VISÃO HISTÓRICA
A energia do vento é explorada
desde a Antiguidade sendo primeiramente utilizada como força motriz para
embarcações. Aproximadamente em 4000 a.C., há relatos que os antigos chineses
foram os primeiros a fixar velas em suas primitivas embarcações utilizando a
energia dos ventos mais o trabalho humano como força motriz para realizar o
transporte fluvial [1]. Em torno de 3400 a.C., os egípcios lançaram suas primeiras
viagem com embarcações a vela inicialmente navegando no rio Nilo e mais tarde ao longo das costas do
mediterrâneo. Por volta de 1250 a.C., os egípcios construíram navios bastante
sofisticados para navegar no Mar Vermelho [1].
Os fenícios também se lançaram
a navegação marítima utilizando a energia eólica para tal finalidade. A partir
do 2º milênio, os fenícios desenvolveram uma civilização marítimo-mercantil, em
outras palavras, sua principal atividade era o comércio marítimo. Para
desenvolver esta ocupação, eles aprimoraram técnicas de navegação marítima da
época no intuito de possibilitar a realização de viagem através de longas
distâncias. Na figura 1 se é possível observar as rotas comercias desta
civilização. Ao longo da história diversas civilizações utilizaram os ventos
para navegação. Os navios eólicos dominaram o transporte marítimo por um longo
tempo até a invenção de motores a vapor no século XIX [2].
Figura
1 – Rotas comerciais dos fenícios
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Fonte: Adaptado de [2]
O período das grandes
navegações (século XV e XVI) é um exemplo de como a aplicação da energia eólica
para o transporte marítimo foi de grande significância. As grandes navegações foram um conjunto de viagens marítimas que
expandiram os limites do mundo conhecido até então. Mares nunca antes
navegados, terras, povos, flora e fauna começaram a ser descobertas pelos
europeus. E muitas crenças passadas de geração a geração, foram conferidas,
confirmadas, ou desmentidas. Eram crenças de que os oceanos eram povoados por
animais gigantescos ou que em outros lugares habitavam seres estranhos e
perigosos, ou que a terra poderia acabar a qualquer momento no meio do oceano,
o que faria os navios caírem no nada.
No trabalho agrícola o homem
desenvolveu cada vez mais ferramentas que auxiliavam no desenvolvimento de suas
atividades. Tarefas como moagens de grãos e o bombeamento de água exigiam
esforço braçal e de animal. Para facilitar estes trabalhos foram desenvolvidos
os primeiros moinhos de vento.
Não se sabe ao certo quando
surgiram os primeiros moinhos de vento. Há relatos que afirmam que o primeiro
moinho de vento surgiu por volta de 1700 a.C. e utilizava um sistema de eixo
vertical para bombear água. O livro “Uma
História de Invenções Mecânicas”, século X, de Abbot Payson Usher, relata uma
descrição de moinhos de ventos no Oriente Médio usados para bombeamento d’água.
O mesmo livro aponta referencias diversas como histórias e crônicas que
mencionam o uso dos moinhos de vento já em 340 a.C [3]. A China tem uma longa história de moinhos de
ventos. Foi descoberto pinturas, desenterradas de tumbas do final da dinastia
Han Oriental (25 – 220 d.C.) em Sandaohas, cidade de Liaoyang, que mostravam
maravilhosas imagens de moinhos de vento da época [1].
Na Pérsia, por volta de 500 –
900 a.C, surgiram moinhos de vento para automatizar tarefas como: a moagem de
grãos e o bombeamento de água. Esses moinhos de vento eram de eixo vertical e
as pás ou velas eram diretamente fixadas no rotor. O modo de funcionamento dos
moinhos persas era baseado em uma assimetria gerada por uma parede que cobria metade
do rotor [4]. O rotor era rotacionado através da força de arrasto que atuava
sobre as velas (Figura 2).
