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Fundo

Uma turbina eólica é uma máquina que converte a energia cinética do vento em energia mecânica rotativa, que é então usada para fazer o trabalho. Nos modelos mais avançados, a energia rotativa é convertida em electricidade, a forma mais versátil de energia, através da utilização de um gerador.

Há milhares de anos que as pessoas usam moinhos de vento para bombear água ou moer grãos. Mesmo no século XX, turbinas eólicas esbeltas, multi-vanques, feitas inteiramente de metal, eram usadas em casas e ranchos americanos para bombear água para o sistema de canalização da casa ou para o bebedouro do gado. Após a Primeira Guerra Mundial, começaram a ser desenvolvidas turbinas eólicas que podiam produzir electricidade. Marcellus Jacobs inventou um protótipo em 1927 que podia fornecer energia para um rádio e algumas lâmpadas, mas pouco mais. Quando a demanda por eletricidade aumentou mais tarde, as pequenas e inadequadas turbinas eólicas de Jacobs caíram fora de uso.

A primeira turbina eólica de grande escala construída nos Estados Unidos foi concebida por Palmer Cosslett Putnam em 1934; ele a completou em 1941. A máquina era enorme. A torre tinha 36,6 metros (33,5 metros) de altura, e as suas duas lâminas de aço inoxidável tinham um diâmetro de 58 metros (53 metros). A turbina eólica de Putnam podia produzir 1.250 kilowatts de eletricidade, ou o suficiente para satisfazer as necessidades de uma pequena cidade. Foi, no entanto, abandonada em 1945 por causa de uma falha mecânica.

Com o embargo petrolífero dos anos 70, os Estados Unidos começaram mais uma vez a considerar a viabilidade de produzir eletricidade barata a partir de turbinas eólicas. Em 1975, o protótipo Mod-O estava em funcionamento. Esta era uma turbina de 100 kilowatts com duas pás de 21 jardas (19 metros). Seguiram-se mais protótipos (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, etc.), cada um maior e mais potente do que o anterior. Atualmente, o Departamento de Energia dos Estados Unidos pretende ir além dos 3.200 kilowatts por máquina.

Existem muitos modelos diferentes de turbinas eólicas, sendo o mais marcante o eixo vertical Darrieus, que tem a forma de um batedor de ovos. O modelo mais apoiado pelos fabricantes comerciais, no entanto, é uma turbina de eixo horizontal, com uma capacidade de cerca de 100 kilowatts e três lâminas de não mais de 33 jardas (30 metros) de comprimento. As turbinas eólicas com três pás giram mais suavemente e são mais fáceis de equilibrar do que aquelas com duas lâminas. Além disso, enquanto as turbinas eólicas maiores produzem mais energia, os modelos menores têm menos probabilidade de sofrer grandes falhas mecânicas e, portanto, são mais econômicos de manter.

Os parques eólicos surgiram em todos os Estados Unidos, mais notadamente na Califórnia. Os parques eólicos são enormes conjuntos de turbinas eólicas instaladas em áreas de produção eólica favorável. O grande número de turbinas eólicas interconectadas é necessário para produzir eletricidade suficiente para atender às necessidades de uma população considerável. Atualmente, 17.000 turbinas eólicas em parques eólicos pertencentes a várias empresas de energia eólica produzem anualmente 3,7 bilhões de kilowatt-hora de eletricidade, o suficiente para satisfazer as necessidades energéticas de 500.000 lares.

Matérias-primas

Uma turbina eólica é composta por três partes básicas: a torre, a nacela e as pás do rotor. A torre é uma torre de malha de aço semelhante a torres elétricas ou uma torre tubular de aço com uma escada interna para a nacele.

