Uma turbina é uma máquina que converte a energia cinética de um fluido giratório em trabalho ou energia útil por meio de um sistema de rotor. Engrenagens mecânicas ou indução eletromagnética permitem que as turbinas gerem energia dessa forma. Existem diferentes tipos de turbinas, mas as predominantes são classificadas como turbinas eólicas de eixo horizontal e vertical. Neste artigo, você aprenderá tudo sobre turbinas eólicas de eixo horizontal, suas funções e também os tipos de turbinas eólicas de eixo horizontal.
O que é uma turbina eólica de eixo horizontal?
O tipo mais comum de turbina eólica em operação atualmente é a turbina eólica de eixo horizontal (HAWT). As HAWTs possuem um rotor com pás aerodinâmicas (ou seja, perfis aerodinâmicos) acopladas a ele; esse rotor pode estar voltado para o vento ou na direção oposta. As turbinas eólicas de alta altitude geralmente possuem duas ou três pás que giram em velocidades muito altas. As pás cônicas dos rotores voltados para o vento permitem que a turbina se oriente automaticamente em relação ao vento, mas os rotores voltados para o vento precisam de um aleta de guinada ou de cauda para ajudá-los a se orientar na direção correta. No entanto, observou-se que os rotores voltados para o vento tendem a oscilar quando se alinham com os ventos em baixas velocidades, resultando em menor produção de energia nessas velocidades.
HAWTs apresentam eixos montados horizontalmente que são perpendiculares ao solo. HAWTs, como VAWTs, podem ter duas ou três lâminas. Até o momento, o HAWT de três lâminas provou ser o design mais eficaz, no entanto, o rotor de duas lâminas e o rotor voltado para os modelos de vento tiveram algum sucesso. A turbina da nacela pode ficar voltada para o vento (na frente) ou para o vento (na parte de trás). Não há necessidade de um sistema de orientação mecânica em dispositivos a favor do vento porque eles sempre apontam na direção do vento. O balanço constante de rajadas de vento é a maior desvantagem, pois leva a mais cansaço. Agora vamos aprender sobre os tipos de turbinas eólicas de eixo horizontal.
Quais são os tipos de turbinas eólicas de eixo horizontal?
As turbinas eólicas de eixo horizontal têm um design realmente eficaz e são bem famosas no mercado. Como outras turbinas eólicas, também existem tipos de turbinas eólicas de eixo horizontal. Os tipos são os seguintes-
1. Turbina Upwind
O rotor de uma turbina eólica de eixo horizontal é instalado no topo da torre . O principal objetivo dessa turbina é impedir que o vento projete sombra na parte de trás da torre. Por ser rígida e estar recuada em relação à torre, essa configuração é atualmente empregada na maioria das turbinas eólicas de eixo horizontal.
2. Turbina a favor do vento
O rotor de uma turbina eólica de eixo vertical é posicionado na base da estrutura . Essa turbina específica direciona o vento primeiro em direção à torre e depois para as pás do rotor. Devido à passagem do rotor pela área de sombreamento da torre, essa turbina eólica experimenta algumas variações na potência do vento. Nesse caso, as flutuações na potência do vento são causadas pela posição do rotor atrás da nacela da torre. Isso deve ter ajudado você a entender os tipos de turbinas eólicas de eixo horizontal.
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Qual é o princípio de funcionamento de uma turbina eólica de eixo horizontal?
Após entendermos os tipos de turbinas eólicas de eixo horizontal, vamos também aprender sobre o princípio de funcionamento de uma turbina eólica de eixo horizontal. A energia eólica é convertida em torque pelo rotor , que é então transmitido a um eixo de baixa rotação. A nacela protege a caixa de engrenagens, o eixo de alta velocidade e o gerador que recebe a energia do eixo de baixa rotação. As pás são fixadas ao rotor e ao eixo. Este eixo é conhecido como eixo de baixa rotação porque o conjunto rotativo é girado pelo vento a uma velocidade moderada de apenas cerca de 10 a 20 rpm.
Para atingir a frequência de saída desejada de 60 Hz, o eixo de baixa velocidade é conectado à caixa de engrenagens, que possui um sistema de engrenagens que aumenta a velocidade de saída do eixo para aproximadamente 1,800 rpm (ou 1,500 rpm se a frequência for de 50 Hz). Por isso, o eixo que sai da caixa de engrenagens é frequentemente chamado de eixo de alta velocidade. Finalmente, o eixo de alta velocidade é acoplado ao gerador , que transforma o movimento rotativo em corrente alternada. Se essa velocidade for utilizada para girar o gerador diretamente, a frequência da corrente alternada de saída será precisamente proporcional à velocidade de rotação do gerador.