Figura
2 – Moinho Persa de eixo vertical utilizado para moagem de grãos
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Fonte:
Adaptado de [7]
Por volta do mesmo período, assim
como os persas, os chineses também desenvolveram moinhos de vento. Os moinhos
chineses (1000 d.C) apresentavam eixo vertical, similarmente aos persas, e
utilizavam pás de tecidos (velas) fixadas ao rotor (Figura 3). Eles apresentavam
uma típica vantagem mecânica quando comparados aos moinhos persas, pois poderia
ser utilizado independente da direção dos ventos, fato que não ocorria com os
moinhos persas que apresentavam uma parede que cobria parte do rotor.
Figura
3 – Moinho Chinês de eixo vertical
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Fonte: Adaptado de [7].
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Mesmo com baixa eficiência
devido as suas características, os moinhos de vento primitivos apresentavam
vantagens importantes para o desenvolvimento das necessidades básicas de
bombeamento de água e moagem de grão, substituindo a força motriz humana ou
animal. Um importante desenvolvimento da tecnologia primitiva foram os
primeiros modelos a utilizarem pás de sustentação em eixo horizontal [5].
Os primeiros moinhos de vento
só apareceram pela Europa nos período do retorno das Cruzadas e estes
apresentavam um modelo de eixo horizontal baseado nas rodas de água, e sua
configuração foi denominada de moinho de torre. Os moinhos de torre europeus
apresentavam quatro pás de madeira montado em um poste central. Essa
configuração mostra um enorme avanço tecnológico em relação ao tipo Persa e
Chinês, pois este moinho usava uma engrenagem de madeira para transmitir
movimento horizontal do eixo para movimento vertical girando uma pedra, que era
utilizado para moer grãos. Além disso, essa configuração utilizava a força de
sustentação para girar o rotor, o que proporciona uma melhor eficiência no
rotor em relação aos moinhos de eixo vertical (que utilizam a força de
arrasto), por permitir um aumento na velocidade do rotor [6].
Durante a Idade Média, na
Europa, a maioria das leis feudais incluía o direito de recusar a permissão à
construção de moinhos de vento pelos camponeses, o que os obrigava a usar os
moinhos dos senhores feudais para a moagem dos seus grãos. Dentro das leis de
concessão de moinhos também se estabeleceram leis que proibiam a plantação de
árvores próximas ao moinho assegurando, assim, “o direito ao vento”. Os moinhos
de vento na Europa tiveram, sem dúvidas, uma forte e decisiva influência na
economia agrícola por vários séculos [5].
Em 1500, surgiram os moinhos
de vento do tipo Dutch (figura 4), que foi um desenvolvimento dos moinhos de
torre, cuja principal característica era a contrução em madeira, que facilitava
a montagem em relação às pesadas pedras dos moinhos de torre. Essa configuração
foi muito utilizada na Holanda para drenar Polders, região de terras baixas da Holanda, devido ao
interesse econômico em aumentar sua área territorial, enquanto no resto da
Europa, essa configuração foi utilizada para moer grãos [6].
Figura
4 – Moinho de vento holandês tipo Dutch
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Fonte: Adaptado de [4]
Na Holanda, a utilização de
moinhos de vento para drenagem de terras cobertas por água foi bastante
empregada. A área de Beemster Polder, que ficava três metros abaixo do nível do
mar, foi drenada por 26 moinhos de vento de até 50 HP cada, entre os anos de
1608 e 1612. Mais tarde, a região de Schermer Polder também foi drenada por 36
moinhos de vento durante quatro anos a uma vazão total de 1000 m3/min
[7]. Vários países da Europa (França, Inglaterra, Holanda, Grécia, dentre
outros) utilizaram moinhos de vento de eixo horizontal. Os moinhos de vento
além de ajudar o homem na agricultura, e na drenagem de água tiveram outras
aplicações, com o surgimento da imprensa e o rápido crescimento da demanda por
papel, foi construído, em 1586, o primeiro moinho de vento exclusivamente para
fabricação de papel. Ao fim do século XVI, surgiram moinhos de vento para acionar
serrarias para processar madeiras provenientes do mar Báltico [5].
