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Uma análise detalhada da curva de potência de uma turbina eólica instalada em um ambiente urbano, de acordo com a norma internacional iec 61400-12-1. O estudo abrange a caracterização do desempenho da turbina antes e após a extensão do leme, bem como a estimativa da produção anual de energia. O documento também discute as mudanças significativas na velocidade e direção do vento em ambientes urbanos, que afetam a previsibilidade do potencial eólico. Além disso, são abordados os sistemas de orientação de pequenas turbinas eólicas e os requisitos para a validação dos resultados da avaliação da curva de potência. O documento fornece informações valiosas sobre os desafios e oportunidades relacionados à implantação de turbinas eólicas em áreas urbanas.
Tipologia: Resumos
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Dedicatória
Eu dedico essa dissertação a todas as pessoas que sofreram perdas de entes queridos na pandemia do COVID19 e em especial a todas as crianças que são a esperança de um mundo melhor.
Que sejamos sábios na busca de melhorar cada vez mais o nosso planeta, para que possamos deixar uma boa herança para a futura geração. Até porque na vida existe o inteligente e o sábio, o inteligente aprende com os próprios erros e o sábio aprende com os erros dos outros.
Resumo
Esta dissertação concentrou-se em contribuir para a resolução do problema do desenho, conceção e teste da extensão/modificação do Leme da HAWT com vista a melhoria do seu desempenho. Foi feita a análise e verificação da curva de potência da turbina eólica de acordo com a norma internacional IEC 614000-12-1, em ambiente urbano real, e feita comparação com a curva de potência da turbina antes da extensão do Leme. Como resultado, e após substituição do leme original, podemos observar um aumento inicial da curva de potência até um certo valor de velocidade do vento com posterior declínio da sua eficiência, acabando por deixar de gerar potência. Em comparação com o design original do Leme, verificou-se uma estabilidade ligeiramente melhor da turbina. Foi ainda possível determinar experimentalmente a curva de potência deste modelo de turbina. Após análise das tabelas e gráficos verificou-se que a curva de potência manteve-se semelhante a campanha anterior, porém houve uma melhoria significativa no coeficiente de potência (Cp) e na Potência Anual de Energia (PAE). Ainda assim, após a realização dps testes, concluiu-se, que o Leme atual da T.Urban H2.5, com a sua extensão, não está suficientemente eficiente, para este design de leme, a estética e eficiência não se complementam.
Palavras-chave: curva de potência; leme; turbinas eólicas; ambiente urbano; design ; eficiência.
Abstract
This dissertation focused on contributing to the problem solving of the design, conception and testing of the HAWT rudder extension/modification to improve its performance. The analysis and verification of the wind turbine power curve according to the international standard IEC 614000-12- was performed in a real urban environment, and comparison was made with the turbine power curve before the rudder extension. As a result, and after replacement of the original rudder, we can observe an initial increase in the power curve up to a certain wind speed value with subsequent decline in its efficiency, eventually ceasing to generate power. Compared to the original rudder design, there was a slightly better stability of the turbine. It was also possible to experimentally determine the power curve of this turbine model. After analyzing the tables and graphs it was found that the power curve remained similar to the previous campaign, but there was a significant improvement in the power coefficient and the Annual Power Output (APE). Even so, after carrying out tests, it was concluded that the current rudder of the T.Urban H2.5, with its extension, is not efficient enough, for this design of rudder, aesthetics and efficiency do not complement each other.
Keywords: power curve; rudder, wind turbines; urban environment; design; efficiency.
