O Aproveitamento da energia mecânica

...

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.

[pic 2]

Figura 1: Conceito de AWE

-

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.

Para estações moveis, existem apenas conceitos, nenhum protótipo foi desenvolvido ainda. Mas a ideia é que além da geração através da tração dos cabos, também seja aproveitado o potencial através do movimento da base geradora. São exemplos desse modo o gerador de eixo vertical e de trilhos.

Já na Fly-GEN a energia elétrica é produzida através de geradores na aeronave e é transmitida ao solo através de um cabo especial, com propriedades condutivas. Neste caso a conversão de energia é feita usando-se turbinas eólicas.

Para esse modelo temos uma geração de energia continua no tempo, exceto durante a decolagem e aterrissagem, manobras que em geral demandam energia, que é pequena comparada à produzida no ciclo útil do gerador.

O modelo de Fly-GEN pode ser subdivido em outras duas subcategorias:

O Sistema de Vento cruzado, um sistema que se baseia essencialmente no aproveitamento do vento relativo (vento que sopra contra a aeronave), lançando mão de controladores de asa para o controle de vôo. Já o Sistema sem vento cruzado, baseia-se na utilização de outros mecanismos que controlam o vôo, que não dependam somente dos ventos, como sistemas de flutuabilidade, elevadores estáticos e empuxo do rotor. Dizemos que nesse caso é aproveitado o vento absoluto (movimento do ar sobre a terra).

[pic 3]

Figura 2: Classificações de AWE

-

Topologia Makani Wind Turbine

A Topologia Makani Wind Turbine opera com base nos mesmos princípios das turbinas eólicas convencionais. Ela consiste em pequenas turbinas eólicas que são fixadas em uma asa de uma aeronave que voa em círculos a centenas de metros do solo. Um cabo ligado a aeronave transporta a energia dos geradores até a base. Devido à circulação de ar através das pás montadas no AWT, elas são forçadas a girar da mesma maneira que as pás de turbinas eólicas convencionais. Porém, enquanto os cata-ventos de Sistemas de Geração Eólica convencionais possuem sua limitação no tamanho, a Topologia Makani usa pequenas pás girando a uma alta velocidade. Além disso, em comparação aos cata-ventos convencionais, as aeronaves da Topologia Makani traçam maiores círculos ao girar, o que resulta numa maior velocidade relativa ao vento. Outro ponto positivo é que a Topologia Makani pode operar em maiores altitudes, e quanto maior a altitude maior a velocidade do vento. Isso a torna uma maneira eficiente de extrair mais da energia do vento. Outro aspecto relevante é o menor uso de materiais e a redução no peso, implicando num menor custo de produção.

Os rotores fixados nas aeronaves servem tanto como turbinas e hélices, e cada um contém um ímã permanente que gira no ar gerando eletricidade que é transportada pelo cabo. Quando a aeronave tem que aterrissar ou decolar, os rotores atuam hélices gerando um movimento semelhante ao de helicópteros.

O cabo possui duas funções: transportar a corrente do AWT à base fixada no solo e segurar o AWT durante sua operação. Para satisfazer esses requisitos, é utilizado um cabo com fibras de carbono de alta resistência na sua estrutura e um condutor de alumínio.

Outro componente importante é um computador de bordo instalado logo atrás do bico da aeronave. Sua função é detectar falhas e controlar a asa do AWT de acordo com o vento e as mudanças climáticas, realizando correções para gerar potência máxima durante o voo.

A asa é responsável por gerar força de sustentação para aeronave. Essa força possui duas componentes: uma para resistir à força da gravidade e outra para mover a asa para frente. Para isso a asa possui dispositivos conhecidos como hipersustentadores, que são os flaps, que ficam na parte de trás, e os slats, que ficam na parte da frente. Como a aeronave tem de ser leve e resistente, é empregada fibra de carbono na longarina da asa e fibra de vidro em seu revestimento externo.

O sistema é instalado numa plataforma localizada no solo que tem as funções de recolher a aeronave,