No século XVIII, com a
introdução da máquina a vapor o mundo mudou gradualmente sua demanda de fontes
de energias, especialmente com a introdução dos combustíveis fósseis (carvão,
petróleo e gás). As máquinas a vapor eram muito mais compactas e forneciam uma
escala muito maior de energia para bombeamento de água e moagem de grão do que
aquela produzida pelos moinhos de vento [8]. Um marco importante para a energia
eólica na Europa foi à Revolução Industrial no final do século XIX. A partir
deste período começou o declínio do uso da energia eólica associada aos moinhos
de vento.
As configurações de eixo
horizontal baseado nas rodas d’água foi utilizada por muitos séculos, até
surgirem, em meados do século XIX, nos Estados Unidos,os moinhos de vento tipo
leque ou americano. Esses apresentavam eixo horizontal e sua principal
aplicação era no bombeamento de água. As principais características dessa
configuração eram a torre de aproximadamente 3 a 5 metros de altura, 20 pás de
metal e uma cauda que era responsável por manter a orientação do moinho de
vento na direção do vento (figura 5) [6]. O desenvolvimento do moinho do tipo
leque inaugurou uma nova era na utilização da energia eólica. Eles refletem a
industrialização histórica do uso da energia eólica, por serem fabricados em
série e feitos em metal. Além de serem os primeiros moinhos de vento
auto-reguláveis.
Figura
5 – Moinho de vento americano tipo leque
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Fonte: Adaptado de [6]
Por algumas centenas de anos,
a mais importante aplicação dos moinhos de vento era para subsistência, sendo
utilizados para bombear água e moer grãos, usando sistemas relativamente
pequenos, até surgirem no final do século XIX, os primeiros sistemas que
utilizavam a energia do vento para geração de eletricidade. [6]. Ao contrário
dos moinhos de vento, que eram utilizados diretamente para realizar o trabalho,
como o bombeamento de água ou a moagem de grãos, as turbinas eólicas são usadas
para converter energia eólica em eletricidade, esse tipo de turbina também
ficou conhecido como aerogeradores. Em 1887 – 1891, tanto na Europa como na
América surgiram estudos sobre produção de energia elétrica por intermédio dos
aerogeradores. A primeira turbina eólica que produzia energia elétrica operada
automaticamente no mundo foi projetada e construída pelo Americano, Charles
Brush, em 1888. O catavento de Brush foi equipado com 144 pás de madeira com um
diâmetro de rotação de 17 metros e fornecia 12 kW em corrente contínua para
carregamento de baterias, as quais eram destinadas, sobretudo, para o
fornecimento de energia para 350 lâmpadas incandescentes [1,6]. Este também
possuía uma grande cauda que girava o rotor na direção do vento conforme
mostrado na figura 6.
Figura
6 – Catavento de Brush
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Fonte: Adaptado de [6]
Sem dúvida, o catavento de
Bruch foi um marco na utilização dos cata-ventos para geração de energia
elétrica. O invento de Bruch apresentava três importantes inovações para o
desenvolvimento do uso da energia eólica para geração de eletricidade. Em
primeiro lugar, a altura utilizada pelo invento estava dentro das categorias
dos moinhos de vento utilizados para beneficiamento de grãos e bombeamento de
água. Em segundo lugar, foi introduzido um mecanismo de grande fator de
multiplicação da rotação das pás (50:1) que funcionava em dois estágios,
possibilitando um máximo aproveitamento do dínamo cujo funcionamento estava em
500 rotações por minuto (rpm). Em terceiro lugar esse invento foi a primeira e
mais ambiciosa tentativa de se combinar a aerodinâmica e a estrutura dos
moinhos de vento com as recentes inovações tecnológicas na produção de energia
elétrica [5].
Após a primeira guerra mundial
(1914 – 1918), a compreensão científica do desenho de turbinas eólicas deu um
grande avanço, isto se deve parcialmente na experiência do projeto de hélices
de aviões civis e militares.
Em 1920 Betz aplicou a teoria
do disco atuador para turbina eólica e descobriu que o máximo de 59% da energia
cinética do vento pode ser convertido em energia mecânica por uma turbina de
fluxo livre. Isto foi descoberto anteriormente por Lanchester na Inglaterra.