Lista de Tabelas
Lista de Figuras Figura 2.1: Marcellus Jacobs numa micro-turbina (diâmetro do rotor de cerca de 4 m, potência nominal de 1,8 a 3 kW), 1932 [19]. .................................................................................................................................. 12 Figura 2.2: Instalação remota de uma pequena turbina eólica numa propriedade privada na Dinamarca, 1985 [20]. ...................................................................................................................................................... 13 Figura 2.3: Capacidade de geração de energia eólica global e adição anual [25]. ........................................ 14 Figura 2.4: Percentagem da geração de eletricidade dos países, a partir das energias renováveis variáveis em 2019 [25]. ................................................................................................................................................ 15 Figura 2.5: Turbina eólica de eixo vertical tipo Darrieus [27]. ...................................................................... 15 Figura 2.6: Turbina eólica de eixo vertical modelo Savonius [28]. ................................................................ 16 Figura 2.7: Turbina eólica híbrida Darrieus-Savonius [29]. ........................................................................... 16 Figura 2.8: Turbina eólica de eixo horizontal [30]. ........................................................................................ 16 Figura 2.9: Tipologia da turbina eólica de vento frontal (upwind) e a favor do vento (downwind) [32]...... 17 Figura 2.10: Componentes de uma pequena turbina eólica de eixo horizontal [36]. ................................... 17 Figura 2.11: Sistema hibrido off-grid [39]. .................................................................................................... 18 Figura 2.12: (a) Sistema híbrido, 2400W turbinas eólicas, módulos solares de 4000W, ilha de Írje, Croácia [42] e (b) o maior parque eólico de telhado do mundo com capacidade teórica de 81 kW em Oklahoma City, EUA [43]. ............................................................................................................................................... 19 Figura 3.13: Disco baseado no atuador de Rankie-Froude [49] .................................................................... 20 Figura 3.14: A curva de variação do coeficiente de potência do rotor (Cp) e velocidade específica na ponta da pá (λ), em diferentes tipos de turbinas eólicas [52]. ................................................................................ 21 Figura 3.15: Efeito da mudança da rugosidade da superfície lisa para rugosa [15]...................................... 25 Figura 4.16: Sistema de controlo de afastamento ........................................................................................ 29 Figura 4.17: Leme operado por gravidade .................................................................................................... 30 Figura 4.18: Sistema basculante.................................................................................................................... 30 Figura 4.19: Sistema basculante sem mola [48]............................................................................................ 31 Figura 5.20: Instalação experimental da turbina com os mastros acoplados. .............................................. 35 Figura 6.21: Desenhos iniciais do protótipo T.Urban H2.5 feitos em CAD/CAM [68]. .................................. 36 Figura 6.22: (c) nacela mais o Leme e (d) a pá do rotor [68]......................................................................... 36 Figura 7.23: Localização do LNEG - edifício C campus do Lumiar em Lisboa (Google maps). ....................... 38 Figura 7.24: Local exato em que a T.Urban H2.5 está instalada e sua distância aos obstáculos. ................. 38 Figura 7.25: Obstáculos significativos no local de instalação da turbina no Lumiar, Lisboa. ........................ 40 Figura 7.26: Rosa-dos-ventos no local de instalação da turbina. .................................................................. 40 Figura 7.27: (e) estrutura interna gerador elétrico acoplado ao rotor, (f) T.Urban H2.5 instalada conforme as normas de segurança ................................................................................................................................ 41 Figura 7.28: Montagem com extensão de acrílico no Leme para aumentar sua área de contato. .............. 41 Figura 7.29: Dados de vento medido entre os dias 07 a 22 de Outubro de 2019. ....................................... 43 Figura 7.30: Dados de vento medidos do registador de dados durante a Campanha II. .............................. 43 Figura 7.31: Curva de Potência e Cp’s da T-Urban H2.5 usando dados Teóricos, Campanha I e Campanha II. ....................................................................................................................................................................... 46 Figura 7.32: Função de distribuição Weibull de probabilidade da velocidade do vento medida tendo em conta os obstáculos. ...................................................................................................................................... 47 Figura 7.33: :NEPS e Factor de Capacidade da curva de potência medida utilizando dados da Campanha II ....................................................................................................................................................................... 47 Figura 8.34: Algumas ideias de formas para o sistema de orientação (leme) [48]. ...................................... 51