O primeiro passo na construção de uma turbina eólica é erguer a torre. Embora as peças de aço da torre sejam fabricadas fora do local numa fábrica, normalmente são montadas no local. As peças são aparafusadas juntas antes da montagem, e a torre é mantida na horizontal até a colocação. Uma grua levanta a torre na posição, todos os parafusos são apertados e a estabilidade é testada após a conclusão.
Próximo, a nacele de fibra de vidro é instalada. Seu funcionamento interno – eixo principal de acionamento, caixa de engrenagens e controles de passo e guinada das pás – são montados e montados em uma estrutura de base em uma fábrica. A nacela é então aparafusada ao redor do equipamento. No local, a nacele é içada sobre a torre completa e aparafusada no lugar.

A maior parte das torres não tem tipos, que são cabos utilizados como suporte, e a maior parte é feita de aço que foi revestido com uma liga de zinco para proteção, embora alguns sejam pintados em seu lugar. A torre de uma turbina típica americana tem aproximadamente 80 pés de altura e pesa cerca de 19.000 libras.

A nacela é uma concha forte e oca que contém o funcionamento interno da turbina eólica. Normalmente feita de fibra de vidro, a nacele contém o eixo de transmissão principal e a caixa de engrenagens. Também contém o controle do passo das pás, um sistema hidráulico que controla o ângulo das pás, e o acionamento do guincho, que controla a posição da turbina em relação ao vento. O gerador e os controles eletrônicos são equipamentos padrão, cujos componentes principais são o aço e o cobre. Uma nacela típica para uma turbina de corrente pesa aproximadamente 22.000 libras.

O uso mais diversificado de materiais e a maior experimentação com novos materiais ocorre com as pás. Embora o material mais dominante utilizado para as pás nas turbinas eólicas comerciais seja a fibra de vidro com núcleo oco, outros materiais em uso incluem madeiras leves e alumínio. As lâminas de madeira são sólidas, mas a maioria das lâminas consiste de uma pele que envolve um núcleo que é oco ou preenchido com uma substância leve, como espuma plástica ou favo de mel, ou madeira balsa. Uma lâmina típica de fibra de vidro tem cerca de 15 metros de comprimento e pesa aproximadamente 2.500 libras.

As turbinas eólicas também incluem uma caixa de utilidades, que converte a energia eólica em eletricidade e que está localizada na base da torre. Vários cabos conectam a caixa de utilidades à nacela, enquanto outros conectam toda a turbina a turbinas próximas e a um transformador.

O Processo de Fabricação

Antes de se considerar a construção de turbinas eólicas individuais, os fabricantes devem determinar uma área adequada para a localização dos parques eólicos. Os ventos devem ser consistentes, e sua velocidade deve ser regularmente superior a 15,5 milhas por hora (25 quilômetros por hora). Se os ventos são mais fortes durante certas estações, é preferível que sejam maiores durante os períodos de máxima utilização de electricidade. No Altamont Pass, na Califórnia, por exemplo, local do maior parque eólico do mundo, a velocidade do vento atinge picos no verão, quando a demanda é alta. Em algumas áreas da Nova Inglaterra onde os parques eólicos estão sendo considerados, os ventos são mais fortes no inverno, quando a necessidade de

A nacela é uma casca forte e oca que contém o funcionamento interno da turbina eólica, como o eixo de acionamento principal e a caixa de engrenagens. Ela também contém o controle do passo das pás, um sistema hidráulico que controla o ângulo das pás e o acionamento do guincho, que controla a posição da turbina em relação ao vento. Uma nacela típica para uma turbina de corrente pesa aproximadamente 22.000 libras.

aquecimento aumenta o consumo de energia elétrica. Os parques eólicos funcionam melhor em áreas abertas de terrenos ligeiramente ondulados rodeados por montanhas. Essas áreas são preferidas porque as turbinas eólicas podem ser colocadas em canteiros e permanecer desobstruídas por árvores e edifícios, e as montanhas concentram o fluxo de ar, criando um túnel de vento natural de ventos mais fortes e rápidos. Os parques eólicos também devem ser colocados perto das linhas de abastecimento para facilitar a transferência da electricidade para a central eléctrica local.