Mas Betz continuou seus estudos relacionando estas considerações com a teoria
da quantidade de movimento e a lei da conservação de energia. Isto serviu como
base para desenvolvimento de projetos de pás de turbinas eólicas. Com pequenas
modificações as noções básicas desenvolvidas por Betz ainda são usados em
design de turbinas eólicas [4].
Em 1924, surgiu na Finlândia,
a turbina do tipo Savonius. O principal funcionamento do rotor desta turbina
era baseado na força de arrasto e caracterizava-se por ser montada sobre um
eixo vertical, operar em baixas velocidades e com alto torque de partida. Inicialmente
o projeto de Savonius foi utilizar esta turbina para realizar o bombeamento de
água como mostra a figura 7, mas sua ideia foi aplicada também para geração de
energia elétrica, todavia em virtude das limitações apresentadas por esta
turbina, não foi e nem tem sido utilizada para a produção de eletricidade em
grande escala [1].
Figura 7 – Turbina do tipo Savonius utilizada para bombeamento de água |
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Fonte: Adaptado de [1]
Na França, foi patenteada em 1931
a turbina do tipo Darrieus, outra turbina de eixo vertical assim como a turbina
do tipo Savonius. O princípio de funcionamento da turbina Darrieus é baseado na
força de sustentação e suas principais vantagens são o fato do gerador e a
caixa de engrenagem ser colocadas no solo, além de não necessitar de nenhum
sistema de direcionamento em relação à direção do vento. O problema deste tipo
de configuração é que, como a velocidade do vento é muito baixa próxima do solo
e aumenta conforme a altura, essa máquina deve suportar diferentes esforços ao
longo do eixo, gerando uma dificuldade adicional para manter a torre ereta para
altos níveis de vento. Além disso, devido à sua alta velocidade e baixo torque
é necessário um sistema para auxiliar a partida da turbina [6]. Algumas das
vantagens das turbinas do tipo Savonius e Darrieus são a não necessidade de um
sistema de controle para o direcionamento da turbina em relação ao escoamento
principal e também em aspectos construtivos uma vez que o gerador pode estar disposto
ao nível do solo [11].
Em 1931, os russos fabricaram
um aerogerador conhecido como Balaclava, que era um modelo avançado de 10 kW de
potência conectado por uma linha de transmissão de 6,3 kV de 30 km, a uma usina
termelétrica de 29 MW. Essa foi a primeira tentativa bem sucedida de conectar
um aerogerador de corrente alternada com uma usina termelétrica. Dados
mostraram que a energia produzida pelo aerogerador foi de 280.000 kWh.ano [5].
O inicio da Segunda Guerra
Mundial interrompeu as pesquisas de desenvolvimento de turbinas eólicas. Só nos
Estados Unidos, o desenvolvimento de aerogeradores foi continuado durante a
guerra. O engenheiro Palmer C. Putnam, em 1941 desenvolveu uma turbina na faixa
do Megawatt de potência (1,25 MW) conectado a rede, que funcionou até 1945. A
turbina de Putmam teve um reduzido período de vida útil e foi encerrado devido
a problemas causados por materiais de construção inapropriados [10]. Infelizmente
o balanço econômico da época mostrou que os custos de produção de energia foram
50% maior para a turbina de Putmam do que para a geração de energia
convencional. Por isto, que muitas propostas de Putmam não foram postas em
prática [4].
Após a Segunda Guerra Mundial,
com a reconstrução da Europa e a crescente percepção de que as reservas de
carvão foram continuamente diminuindo, o interesse pela energia eólica surgiu
novamente. Através da “Organization for European Economic Cooperation” (OEEC),
especialistas da Inglaterra, Dinamarca, Alemanha, França e outros países, se
reuniram para discutir as suas experiências no desenho de turbinas eólicas. As
primeiras tentativas para geração de eletricidade através da energia eólica
surgiram no final do século XIX quando o consumo de energia elétrica começou a
crescer. No entanto, foi apenas com a crise internacional do petróleo (na
década de 70) que houve realmente a necessidade de arranjar alternativas para a
produção de energia elétrica [12]. Países do norte Europeu, como Holanda e
Dinamarca passaram a investir no aprimoramento da utilização de turbinas
eólicas para produção de eletricidade.