1. Introdução
1.1. Motivação
Nas últimas décadas, o desenvolvimento do aproveitamento da energia eólica em Portugal evoluiu de uma forma bastante acentuada. A energia renovável é atualmente a maior fonte de produção de energia dentro da UE em 2018 [1]. A Europa instalou 15,4 GW de nova capacidade de energia eólica em 2019. Isso é 27% maior do que 2018, mas 10% menos do que o recorde em 2017. A Europa tem agora 205 GW de capacidade eólica. E a energia do vento representou 15% da eletricidade que a UE- consumiu em 2019 [2]. Em 2002, foi publicado o Decreto-Lei n.º 68/2002, de 25 de Março que veio regular a microprodução de eletricidade em Portugal, como atividade de produção de eletricidade de baixa tensão, tendo a possibilidade de entrega de energia à rede elétrica pública. Assim, as pessoas poderiam produzir eletricidade maioritariamente para consumo próprio, mas com a possibilidade de entregar o excedente a terceiros ou à rede pública, sendo que no caso de ser entregue à rede pública, tem um limite de 150kW de potência [3]. Mais tarde, em 2007, através do Programa de Simplificação Administrativa e Legislativa SIMPLEX 2007, o Governo avançou com um regime simplificado aplicável à microprodução de eletricidade, regulamentado pelo Decreto-Lei nº363/2007, de 2 de Novembro. Este documento estabelece o Sistema de Registo da Microprodução (SRM) que permite a interação com os produtores através de uma plataforma eletrónica e onde passa a ser realizado todo o relacionamento com a Administração, necessário para exercer a atividade do microprodutor. Também prevê um regime simplificado de faturação e de relacionamento comercial. [4]. Através deste programa de incentivo governamental, estão abertas as portas para que cada consumidor de eletricidade (baixa tensão) se torne produtor de energia elétrica. Este plano de ação foi criado com o objetivo de uma tomada de consciência individual sobre a necessidade de defesa dos recursos naturais e eficiência energética, com rentabilização direta do valor investido [5]. Em 2019, este diploma foi revogado pelo Decreto-Lei nº162/2019, atualmente em vigor, que prevê um quadro normativo que permite aos autoconsumidores de energia renovável produzir, consumir, armazenar, partilhar e vender eletricidade sem serem confrontados com encargos desproporcionados [6]. É importante o papel da microgeração, pois diminui a potência de perdas na transmissão e distribuição de energia, diminui a sobrecarga da Rede Nacional de Transporte (RNT) e a necessidade de novos investimentos em linhas de transmissão, aliado ao aumento da eficiência energética, reduz a necessidade de novos centros produtores e por último, mas não menos importante, dá ao consumidor um papel ativo e fortemente motivador da sua “consciência energética sustentável”[7]. No âmbito de um projeto de Investigação e Desenvolvimento I&D com o objetivo de desenvolver tecnologia de microgeração eólica de elevada eficiência e baixa custo de produção, adaptada às características de operação em ambiente urbano, o Laboratório Nacional de Energia e Geologia (LNEG) concebeu e construiu dois protótipos de microturbinas eólicas de eixo horizontal com 6 metros de altura, diâmetro de 2.3m e potência nominal de 2.5 kW-T.Urban H2.5 [8]. O Leme dessa turbina, embora esteticamente adequado e tecnicamente concebido segundo princípios aerodinâmicos de alinhamento ao escoamento incidente, revelou um funcionamento adequado na maioria das situações, com exceção da operação sob regime de ventos fracos, infelizmente frequentes em ambientes urbanos. No primeiro protótipo, na altura requisitado para instalação nos jardins do palácio de S. Bento, e que ainda se encontra em operação, essa dificuldade foi resolvida aumentando a dimensão do Leme na direção longitudinal, e mantendo globalmente o seu design. Nesse sentido, e com base na experiência de operação do primeiro protótipo, verificou-se a necessidade proceder a adaptações do mesmo tipo no segundo protótipo, atualmente equipado com o Leme original. Assim, pretendem-se introduzir modificações ao desenho desse Leme visando um formato de construção mais simples e simultaneamente adequado às características do escoamento
urbano. O impacto dessas modificações na curva de potência será por fim avaliado, por aplicação da norma International Electrotechnical Commission – IEC 61400-12.1 [9]. Atualmente, a microturbina T.Urban H2.5 encontra-se instalada na cobertura do Edifício C do LNEG (Campus do Lumiar), local onde serão efetuados os testes (Campanha II) de novas configurações do Leme e onde a mesma é monitorizada. Investigações aprofundadas descobriram que a turbulência é um grande problema para a operação efetiva de turbinas eólicas, em especial para as de eixo horizontal- Horizontal Axis Wind Turbine - (HAWTs) montadas dentro de um ambiente urbano. Suas pás podem ter excelente eficiência aerodinâmica para extrair a energia do vento, mas são projetadas para operar em fluxo turbulento. Seu desempenho aerodinâmico degrada à medida que a turbulência aumenta devido à inércia rotacional das pás giratórias, restringindo a capacidade das turbinas de enfrentar uma direção do vento em constante mudança. Níveis mais altos de turbulência reduzem a saída elétrica da turbina e aumentam a necessidade de manutenção e consequentemente, reduzem a sua vida útil da máquina [10]. Um dos objetivos desta investigação é verificar em que medida a turbulência afeta a operação das turbinas eólicas, e medir com precisão a variação no ângulo de incidência do vento que se aproxima ao rotor. Será feito um estudo de como a turbulência é medida, os valores típicos de turbulência para o ambiente urbano e que tipo de Leme se adequa melhor ao aerogerador T.Urban H2.5 [11].