Preparando o local

• 1 Onde quer que um parque eólico seja construído, as estradas são cortadas para dar lugar ao transporte de peças. Em cada localização de turbina eólica, o terreno é classificado e a área da almofada é nivelada. Em seguida, uma fundação de concreto é colocada no solo, seguida da instalação dos cabos subterrâneos. Estes cabos ligam as turbinas eólicas entre si em série, e também ligam todas elas ao centro de controle remoto, onde o parque eólico é monitorado e a eletricidade é enviada para a companhia elétrica.

Correção da torre

• 2 Embora as peças de aço da torre sejam fabricadas fora do local em uma fábrica, elas são normalmente montadas no local. As peças são aparafusadas antes da montagem, e a torre é mantida na horizontal até à sua colocação. Uma grua levanta a torre na posição, todos os parafusos são apertados, e a estabilidade é testada após a conclusão.

Nacele

• 3 A nacele de fibra de vidro, tal como a torre, é fabricada fora do local, numa fábrica. Ao contrário da torre, no entanto, ela também é montada na fábrica. O seu funcionamento interno – eixo de transmissão principal, caixa de velocidades e controles de passo e guinada da pá – são montados e depois montados sobre uma estrutura de base. A nacela é então aparafusada
  

  A caixa de serviço para cada turbina eólica e o sistema de comunicação elétrica para o parque eólico é instalado simultaneamente com a colocação da nacela e das pás. Os cabos vão da nacela para a caixa de utilidades e da caixa de utilidades para o centro de controle remoto.

  ao redor do equipamento. No local, a nacela é levantada na torre completa e aparafusada no lugar.

Pás rotativas

• 4 Pás de alumínio são criadas por placas de alumínio aparafusadas juntas, enquanto as pás de madeira são esculpidas para formar uma hélice aerodinâmica semelhante em secção transversal a uma asa de avião.
• 5 De longe o maior número de pás, porém, são formadas a partir de fibra de vidro. O fabrico de fibra de vidro é uma operação meticulosa. Primeiro, é preparado um molde que está em duas metades, como uma concha de amêijoa, mas com a forma de uma lâmina. Em seguida, uma mistura composta de fibra de vidro e resina é aplicada nas superfícies internas do molde, que depois é fechado. A mistura de fibra de vidro deve então secar por várias horas; enquanto isso, uma bexiga cheia de ar dentro do molde ajuda a lâmina a manter sua forma. Depois que a fibra de vidro estiver seca, o molde é então aberto e a bexiga é removida. A preparação final da lâmina envolve limpeza, lixamento, selagem das duas metades e pintura.
• 6 As lâminas são normalmente aparafusadas na nacele depois de colocada na torre. Como a montagem é mais fácil de realizar no solo, ocasionalmente uma lâmina de três pás tem duas lâminas aparafusadas na nacele antes de ser levantada, e a terceira lâmina é aparafusada após a nacele estar no lugar.

Instalação de sistemas de controle

• 7 A caixa de serviço para cada turbina eólica e o sistema de comunicação elétrica para o parque eólico é instalado simultaneamente com a colocação da nacela e das pás. Os cabos vão da nacela para a caixa de utilidades e da caixa de utilidades para o centro de controle remoto.

Controle de Qualidade

Ao contrário da maioria dos processos de fabricação, a produção de turbinas eólicas envolve muito pouca preocupação com o controle de qualidade. Como a produção em massa de turbinas eólicas é relativamente nova, não foram estabelecidos padrões. Agora estão sendo feitos esforços nesta área, tanto por parte do governo como dos fabricantes.

Enquanto as turbinas eólicas em serviço são contadas para trabalhar 90 por cento do tempo, muitas falhas estruturais ainda são encontradas, particularmente com as pás. As fissuras às vezes aparecem logo após a fabricação. Falhas mecânicas devido a erros de alinhamento e montagem são comuns. Os sensores elétricos frequentemente falham por causa de picos de energia. Os travões não hidráulicos tendem a ser fiáveis, mas os sistemas de travagem hidráulicos causam frequentemente problemas. Planos estão sendo desenvolvidos para usar a tecnologia existente para resolver essas dificuldades.