A primeira turbina eólica comercial ligada à
rede elétrica pública foi instalada em 1976, na Dinamarca. Atualmente existem
mais de 30 mil turbinas eólicas em operação no mundo. Em 1991, a Associação Européia
de Energia Eólica estabeleceu como metas a instalação de 4.000 MW de energia
eólica na Europa até o ano de 2000 e 11.500 MW até o ano de 2005. Estas e
outras metas foram cumpridas antes do esperado (4.000 MW em 1996, 11.500 MW em
2001) [13].
Atualmente, a energia eólica é
uma das fontes de geração de energia elétrica que mais cresce no mundo. Com
aproximadamente 240 GW de potencia instalada no final de 2011, essa fonte já
representa cerca de 3% de toda a capacidade mundial de geração de energia elétrica
e a expectativa é que estes números cresçam cada vez mais [14].
REFERENCIAS
[1] TONG,W. Wind power geration and wind turbin design.
In: Tong,W.(Org.), 1ª ed. Southampton, Boston: WIT, PRESS, 2012.
[2] CAMPOS, F.; MIRANDA, R.G. A escrita da História – volume único.
1ª ed. São Paulo: Escala Educacional, 2005.
[3] LIMA, M, R. Uso da energia eólica como fonte alternativa para solucionar problemas
de energia e bombeamento de água subterrânea em locais isolados. 2009. 45
f. Monografia. Departamento de Engenharia da Universidade Federal de Lavras,
Minas Gerais, 2009.
[4] GASCH, R.;
TWELE,J. Wind power plants-
fundamentals, desing, construction and operation. In: GASCH, R.; TWELE,J
(Org.), 2ª ed. Berlin: Springer, 2011.
[5] DUTRA,R. Energia eólica: princípios e tecnologia. In: DUTRA,R (Org.), 1ª ed.
Rio de Janeiro: CRECESB, 2010.
[6] MARQUES,J. Turbinas eólicas: modelo, análise e controle do gerador de indução com
dupla alimentação. 2004. 158f. Dissertação (Mestrado em engenharia
elétrica). Programa de Pós – Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade
Federal de Santa Maria, Rio Grande do Sul, 2004.
[7] SHEPHERD, D.G.
Historical development of the windmill. 1ª
ed. New York: NASA, 1990.
[8] Review of Historical and Modern
Utilization of Wind Power, 2013.
Disponível
em:http://www.risoe.dk/rispubl/VEA/Review_Historical_Modern_Utilization_Wind_Power.pdf.
Acesso em: 01 de junho de 2013.
[9] Energias
Renováveis: Conservação de Energia. Disponível em: http://e-lee.ist.utl.pt/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Etudeappliquee/EtudeappliqueeEolien3.htm.
Acessado em: 02 de setembro de 2013.
[10] Cronologia
dos pioneiros da energia eólica. Disponível em: http://www.ammonit.com/pt/energia-eolica/energia-eolica.
Acessado em: 02 de setembro de 2013.
[11] GARCIA, S. B.; SIMIONI, G. C. S.; ALÉ, J.
A. V. Aspectos de desenvolvimento de turbina eólica de eixo vertical. In:
Congresso Nacional de Engenharia Mecânica, 4, 2006, Recife. Anais. Recife: IV Congresso Nacional de
Engenharia Mecânica, 2006,p. 1 – 9.
[12] CRUZ, R.;
VENTURA, R. Integração da energia eólica
na rede. 2010. 68f. Projeto de Produção e Planejamento de Eletricidade.
Departamento de Engenharia Eletrotécnica e de Computadores da Universidade de
Coimbra, Coimbra, 2010.
[13] Energia Eólica. Disponível em: http://www.aneel.gov.br/aplicacoes/atlas/pdf/06-energia_eolica(3).pdf.
Acessado em: 20 de setembro de 2013.
[14] Agência
Nacional de Energia Elétrica. Projeto
estratégico: desenvolvimento nacional de geração de energia eólica. 2013.
16f. Chamada n° 017/2013. Brasília, 2013.
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