1.2. Objetivo do projeto
Como o processo natural em todas áreas de ciência, o objetivo principal é o desenvolvimento de novas técnicas, produtos e serviços que visem a obtenção de processos eficientes e rentáveis. Para tal, e no caso em análise neste trabalho, os objetivos definidos são os seguintes:
Desenho, concepção e teste da extensão/modificação do Leme da turbina eólica com vista a melhoria do seu desempenho;
Análise e verificação da curva de potência da microturbina eólica T.Urban H2. (equipada com novo sistema de orientação), de acordo com a norma IEC 614000- 12 - 1, em ambiente urbano real.
1.3. Organização da dissertação
Este documento está organizado da seguinte forma:
No capítulo 1 é feita uma apresentação e o enquadramento do problema; No capítulo 2 apresenta-se o estado da arte referente à tecnologia eólica e estudo do vento em ambientes urbanos; No capítulo 3 é exposta a parte teórica do estudo do vento e a estimativa de produção anual de energia; No capítulo 4 apresenta-se o estudo de sistemas de orientação de pequenas turbinas eólicas; No capítulo 5 é descrita a metodologia e as campanhas experimentais realizadas no âmbito deste trabalho; No capítulo 6 é abordado o histórico do projeto T.Urban H2.5 e apresentada a sua ficha técnica; No capítulo 7 é descrito o procedimento experimental, a aplicação da metodologia e os resultados obtidos; No capítulo 8 apresenta-se a discussão dos resultados obtidos, a comparação dos mesmos antes e depois da extensão do leme, e, as conclusões a retirar dos mesmos.
Figura 2.2: Instalação remota de uma pequena turbina eólica numa propriedade privada na Dinamarca, 1985 [20]. Algumas pequenas e médias empresas na Dinamarca, ativas no fabrico de máquinas agrícolas (por exemplo Vestas), ou em alguns outros campos da construção de máquinas e equipamentos simples, aproveitaram a oportunidade e começaram a construir pequenas turbinas eólicas (PTEs). Na Dinamarca, os aerogeradores não eram apenas operados por utilizadores individuais de energia elétrica. Muitas turbinas ou pequenos grupos de turbinas foram construídas e operadas como "instalações comunitárias" pelas associações de consumidores. Isto facilitou a organização do financiamento e das normas legais na Dinamarca, que não apresentavam obstáculos a esta forma de abastecimento de energia elétrica.