As turbinas eólicas têm horários de manutenção regulares a fim de minimizar as falhas. A cada três meses elas passam por uma inspeção, e a cada seis meses um grande check-up de manutenção é programado. Isto geralmente envolve a lubrificação das partes móveis e a verificação do nível de óleo na caixa de engrenagens. Também é possível para um trabalhador testar o sistema elétrico no local e anotar quaisquer problemas com o gerador ou engates.

Benefícios e inconvenientes ambientais

Uma turbina eólica que produz electricidade a partir de ventos inexauríveis não cria poluição. Em comparação, carvão, petróleo e gás natural produzem um a dois quilos de dióxido de carbono (uma emissão que contribui para o efeito estufa e aquecimento global) por quilowatt-hora produzida. Quando a energia eólica é utilizada para necessidades eléctricas, a dependência dos combustíveis fósseis para este fim é reduzida. A atual produção anual de eletricidade por turbinas eólicas (3,7 bilhões de kilowatt-hora) é equivalente a quatro milhões de barris de petróleo ou um milhão de toneladas de carvão.

As turbinas eólicas não estão completamente livres de inconvenientes ambientais. Muitas pessoas as consideram inestéticas, especialmente quando enormes parques eólicos são construídos perto de áreas selvagens imaculadas. Mortes de pássaros têm sido documentadas, e as pás rodopiantes produzem bastante ruído. Os esforços para reduzir esses efeitos incluem a seleção de locais que não coincidem com áreas silvestres ou rotas de migração de aves e a pesquisa de formas de reduzir o ruído.

O Futuro

O futuro só pode melhorar para as turbinas eólicas. O potencial da energia eólica está em grande parte inexplorado. O Departamento de Energia dos Estados Unidos estima que dez vezes a quantidade de eletricidade atualmente sendo produzida pode ser alcançada até 1995. Até 2005, setenta vezes a produção atual é possível. Se isso for conseguido, as turbinas eólicas representariam 10% da produção de eletricidade dos Estados Unidos.

Está sendo feita agora uma pesquisa para aumentar o conhecimento dos recursos eólicos. Isto envolve o teste de mais e mais áreas para a possibilidade de colocar parques eólicos onde o vento é confiável e forte. Planos estão em vigor para aumentar a vida útil da máquina de cinco anos para 20 a 30 anos, melhorar a eficiência das pás, proporcionar melhores controles, desenvolver trens de tração que durem mais tempo e permitir uma melhor proteção contra picos e aterramento. O Departamento de Energia dos Estados Unidos estabeleceu recentemente um cronograma para implementar as últimas pesquisas a fim de construir turbinas eólicas com um grau de eficiência maior do que o agora possível. (A eficiência de uma turbina eólica ideal é de 59,3 por cento. Ou seja, 59,3 por cento da energia eólica pode ser capturada. As turbinas em uso real são cerca de 30 por cento eficientes). O Departamento de Energia dos Estados Unidos também contratou três corporações para pesquisar formas de reduzir falhas mecânicas. Este projeto começou na primavera de 1992 e vai se estender até o final do século.

As turbinas eólicas tornar-se-ão mais prevalecentes nos próximos anos. O maior fabricante de turbinas eólicas do mundo, U.S. Windpower, planeja expandir a capacidade de 420 megawatts (4.200 máquinas) para 800 megawatts (8.000 máquinas) até 1995. Eles planejam ter 2.000 megawatts (20.000 máquinas) até o ano 2000. Outros fabricantes de turbinas eólicas também planejam aumentar os números produzidos. Comitês internacionais compostos por várias nações industrializadas se formaram para discutir o potencial das turbinas eólicas. Também estão sendo feitos esforços para fornecer aos países em desenvolvimento pequenas turbinas eólicas semelhantes às de Marcellus Jacobs construídas na década de 1920. A Dinamarca, que já produz 70 a 80 por cento da energia eólica da Europa, está desenvolvendo planos para expandir a fabricação de turbinas eólicas. A virada do século deve ver turbinas eólicas que são devidamente colocadas, eficientes, duráveis e numerosas.