: GARCIA, 2005
A curva de potência reconhecida é aquela obtida experimentalmente. A figura 3.15 mostra a curva característica típica de aerogeradores, onde a potência é incrementada com o aumento da sua rotação (aumento da velocidade do vento) até um ponto em que a alta rotação dificulta a passagem do vento pela turbina, e mesmo com o aumento da rotação a potência produzida se mantêm constante ou até mesmo diminui, chegando a um ponto em que velocidades muito altas cortam a produção de energia.

Curva de potência típica de aerogeradores.
Fonte: CAMARGO, 2005
Para começar a girar e se manter em movimento, o aerogerador precisa de uma potência de vento suficiente para sobrepor o chamado torque de arranque.
Após arrancar, a máquina pode precisar de uma velocidade ainda maior para começar a produzir eletricidade, devido ao fato do gerador elétrico necessitar atingir uma rotação mínima. Esta velocidade do vento é conhecida como velocidade de início de geração ou velocidade de partida.
A partir da velocidade de partida, a potência produzida pelo aerogerador aumenta até atingir o valor definido como potência nominal, estando o gerador operando em velocidade nominal. Isto não significa necessariamente que a máquina esteja fornecendo sua máxima potência. A partir do ponto de máxima potência mudará o comportamento da máquina, alteração devida ao fato da turbina estar “presa” ao seu eixo, e a força das altas velocidades do vento a deforma, piorando suas características aerodinâmicas e diminuindo a potência produzida.
Um aerogerador pode possuir diversos sistemas de controle, destacando-se o controle de velocidade e de orientação do rotor. A velocidade é regulada principalmente pelos controles de passo e estol.
As pás de alguns aerogeradores podem girar sobre o eixo que as fixa ao rotor da turbina devido à ação do vento. Essa característica mantém a rotação do aerogerador e conseqüentemente não permite aumento na potência produzida.
Essas máquinas são chamadas de passo variável. As que não possuem este sistema são conhecidas como de passo fixo.
A figura a seguir mostra as curvas características idealizadas de dois aerogeradores com e sem regulação do passo das pás, comprovando a diferença de comportamento depois de atingida a velocidade nominal. Entre as velocidades de início de geração (Vv0) e nominal da máquina (Vvn), os aerogeradores com e sem regulação de passo tem comportamento semelhante, a partir da velocidade nominal, a máquina de passo variável mantêm a potência gerada constante (GARCIA, 2005).

Curva de potência de aerogeradores com e sem regulação de passo das pás.
Fonte: GARCIA, 2005
Como já foi dito anteriormente, para velocidades de vento muito altas o aerogerador não deve continuar funcionando, pois a elevada rotação pode causar alguns danos à máquina e encurtar sua vida útil, além de que a máquina poderia cair pela força do vento. Por esse motivo, contam com um sistema de proteção que em alguns casos “afastam” o aerogerador da direção do vento, outros torcem as pás até ângulos elevados diminuindo a ação do vento. A velocidade na qual isso acontece é denominada velocidade de saída ou velocidade de corte (Vvs) (GARCIA, 2005).
As velocidades do vento mencionadas modificam a curva que representa a curva característica teórica do gerador elétrico, como foi mostrado na figura, obtendo-se como resultado a curva característica do aerogerador.
O controle da orientação do rotor, para máquinas de pequeno porte, é feito empregando modelos aerodinâmicos ao desenho do aerogerador. A esse desenho é adaptado um leme simples, como mostra a figura (aerogerador de pequeno porte), que mantém o equipamento sempre direcionado no sentido do vento predominante (PEREIRA, 2004).
Exemplos de aerogeradores de pequeno, médio e grande porte.