Tempos atuais As Nações Unidas, num artigo publicado pelo seu Departamento de Assuntos Económicos e Sociais, afirmam que "em 2016, estima-se que 54,5% da população mundial vivia em áreas urbanas. Até 2030, as áreas urbanas deverão abrigar 60% da população mundial e uma em cada três pessoas viverá em cidades com pelo menos meio milhão de habitantes" [21]. A produção de energia eólica é considerada há muitos anos como não promissora nas zonas urbanas e semi-urbanas, devido a condições de "vento insuficiente" - a turbulência existente nos obstáculos ao redor e vento com pouca velocidade - e vários aspectos relacionados com a improvável correspondência entre a vida urbana e o funcionamento das turbinas eólicas. No entanto, espera-se que o mercado global de PTEs cresça 20,2% até 2022 [22], e vários artigos científicos recentemente publicados apontam no sentido de superar os desafios ligados às condições eólicas urbanas e semi- urbanas através de desenhos melhorados e inovadores de turbinas eólicas [22], [23]. O mercado mundial das pequenas turbinas eólicas está a crescer a um ritmo mais lento. Após uma recuperação durante 2014, o mercado mundial de PTEs ultrapassou o pequeno crescimento de 2015 em termos de unidades, de crescimento significativo e em termos de instalações. Os principais mercados, China, EUA e Reino Unido, sofreram um decréscimo no número de unidades instaladas por ano. Um novo gigante no setor das PTEs, o mercado italiano, "salvou o dia" (praticamente salvou o ano) para muitos no setor. A partir do final de 2015, um total acumulado de pelo menos 990.000 PTEs foram instaladas em todo o mundo. Isto representa um aumento de 5% (8% em 2014 e 7% em 2013) em comparação com o ano anterior, quando foram registadas 944.000 unidades. A China lidera o mercado em termos de unidades instaladas. Foram adicionadas 43.000 unidades em 2015. Cerca de 20.000 menos do que em 2014, atingindo 732.000 unidades que foram instaladas até ao final de 2015. O mercado chinês representa agora quase 74% do mercado mundial em termos de total de unidades instaladas e 93% das novas instalações em 2015. A indústria das PTEs nos EUA registou um número de novas instalações semelhante ao do ano anterior. Foram vendidas 1695 unidades durante 2015, mais 95 do que em 2014. Os EUA são o segundo
maior mercado com um total acumulado de 160.995 unidades instaladas, claramente muito atrás da China, mas muito à frente de vários mercados de PTEs no mundo. A Itália tornou-se o mais importante mercado mundial de turbinas eólicas médias, especialmente para a gama superior a 50 kW, uma vez que foram instaladas 115 novas PTEs durante o ano de 2015. Alemanha, Canadá, Japão e Argentina são todos mercados de média dimensão com um número total de PTEs entre 7000 e 14.500 unidades [22], [23], [24]. Uma parte da estratégia para manter o desenvolvimento do setor da energia eólica a um nível elevado é alcançar projetos de turbinas eólicas suficientemente eficientes para superar as condições de vento reduzido. Como os locais de vento com velocidade media a elevada permitem a oportunidade de gerar grandes quantidades de eletricidade e tornar rentável o investimento em turbinas eólicas em grande escala, o mercado das PTEs parece condenado a lidar com condições de "maus ventos". No entanto, isto não significa necessariamente que não tenham possibilidades [22].
A utilização da energia eólica
Com as constantes inovações na indústria eólica nos últimos anos, o crescimento da capacidade instalada mundial é evidente. Como pode ser visto na Figura 2.3, de 2008 a 2018 a capacidade instalada de energia eólica em todo o mundo cresceu cerca de 500%, atingindo a marca de 591 GW em 2018. A capacidade de geração de energia eólica é ligeiramente superior à solar. Possui instalações estáveis e preços em queda devido à concorrência. O sucesso da energia eólica offshore na Europa despertou interesse [13], [25].
Figura 2.3: Capacidade de geração de energia eólica global e adição anual [25]. Segundo a organização GWEC (Global Wind Energy Concil), estima-se que em 2021 a capacidade instalada mundial de energia eólica chegará a 760 GW, chegando a 3300 GW em 2030, o que representaria um crescimento de quase 3000% entre 2008 e 2030 [25].
Outro fato interessante da GWEC é que em 2012 pelo menos 225.000 turbinas eólicas já estavam em operação em 80 países em todo o mundo. Além disso, em 2012 essa energia já supria 2,6% da demanda global de eletricidade, com previsão de chegar a 12% em 2020 e 30% em 2050. Outro fator interessante é que na Austrália a energia eólica já é mais barata em comparação com combustíveis fósseis [25].
Todos esses fatores revelam que em pouco tempo a energia eólica será uma das mais importantes fontes de eletricidade do planeta, reafirmando a importância do seu desenvolvimento.
