O Aproveitamento da energia mecânica

Airborne Wind Energy (AWE)

Rafael Andrade Franco,  2015104156

Raphael de Oliveira Rocha, 2011016775

Rayner Christian Rodrigues Pereira, 2012016990

Tomás Tamantini, 2015046 814

Resumo — É notório que uma das grandes questões enfrentadas pela comunidade global nas últimas décadas tem sido a migração para fontes de energias mais limpas e independentes de combustíveis fósseis. Enormes avanços são alcançados principalmente nas áreas de energia nuclear, solar e eólicas. Esse trabalho irá apresentar e discutir uma tecnologia nova, que vem se desenvolvendo só muito recentemente, e ainda bastante desconhecida apesar do seu caráter promissor: Sistemas de coleta de energia eólica em vôo (Airborne Wind Energy Systems em inglês, ou AWES), que consistem em pequenos aviões, pipas ou pára-quedas pairando em altitude, capazes de coletar e converter a energia dos ventos de maneira mais eficiente do que turbinas eólicas convencionais na superfície.

Index Terms—Airborne Wind Turbine, AWE, Makani, Wind Turbine.

1. Fundamentação teórica

O aproveitamento da energia mecânica dos ventos acompanha civilizações humanas desde muito cedo, com barcos a vela sendo de suma importância de fenícios e gregos a chineses, e moinhos a vento sendo usados na Pérsia há três milênios. A conversão dessa energia em energia elétrica goza de uma história bem mais recente, com a primeira turbina eólica construída em 1887. Nos anos 1930, nos Estados Unidos, principalmente em fazendas ainda não alcançadas pela rede de distribuição, era comum a presença de geradores eólicos. Houve também avanços na tecnologia na União Soviética, e no Canadá, mas o desenvolvimento das tecnologias dependentes de combustíveis fósseis e seu baixo custo paralisaram a pesquisas e criação de novas tecnologias na área. Esse hiato só terminou nos anos 70, com a retomada das instalações de turbinas principalmente na Dinamarca, Holanda e Alemanha.

Atualmente, a tecnologia consiste majoritariamente de turbinas de eixo horizontal, com três pás. Dimensões típicas variam de 70 metros a 110 metros de altura, com diâmetros do rotor entre 50 e 120 metros. O espaçamento entre turbinas distintas deve ser em torno de 7 vezes o diâmetro do rotor. Dimensões tão grandes trazem consigo a necessidade de ocupação de grandes áreas, com uma geração em torno de 160 kW por hectare.

Outra grande limitação das turbinas eólicas instaladas na superfície é a velocidade tipicamente mais baixa e maior irregularidade dos ventos quando comparado a altitudes maiores. Tem-se a seguinte relação para a velocidade dos ventos em função da altura (V(z)):

v(z)=v(z_0 ) (z/z_0 )^0,143

Apesar do pequeno expoente (o expoente de 0,143 é uma aproximação, que varia com as irregularidades da superfície) significar variações pequenas na velocidade do vento, a potência da turbina eólica depende do cubo da velocidade, assim, incrementos modestos na velocidade já geram aumento significativo na potência gerada:

P(v)=1/2 ρ_ar 〖Av〗^3

Com P(V) sendo a potência máxima teórica possível de ser gerada, como função da velocidade do ar, ρ_ar a densidade do ar e A a área do rotor. Fórmulas mais adequadas para o rendimento real de uma turbina na superfície ou planando mantém a dependência com a velocidade ao cubo.

Assim, para contornar esses problemas, no ano de 1980, Miles L. Loyd apresentou no artigo Crosswind Kite Power uma análise matemática e metódica de como seria o rendimento e os mecanismos de aproveitamento de energia eólica por pipas voando no contra vento, iniciando o interesse na geração de energia em altitude. A área necessária para a instalação de AWESs é muito reduzida, e a geração de energia é aumentada devido às maiores velocidades dos ventos, e sua maior constância.

A tabela abaixo apresenta uma breve comparação entre uma turbina convencional na superfície e a turbina Makani, que consiste no gerador acoplado num avião, que gira em círculos no ar, ligado por um cabo à superfície para a transmissão de energia:

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Tabela 1: Comparação entre tecnologias

1. Conceito de AWE e História

Há, atualmente, várias pesquisas em andamento, patentes sendo registradas, tecnologias sendo desenvolvidas e protótipos construídos na área de AWES. As distinções entre esses diversos ramos em crescimento são apresentadas na sessão seguinte, mas todas convergem na idéia central que as define em essência: A coleta de energia eólica é feita em vôo, a altitudes de centenas de metros, onde o regime de ventos é mais constante e previsível, e as velocidades do vento são maiores. A energia é transferida para uma estação no chão (já na forma de energia elétrica, por um cabo condutor, ou como tensão numa corda, a ser convertida em energia elétrica na estação) a partir da qual é distribuída para consumo.

O interesse nessa nova área e novas tecnologias de geração é muito recente, teve início com um trabalho seminal de Miles L. Loyd de 1980, no qual ele lança a base teórica para calcular a potência máxima possível de ser extraída por um avião ligado por um cabo. Depois de um hiato nos anos 90, o interesse na área foi retomado nos anos 2000 e 2010, com rápido crescimento e entrada e criação de várias empresas desenvolvendo as tecnologias necessárias, nas diversas áreas envolvidas.

A disponibilidade de energia em altas altitudes já é estudada há mais tempo por meteorologistas e climatologistas, e precede a concepção de energias capazes de coletar essa energia. Trabalhos detalhados que levam em conta mapas minuciosos dos regimes de ventos em diferentes altitudes estimam uma potência total possível de ser extraída de 400 TW, próximo à superfície, e 1800 TW ao longo de toda a camada atmosférica, dos quais mesmo estimativas conservadoras consideram 7.5 TW um valor seguro a ser extraído de maneira sustentável, sem causar mudanças climáticas ou variações nos regimes dos ventos. Isso representa uma parcela significativa do consumo mundial atual de energia, de 170 TW. Tais valores fomentaram a desenvolvimento da pesquisa na área, e a entrada de investimentos no que parece ser uma alternativa extremamente promissora para a geração de energia por recursos renováveis, com baixo custo.

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Figura 1: Conceito de AWE

1. Diferentes Topologias

Existem dois tipos de topologias básicas, Ground-GEN (ground generation) e Fly-GEN (flight generation), que podem ser divididos em ainda outras subcategorias.

A respeito do Ground-GEN: trata-se do modelo onde a energia elétrica é produzida no nível do chão através da exploração da força de tração que é transmitida através da aeronave para o gerador através de cabos.

Este modelo pode ser divido em outras duas subcategorias, a de estação fixa e de estação móvel:

No molde de estação fixa a conversão é feita através de um ciclo de duas fases; uma de geração (produção), no qual o vento carrega a aeronave e gira o rotor, e uma de recuperação onde uma pequena parte da energia é consumida para o retorno da aeronave, com o cabo se enrolando de volta no rotor, ou na saída do solo.