Fonte: ANEEL, 1998

Celulas a Combustível

Definição
Células a combustível são dispositivos que convertem energia química em energia elétrica e térmica. São alimentadas com hidrogênio, que pode ser obtido do gás natural, do etanol, da gasolina, do metanol, entre outros. Por produzirem energia através de uma reação eletroquímica ao invés da combustão, as emissões de efluentes atmosféricos são mínimas e pouco agressivas ao meio ambiente. Tendo em vista que o processo apresenta maior rendimento energético, a relação energia gerada / emissão de CO2 é menor que nos processos convencionais de geração elétrica que utilizam equipamentos de combustão. A célula a combustível funciona de forma diferente das baterias tradicionais por não armazenar eletricidade, não precisando de recarga desde que o energético seja continuamente fornecido.
Histórico
Conforme Caíres (1996), a idéia de células a combustível vem de longa data, sendo que um gerador desse tipo foi concebido em 1801, na Inglaterra. Nessa ocasião, foi construída, para gerar eletricidade, uma célula (pilha) de zinco e oxigênio que gera zincato de sódio. Somente no século XX foram dados alguns passos significativos no estudo e desenvolvimento dessas células.
Em 1839, William Grove observou que, quando o hidrogênio e o oxigênio eram fornecidos separadamente a dois eletrodos de platina imersos em solução de ácido sulfúrico, uma corrente elétrica era produzida em um circuito externo conectado aos eletrodos.
Siegl, cientista inglês, foi o primeiro a produzir eletrodos com platina dispersa sobre partículas de carbono, e com essa experiência surgiram os eletrodos de difusão de gás, que são utilizados até hoje no desenvolvimento das células a combustível.
Eletrólitos fundidos foram utilizados pela primeira vez nesses dispositivos no século XIX. Estudiosos tiveram a idéia de substituir motores térmicos por células eletroquímicas, nas quais se oxidaria o carbono a CO2 e se reduziria a oxigênio.
Conforme Caíres (1996), no início do século passado, registrou-se uma patente para a construção de uma célula com eletrólito sólido. Em conseqüência do grande sucesso dos geradores eletromecânicos, diminuíram os investimentos em pesquisas relativas a células de combustível, até a Segunda Guerra Mundial, quando se procurou desenvolver fontes de energia pra a tecnologia de satélites.
Davtyan, pesquisador inglês, publicou artigos sobre células de eletrólito sólido para alta temperatura, descrevendo pesquisas em que foi utilizado carbonato fundido e células de eletrólito alcalino de alta e baixa temperaturas.
Como descreve Filipini (2002), os estudos sobre células a combustível continuaram, porém, em nível científico, com contribuições de Nernst, Haber, Bauer e outros. Enquanto a maioria dos trabalhos consideravam a utilização do carvão como combustível, Bauer, em 1933, propôs a utilização do gás hidrogênio e gás oxigênio em uma célula que opera em meio alcalino. Nessa época, Francis T. Bacon, engenheiro inglês, interessou-se pelo assunto e resolveu executar um projeto que levasse as células a combustível a alguma utilização prática. Seu trabalho começou a obter sucesso na década de 50, com o desenvolvimento dos eletrodos porosos de níquel, que proporcionavam bom rendimento às células
alcalinas de alta pressão. Conforme Caíres (1996), Kordesch e Marko, nessa época, desenvolveram na Universidade de Viena, Áustria, estudos semelhantes com eletrodos porosos de carbono e confirmaram a previsão de Bauer, viabilizando a operação de células
alcalinas de baixa temperatura e pressão. Enquanto isso, na Holanda, G. H. Broens, baseando-se no trabalho do russo O. K. Davtyan lançou as bases pra o desenvolvimento de células de alta temperatura, usando carbonatos fundidos como eletrólito.
As décadas de 50 e 60 foram aquelas em que se observaram melhores condições para o desenvolvimento de novas tecnologias, à vista dos programas espaciais dos países desenvolvidos. Com isso, os estudos das células a combustível foram especialmente beneficiados.
Essa fase da tecnologia propiciou a primeira utilização prática destes conversores de energia, em naves espaciais, com uma célula a combustível construída a partir do modelo desenvolvido por Bacon. Essa célula foi responsável pela geração de toda a energia elétrica das naves do projeto Apollo. Essas foram as primeiras demonstrações dos princípios de funcionamento das células a combustível, que até 1930 ainda eram consideradas como mera curiosidade de laboratório.
Na década de 70, um impulso maior foi dado em decorrência do agravamento do problema energético mundial, em particular da crise do petróleo. Essa crise mobilizou a comunidade internacional, preocupada com os níveis alarmantes de poluição ambiental, que trouxeram à tona a necessidade de conversão eletroquímica da energia. Com isso, as células a combustível, que obtiveram excelente desempenho nas missões espaciais, mas cujo alto custo desestimulava qualquer tentativa de aplicação terrestre, começaram a ser estudadas
e vistas como um sistema viável para aplicações em larga escala, por suas vantagens e características.
Para minimi zar o problema do custo desta tecnologia, têm sido levados em conta outros enfoques tecnológicos, bem como estudos de novos materiais. Nos E.U.A., órgãos da NASA, o Exército, a Força Aérea e a Marinha investiram muito em estudos e desenvolvimento de projetos para a defesa do país ao longo dos anos da chamada Guerra Fria. Nesses projetos foi priorizada a Engenharia e a Ciência de Materiais. Com o término da Guerra Fria, esses materiais, chamados de materiais avançados, foram direcionados para outras aplicações. Assim, alguns deles têm sido testados para uso em células a combustível.
Após o êxito dos programas espaciais norte-americanos, houve grande interesse em promover aplicações terrestres para as células a combustível, como sistemas autônomos de geração de energia elétrica.
Esquema básico de funcionamento
Conforme Reis (2003), turbinas, geradores a diesel, calor derivado de combustão ou calor gerado por reação nuclear podem gerar eletricidade e permitir que essa energia realize trabalho mecânico. Estes sistemas envolvem conversão de energia e seus coeficientes são limitados pelas leis da Termodinâmica. A célula a combustível envolve constantes de temperatura no processo eletroquímico, e sua eficiência não é limitada pelas leis que regem as máquinas térmicas.

ESQUEMA BÁSICO DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL ALCALINA (FILIPINI, 2002)
Uma célula combustível, mostrada esquematicamente na Figura 1 acima, consiste de dois eletrodos separados por um eletrólito. O combustível é fornecido para um eletrodo e o oxigênio para o outro. Um pequeno potencial elétrico, menor que 1V, é estabelecido e uma corrente elétrica poderá circular, enquanto o combustível e o ar forem fornecidos à estrutura. Os eletrodos catalisam a reação, mas não são consumidos como os eletrodos em uma bateria.
Esta conversão ocorre por meio de duas reações eletroquímicas parciais de transferência de carga em dois eletrodos separados por um eletrólito apropriado, ou seja, a oxidação de um combustível no ânodo e a redução de um oxidante no cátodo. Escolhendo-se, por exemplo, hidrogênio como combustível e oxigênio (do ar ambiente) como oxidante, tem-se na denominada célula ácida, a formação de água e produção de calor, além da liberação de elétrons para um circuito externo, que podem gerar trabalho elétrico. As reações nos eletrodos são:
a) Ânodo: H2? 2H+ + 2eb)
Cátodo: ½ O2 + 2H+ + 2e-? H2O
c) Reação Total: H2 + ½ O2? H2O
A reação de redução do oxigênio e de oxidação do hidrogênio ocorrem em potenciais diferentes, o que permite a realização de um trabalho útil pelos elétrons envolvidos, desde que a configuração seja adequada. Na prática, essa configuração depende de vários fatores, tais como os reagentes usados, a temperatura de operação e o eletrólito empregado.
O hidrogênio utilizado para a alimentação das células pode ser produzido no interior das mesmas, através da chamada reforma catalítica do combustível. A Figura 2 representa um diagrama de blocos de uma célula a combustível ácida utilizando o reformador.