Em 2019, dados extraídos do Relatório de Status Global of Renewables 2019 , a Dinamarca está disparando com o maior percentual de produção de eletricidade de energias renováveis variáveis, com 56% da geração de energia proveniente do vento. Portugal aparece em 5º lugar no ranking com 27% da sua capacidade gerada a partir da energia eólica, conforme ilustrado na Figura 2.4 [25].
Figura 2.6: Turbina eólica de eixo vertical modelo Savonius [28].
Existe também um tipo de turbina eólica de eixo vertical híbrido, Darrieus-Savonius, que une as duas tecnologias no mesmo eixo, como pode ser visto na Figura 2.7.
Figura 2.7: Turbina eólica híbrida Darrieus-Savonius [29].
Turbina eólica de eixo horizontal
As turbinas eólicas de eixo horizontal baseiam-se nos conceitos de operação dos moinhos de vento, com um rotor conectado a um gerador/motor elétrico. Sua aparência é mostrada na Figura 2.8.
Figura 2.8: Turbina eólica de eixo horizontal [30]. É o tipo de turbina mais difundida na produção de energia elétrica, porque possui melhor aerodinâmica e eficiência. Uma propriedade interessante deste tipo de aerogerador é que pode ter desde uma única pá até várias pás, sendo três as mais comuns, devido à sua melhor relação custo-benefício, estabilidade estrutural e aspeto.
Este tipo de turbina eólica divide-se em turbinas de barlavento ( upwind ), quando o vento apanha os rotores pela frente, ou a sotavento ( downwind ), quando o vento bate na parte de trás das pás, como se mostra na Figura 2.9 [31].
Figura 2.9: Tipologia da turbina eólica de vento frontal (upwind) e a favor do vento (downwind) [32]. Nas turbinas upwind , o vento atinge a área de varrimento do rotor pela frente da turbina, a esteira de escoamento das pás causa esforços vibratórios na torre. Sua principal vantagem consiste em evitar a perturbação provocada pela torre com o vento. Devido a este fato, a maioria das turbinas eólicas usadas hoje são upwind. As desvantagens dessas turbinas são a passagem periódica das pás pela torre, que provocam pulsações de binário no aerogerador e a necessidade do sistema de orientação (Leme), o que provoca uma carga maior na torre em comparação com as turbinas downwind , com sistemas eólicos passivos, que precisam dos mecanismos de orientação do rotor com o fluxo de vento [33], [34].
2.3. Componentes de uma pequena turbina eólica de eixo horizontal
Dentre os principais componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal, estão o rotor, as pás, a nacela, o gerador elétrico, a torre de sustentação (torre suporte) e o sistema de orientação, como especificado na Figura 2.10 [35].
Figura 2.10: Componentes de uma pequena turbina eólica de eixo horizontal [36]. Cada um desses componentes é de grande importância para o funcionamento da turbina como um todo, de acordo com suas respectivas funções.
O rotor é o elemento responsável pela conversão da energia cinética do vento em energia mecânica. As pás da turbina são fixadas no rotor para capturar o vento, transferindo a sua potência mecânica para o eixo do gerador elétrico, que por sua vez transforma a energia mecânica em energia elétrica[37], [38].
A nacela é um espaço que aloja os principais elementos da turbina, tais como o gerador elétrico, as engrenagens (se houver), os rolamentos, o eixo e os sensores. Sua função é de os proteger das intempéries e melhorar a aerodinâmica do conjunto. É montado no topo da torre, um componente encarregado de elevar o conjunto até à altura de funcionamento do projeto [37], [38]
durante os períodos sem carregamento. Os bancos de baterias são tipicamente dimensionados para abastecer a carga elétrica durante 1 a 3 dias [40]. Um sistema híbrido fora da rede pode ser prático se: A instalação for numa área com uma velocidade média anual do vento de pelo menos 4 m/s. Não existe ligação à rede elétrica ou só pode ser feita através de uma extensão cara. Objetivo é obter independência energética do serviço público. O intuito é de gerar energia limpa.