Turbinas eólicas de acionamento direto, por exemplo, normalmente usam um gerador CC em vez de CA, e não têm caixa de engrenagens. Não está claro se um conversor CA para CC faz parte delas (que pode ser localizado na base da torre). Um controlador lógico programável (PLC) ou computador é usado como controlador em turbinas industriais. As leituras do anemômetro são usadas pelo controlador, que então decide para qual lado a turbina eólica deve ficar, quanta energia ela deve reunir e se a turbina deve ou não acelerar durante ventos fortes. Esse é o princípio de funcionamento da turbina eólica de eixo horizontal. Depois disso, vamos explorar os componentes da turbina eólica de eixo horizontal.
O que são componentes de turbinas eólicas de eixo horizontal?
Os componentes de uma turbina eólica de eixo horizontal incluem uma base, torre, nacela, gerador, pás do rotor, cubo, eixo, caixas de engrenagens e anemômetros.
1. Base: A torre e outros componentes de uma turbina eólica pesam um número significativo de toneladas; portanto, precisam ser fixados com segurança a uma base sólida como rocha.
2. Torre: Uma estrutura alta que sustenta o cubo do rotor e a nacela. Elas podem ser fabricadas em treliça de aço, concreto ou aço tubular. Um aspecto fundamental do projeto de turbinas eólicas de eixo horizontal é a altura da torre. Aumentar a altura da torre permite que as turbinas absorvam mais energia eólica e produzam mais eletricidade, pois a velocidade do vento aumenta com a altitude. O aumento da altura de um sistema eólico geralmente resulta em uma maior geração de energia e também reduz a turbulência do vento.
3. Pás do Rotor: As pás das turbinas eólicas capturam a energia cinética do vento e a convertem em energia mecânica. Essas pás são construídas em madeira-epóxi ou poliéster reforçado com fibra de vidro. Dependendo do projeto, as turbinas eólicas podem ter uma única pá, um par de pás, três pás ou mais. As turbinas eólicas de eixo horizontal (HAWTs) com três pás são as mais comuns. Elas são fixadas ao cubo do rotor. No passado, a ideia de várias pás era utilizada para bombear água, moer alimentos e realizar outras tarefas.
4. Nacela: A nacela abriga os principais componentes da turbina. A caixa de engrenagens, os eixos de alta e baixa velocidade, o gerador, o controlador e os freios são instalados no topo da torre. A nacela é equipada com um anemômetro para medir a velocidade do vento e uma biruta para detectar a direção do vento.
5. Cubo: A conexão de uma pá do rotor ao eixo de uma turbina eólica requer um cubo de rotor. O conjunto do cubo é composto por cubo, parafusos, rolamentos da pá, sistema de passo e componentes internos. Aço, ferro e aço forjado são usados na produção de cubos de rotor, e o processo de soldagem é essencial. Aqui estão alguns exemplos de cubos de rotor:
6. Eixos: O eixo que transmite a potência para as rodas motrizes apresenta níveis de torque e tensão extremamente elevados, devido à sua construção em aço maciço ou oco. Com o uso de eixos de transmissão, a energia mecânica do cubo da pá pode ser enviada ao gerador, permitindo que ele converta o movimento rotativo em corrente elétrica. Normalmente, uma turbina eólica possui dois eixos.
7. Caixas de Engrenagens: O eixo de saída da caixa de engrenagens é acoplado ao gerador para transferir energia mecânica rotacional. A lei da indução eletromagnética de Faraday é o princípio fundamental de seu funcionamento. Trata-se de um dispositivo que produz eletricidade a partir de energia mecânica. No caso de turbinas eólicas, existem alguns tipos distintos de caixas de engrenagens: Transmissão Planetária, Caixa de Engrenagens Helicoidais e Transmissão com Engrenagens Sem-Fim para turbina.
8. Anemômetros: A magnitude da energia cinética do vento depende em grande parte de sua velocidade. O cubo da velocidade do vento é diretamente proporcional à quantidade de energia eólica. Ao escolher uma localização, é crucial levar em consideração a velocidade média do vento na área. Um anemômetro é um instrumento utilizado para determinar a velocidade da corrente de vento. Normalmente, você os encontrará acima da nacela.
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Para que são utilizadas as turbinas de eixo horizontal?
Para maximizar a produção de energia e a eficiência energética, as usinas eólicas de grande porte geralmente utilizam turbinas eólicas de eixo horizontal. Essas turbinas eólicas são normalmente vistas em
- Instalações fabris
- Grandes parques eólicos
- Edifícios patrocinados pelo governo
Com isso, você aprendeu para que servem as turbinas de eixo horizontal. Agora, você pode aprender sobre as vantagens e desvantagens das turbinas eólicas de eixo horizontal.
Quais são as vantagens e desvantagens da turbina eólica de eixo horizontal?
Assim como outros dispositivos, as vantagens e desvantagens da turbina eólica de eixo horizontal também são bem evidentes. Vamos aprender sobre elas completamente aqui.
Vantagens da turbina eólica de eixo horizontal-
1. Gerações Poderosas
Dependendo da aplicação, as turbinas eólicas de eixo horizontal podem ser construídas com uma potência de saída que varia de 2 MW a 8 MW. Uma turbina eólica terrestre com capacidade de 2.5 a 3.0 MW pode gerar cerca de 6 milhões de kWh anualmente, o suficiente para abastecer 1,500 residências típicas da União Europeia. Isso depende do tamanho da turbina e da velocidade do vento.
2. Suficientemente confiável
As turbinas eólicas de eixo horizontal dominam o mercado há muitos anos, portanto, seu design e desenvolvimento estão bem avançados. Tanto a praticidade quanto a utilidade das turbinas eólicas de eixo horizontal, que já estão disponíveis no mercado, quanto seu potencial desenvolvimento futuro são investigados.
3. Ventos operacionais excepcionalmente fortes
As turbinas eólicas de eixo horizontal captam ventos em velocidades mais altas devido à altura dos rotores. Isso significa que provavelmente funcionarão com velocidades de vento mais elevadas, o que é ideal para o seu desempenho. O fluxo de ar em grandes altitudes costuma ser constante, tornando as turbinas eólicas de eixo horizontal uma fonte de energia renovável mais confiável.
4. Eficiência em um nível muito alto
É impossível converter energia sem que parte dela seja desperdiçada. Um dos principais focos do desenvolvimento de novos produtos no setor de energia eólica é como aumentar a eficiência da conversão de energia. Atualmente, as turbinas eólicas mais produtivas são as de eixo horizontal. Elas são eficientes o suficiente para converter de 40 a 50% da energia eólica incidente em eletricidade utilizável.
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Desvantagens da turbina eólica de eixo horizontal-
1. Difícil de mover, instalar e manter em funcionamento.
Devido ao seu tamanho colossal , as turbinas eólicas de eixo horizontal apresentam obstáculos logísticos e técnicos significativos durante o transporte e a instalação. As pás dessas turbinas podem atingir até 70 metros de comprimento e 20 toneladas de peso, o que torna improvável a sua instalação em estradas estreitas e sinuosas, típicas de regiões montanhosas, ou em ruas comuns de cidades, ladeadas por residências, linhas de energia e postes de iluminação.
2. Causar danos ao meio ambiente
Ainda existe muito debate e controvérsia em torno do tema de como as turbinas eólicas de eixo horizontal afetam o meio ambiente . O rugido das enormes pás cortando o ar, a imensa sombra que projetam e a perturbação que causam à fauna e aos ecossistemas circundantes são motivos de preocupação.
3. Mudanças no ecossistema marinho
As turbinas eólicas offshore provavelmente alterarão o ecossistema marinho de formas que ainda não compreendemos, enquanto as pás das turbinas eólicas de eixo horizontal representam uma risco de colisão com criaturas voadoras. Vários estudos descobriram que as turbinas eólicas não são diretamente responsáveis por mais de um por cento das mortes anuais de pássaros nos Estados Unidos causadas por acidentes com objetos e práticas feitos pelo homem.
4. Requisitos rigorosos para configuração
Apesar dos incentivos oferecidos por governos em todo o mundo para o desenvolvimento e instalação de turbinas eólicas, as regulamentações podem representar obstáculos. Para uma turbina eólica de eixo horizontal, por exemplo, o recuo obrigatório em relação a uma residência adjacente é geralmente quatro vezes a altura total da turbina. A prefeitura precisa realizar um estudo de ruído antes de autorizar a construção de um parque eólico no local. É essencial considerar tanto o ruído de fundo quanto o ruído gerado pela turbina eólica. Embora exista uma regra prática que geralmente funciona, as políticas podem variar dependendo de fatores como o contexto político, social e ambiental.
HAWTs estão desempenhando e desempenharão um grande papel em seu futuro baseado em energia renovável. É muito necessário entender todas as coisas sobre essas tecnologias, como vantagens e desvantagens da turbina eólica de eixo horizontal, tipos de turbina eólica de eixo horizontal, etc. Elas ajudam você a estar pronto para o futuro que está por vir.
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