CÉLULA A COMBUSTÍVEL COM REFORMADOR ( FILIPINI, 2002)
O combustível injetado para a reforma pode ser gás natural, metano, propano, nafta, etanol, metanol e outros. O gás resultante do processo reage com o oxigênio no interior da célula produzindo principalmente água, energia térmica e energia elétrica, sem a ocorrência de combustão.
Tecnologias em desenvolvimento
De acordo com Reis (2003), as tecnologias de células a combustível em desenvolvimento atualmente, têm sua classificação baseada no tipo de eletrólito utilizado na célula, pelas reações eletroquímicas e pelas suas temperaturas de operação. Segundo estes critérios, as cinco principais tecnologias de células a combustível em desenvolvimento são:
a) Células a ácido fosfórico (PAFC, "Phosforic Acid Fuel Cell");
b) Células a polímero sólido (SPFC, "Solid Polymer Fuel Cell");
c) Células alcalinas (AFC, "Alkaline Fuel Cell");
d) Células a carbonato fundido (MCFC, "Molten Carbonate Fuel Cell");
e) Células a óxido sólido (SOFC, "Solid Oxide Fuel Cell").
A tabela evidencia os tipos de células a combustível existe ntes, seus respectivos eletrólitos, temperatura de operação e reagentes.
Célula a Ácido Fosfórico (PAFC)
De acordo com Reis (2003), as células a ácido fosfórico pertencem ao grupo de tecnologia mais antiga e mais difundida até o presente. Utilizando o ácido fosfórico concentrado (95 – 98%) como eletrólito e operando na faixa de 180 – 200ºC, essas células podem ser abastecidas com combustíveis relativamente limpos, derivados do processo de reforma de combustíveis fósseis como o gás natural, metano, nafta, etanol, entre outros.
Para proporcionar uma maior eficiência das reações eletroquímicas, este tipo de célula requer o emprego de catalisador, sendo o de platina mais utilizado, fato esse que dificulta sua comercialização pelo alto custo do material empregado.
O eletrólito utilizado, H3PO4, ácido fosfórico, oferece uma excelente estabilidade térmica, química e eletroquímica e baixa volatilidade para temperaturas superiores a 150ºC, além de ser um ácido “benigno”, podendo até ser encontrado na fórmula química da bebida Coca-Cola.
Sua construção relativamente simples, baseada em materiais produzidos a partir de processos amplamente dominados pela indústria atual faz com que a célula combustível do tipo ácido fosfórico seja a mais comercialmente viável desde 1994.
A principal aplicação a células a combustível PAFC dá-se nas centrais de co-geração com potência de 50 a 1000kW, para instalações “in situ”, ou seja, nas dependências do consumidor. Destina-se, basicamente, ao suprimento de eletricidade e calor para estabelecimentos comerciais, conjuntos residenciais, hospitais, edifícios e pequenas indústrias. O combustível mais utilizado é o gás natural reformado.
Célula a Polímero Sólido (SPFC)
De acordo com Reis (2003), as células de polímero sólido utilizam como eletrólito uma membrana condutora de prótons (Nafion®), e, com o seu uso, pode-se manter uma distância entre os eletrodos de aproximadamente 0,2 mm, diminuindose assim a resistência interna. A platina também é utilizada como agente catalisador das reações eletroquímicas que se processam na célula. A célula do tipo SPFC opera a uma temperatura da ordem de 80ºC.
Por oferecerem uma maior eficiência e atingirem elevadas densidades de potência, são as mais aplicadas na indústria automotiva em substituição aos motores de combustão interna. Atualmente esta tecnologia tem se mostrado bastante promissora, apesar, ainda, do alto custo das membranas nela empregadas.
Célula Alcalina (AFC)
De acordo com Reis (2003), as células alcalinas utilizam uma solução aquosa de hidróxido de potássio (30%) como eletrólito. As reações de oxidação em eletrólitos alcalinos são mais rápidas que em eletrólitos ácidos, viabilizando a utilização de metais menos nobres, portanto, mais baratos, como agentes catalisadores. O combustível, hidrogênio, e o reagente, oxigênio, devem possuir uma pureza elevada pelo fato dos eletrólitos alcalinos reagirem com gases ácidos, como o CO2, CO e SO2, e formarem produtos insolúveis comprometendo o funcionamento do sistema e aumentando sua complexidade.
As células AFC não requerem materiais de alto custo na sua construção e têm-se mostrado viáveis para aplicações estratégicas, como espaçonaves, submarinos e em áreas remotas. Esta tecnologia equipou as naves do projeto Apollo e da Space Shuttle, ambos da NASA.
Célula a Carbonato Fundido (MCFC)
De acordo com Reis (2003), as células a carbonato fundido operam em temperaturas entre 600 e 750ºC, utilizam misturas de carbonato de sódio, lítio e potássio como eletrólito.
Uma das principais características das células MCFC é que o dióxido de carbono (CO2) e o monóxido de carbono (CO) são reagentes combustíveis, tendo a mesma função do hidrogênio nos demais tipos de células a combustível. Também, pela alta temperatura de operação, esta tecnologia dispensa o uso de catalisadores com metais nobres e a reforma do combustível é feita no interior da célula.
As aplicações de células MCFC têm crescido em centrais de co-geração de médio e grande porte, principalmente em sistemas de geração que operam em ciclo combinado. Este crescimento está relacionado com a eficiência elevada da relação combustível / energia elétrica, que pode chegar à 55%, sem o aproveitamento do calor residual.
Célula a Óxido Sólido (SOFC)
De acordo com Reis (2003), nas células do tipo a óxido sólido são utilizados eletrólitos refratários, não corrosivos, à base de uma mistura de óxido de zircônio (ZrO2) e yttria (Y2O3), que apresentam, mesmo no estado sólido, considerável condutividade iônica em temperaturas em torno de 1000ºC. Sua maior característica reside no fato de que seus próprios eletrodos podem atuar como reformadores de outros combustíveis, gerando o hidrogênio necessário para sua alimentação.
Pela temperatura de operação elevada, as células do tipo óxido sólido são geralmente utilizadas em aplicações de co-geração em funcionamento contínuo ou para o acionamento de uma turbina a vapor utilizando o esquema de ciclo combinado.
Vantagens e Desvantagens de Células a Combustível
Na tabela 2, encontra-se um resumo relativo às vantagens e desvantagens
da geração de energia à base de células a combustível.

VANTAGENS E DESVANTAGENS DA CÉLULA A COMBUSTÍVEL
FONTE: REIS (2003)
Perspectivas da Tecnologia no Mercado Nacional
Sendo o Brasil um país que enfrenta grandes problemas no que diz respeito ao suprimento de energia elétrica, a tecnologia de células a combustível, com suas inúmeras vantagens, surge como uma bela opção tão 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 hidrogeração, se faz necessária uma complementação desta matriz, principalmente nos períodos secos do ano e quando da ocorrência de elevados picos de carga.
A participação cada vez mais ativa do gás natural na matriz energética brasileira é uma grande contribuição ao desenvolvimento das centrais de co-geração base de células a combustível, tornando-as promissoras na complementação da capacidade de produção de energia das usinas hidrelétricas.
As principais oportunidades de mercado para a introdução da tecnologia de células a combustível no cenário energético brasileiro, situam-se nas centrais de pequeno e médio porte para a produção e/ou auto-produção independente de energia, levando em consideração o elevado custo de energia nos períodos de ponta e o baixo índice de poluição ambiental e sonora. A eficiência das células a combustível aliada a sua capacidade de co-geração através do calor liberado também é um fator significativo desta tecnologia.