Turbinas eólicas em ambiente urbano
O ambiente urbano pode ser um local interessante para a instalação de turbinas de baixa potência, como por exemplo em instalações em edifícios para a produção de electricidade. Os edifícios de grande altura (ex. arranha-céus ou torres) atingem regiões de velocidade elevada na camada limite atmosférica, o que pode ser bastante vantajoso para estas aplicações. A produção de energia eólica urbana elimina a necessidade de longas linhas de transmissão para o transporte da energia produzida e consequentemente, as perdas relacionadas com o transporte de energia são canceladas [41]. A Figura 2.12 abaixo, mostra potenciais aplicações de PTEs em ambiente urbano.
(a) (b) Figura 2.12: (a) Sistema híbrido, 2400W turbinas eólicas, módulos solares de 4000W, ilha de Írje, Croácia [42] e (b) o maior parque eólico de telhado do mundo com capacidade teórica de 81 kW em Oklahoma City, EUA [43]. A produção de energia em ambiente urbano é muito mais baixa do que em ambiente aberto, rural e áreas offshore. Isso se deve ao menor potencial de vento, a mudanças erráticas na direção do vento e elevada intensidade da turbulência. Mudanças significativas na velocidade e direção do vento também reduzem a previsibilidade do potencial eólico na zona urbanizada [44]. Há algumas recomendações que devem ser tidas em conta na escolha de um local para colocar uma turbina eólica num ambiente urbano, tal como a importância da altura do edifício no que diz respeito às obstruções circundantes e a influência da subida do vento local. Para além dos constrangimentos técnicos, as questões socioeconómicas e os processos administrativos devem ser tidos em conta durante o planeamento, embora estas restrições estejam dependentes do país considerado [44]. O recurso eólico no ambiente urbano é complexo, pois o fluxo é fortemente influenciado pela topografia, mudanças de temperatura e devido à natureza dinâmica do ambiente. No final, esta complexidade reduz o rendimento que pode ser gerado em ambiente urbano e cria diferentes desafios para a geração de energia a partir do vento [45]. As PTEs têm um custo de investimento inicial muito mais elevado em comparação com as grandes turbinas eólicas onshore e offshore por kW de capacidade instalada [39]. Além disso, as grandes turbinas eólicas teriam sempre melhor desempenho do que as turbinas eólicas localizadas em ambiente urbano, uma vez que há uma grande diferença no potencial eólico. No entanto, o custo das pequenas turbinas para os ambientes urbanos deverá diminuir com o aumento da produção e o avanço da investigação e tecnologia [46].
3. Base teórica
3.1. Energia do vento
A energia eólica é a energia cinética do ar em movimento. Portanto, a equação da energia do vento pode ser derivada da equação da energia cinética [20].
𝐸 =
Onde E é a energia cinética em Joule, 𝑚 é a massa do corpo em kg e 𝑣 é a velocidade do vento em m/s. Na pratica, a energia cinética aumenta com o quadrado da velocidade do vento. Se verificar como essa energia cinetica varia com o passar do tempo, obtem então a potência. Isso é feito por meio do calculo da taxa da variação da função. Logo, a potência P disponível pelo vento é simplesmente a derivada da energia cinética para aquele intervalo de tempo:
A Figura 3.13 mostra a teoria do disco atuador de Rankine-Froude que determina a força axial e o coeficiente potência máxima (turbina ideal):
Figura 3.13: Disco baseado no atuador de Rankie-Froude [49] Sendo F a força em Newton e 𝑚̇ a taxa de fluxo da massa (caudal mássico) através do raio do rotor R , V 1 a velocidade do fluxo não perturbado, V 2 a velocidade do fluxo através do rotor e V 3 sendo a velocidade da esteira. Supõe-se que V 2 é a "semi-soma" de V 1 e V 3. A energia eólica é obtida como energia por segundo a partir da equação acima substituindo a massa por velocidade e densidade (ρ) [49], [50]. Para tornar a equação (3.3) mais “útil”, substitui o 𝑚 por ρA 𝑉 2 , resultando em:
Pincidente = 𝐸 𝑡 =^12 ρA 𝑉 13 (3.3)
Onde A é a área varrida do rotor em m^2 , V 1 é a velocidade do vento em m/s, ρ é a densidade em kg/m^3 e t é o tempo em segundos. Assim coeficiente de potência (Cp), na equação (3.4), é um parâmetro não dimensional usado para expressar a eficiência de uma turbina eólica:
