Qual é a eficiência de geração de energia das turbinas eólicas em áreas com velocidades de vento baixas ou instáveis?

Essa é uma ótima pergunta e um dos principais desafios enfrentados pela indústria de energia eólica na expansão de seu mercado. Simplificando, em áreas com velocidades de vento baixas ou instáveis, a eficiência de geração de energia das turbinas eólicas tradicionais de fato diminui significativamente, mas por meio de uma série de inovações tecnológicas direcionadas e soluções abrangentes, já é possível alcançar um desenvolvimento economicamente viável.

Seguem abaixo algumas explicações detalhadas:
1. Desafio: Por que a eficiência diminui?

A relação cúbica entre a velocidade do vento e a potência: A potência gerada por uma turbina eólica é diretamente proporcional ao cubo da velocidade do vento. Isso significa que, se a velocidade do vento for reduzida pela metade, teoricamente a geração de energia será reduzida para 1/8 da original. Portanto, baixas velocidades de vento são prejudiciais à geração de energia.

Limite de velocidade do vento: As turbinas eólicas tradicionais têm um "limite de velocidade do vento" (geralmente de 3 a 4 metros por segundo), abaixo do qual a turbina não consegue começar a gerar eletricidade.

Velocidade do vento instável: Flutuações frequentes na velocidade do vento podem levar a partidas e paradas frequentes, mudanças de guinada e inclinação da turbina eólica, o que não só aumenta as perdas mecânicas, mas também impede a operação estável na curva de potência ideal, resultando em baixa utilização da capacidade total.

Alta intensidade de turbulência: Ventos instáveis ​​frequentemente acompanham alta turbulência, aumentando a carga no ventilador. Para garantir a segurança, às vezes é necessário reduzir a potência de operação ou desligá-lo.

2. Solução: Como melhorar a eficiência da geração de energia em áreas com baixa velocidade do vento/instáveis?

Em resposta a esses desafios, a tecnologia moderna de energia eólica, especialmente as turbinas eólicas de baixa velocidade, desenvolveu soluções consolidadas:

1. Aumentar a área de varredura:

Alongamento das pás: Este é o método mais direto e eficaz. Pás mais longas conseguem captar mais energia eólica e gerar torque suficiente para acionar o gerador mesmo com ventos fracos. O diâmetro do rotor dos ventiladores modernos de baixa velocidade está ficando cada vez maior.

Otimizar o design aerodinâmico: adotar formatos de aerofólio e de pás mais avançados para aumentar a eficiência na captação de energia eólica.

2. Reduzir o corte na velocidade do vento e na velocidade nominal do vento:

Ao aprimorar a estratégia de controle e o projeto do gerador, a redução na velocidade do vento pode ser diminuída para 2 a 2,5 metros por segundo ou até menos.

Reduza a 'velocidade nominal do vento' (a velocidade do vento necessária para atingir a potência máxima) para permitir que a turbina eólica atinja a potência nominal com velocidades de vento mais baixas.

3. Aumentar a altura da torre:

A velocidade do vento aumenta com a altura (efeito de cisalhamento do vento). Ao utilizar uma torre mais alta, o cubo pode ser posicionado a uma altura maior e mais estável, com velocidades de vento mais elevadas, aumentando significativamente a geração de energia.

4. Tecnologia avançada de controle inteligente:

Controle inteligente de inclinação e torque: Ajusta com precisão o ângulo da pá e o torque do gerador com base na velocidade instantânea do vento, maximizando a captura de energia e reduzindo a carga causada por ventos instáveis.

Controle preditivo: combinando tecnologia LiDAR para medir a velocidade do vento de forma prospectiva, ajustar o estado do ventilador antecipadamente, suavizar a saída de energia e reduzir o impacto mecânico.

Controle colaborativo de parques eólicos: Otimizar a estratégia de operação das turbinas eólicas em todo o parque eólico, reduzir o impacto do rastro de vento e aumentar a geração total de energia de todo o local.

5. Projeto do modelo adequado para condições de vento específicas:

Projetar turbinas eólicas aprimoradas para campos de vento com alta turbulência e terreno complexo (como áreas montanhosas) que possam suportar cargas mais complexas e manter uma operação eficiente.

3. Indicadores abrangentes de efeito e medição

Após a otimização acima, o equivalente anual em horas de operação plena de turbinas eólicas modernas de baixa velocidade pode chegar a mais de 2.000 horas em áreas com velocidades de vento mais baixas (como uma velocidade média anual do vento de 5,5 a 6,5 ​​metros por segundo), o que tem valor para o desenvolvimento econômico. Em áreas tradicionais de alta velocidade do vento (com uma velocidade média anual do vento superior a 8 metros por segundo), esse número pode ficar entre 3.000 e 4.000 horas.

Indicador-chave de medição - Custo Nivelado da Energia Elétrica (LCOE):
O critério de avaliação final não é simplesmente a "eficiência", mas sim o custo da geração de energia. Através da tecnologia acima descrita, embora o custo de uma única unidade (especialmente das pás e da torre) possa aumentar, ela incrementa significativamente a geração de energia em áreas com baixa velocidade do vento, reduzindo assim o custo nivelado da eletricidade por quilowatt-hora, o que faz com que o projeto como um todo apresente retorno sobre o investimento.

4. Tendências Futuras

Maiores e personalizadas: as turbinas eólicas continuam a evoluir em direção a diâmetros de pás maiores e estruturas de torres mais altas, oferecendo soluções altamente personalizadas para diferentes áreas com recursos eólicos.

Combinado com armazenamento de energia: Para áreas com velocidades de vento instáveis, a combinação de "energia eólica + armazenamento de energia" (como o armazenamento de energia em baterias) se tornará uma configuração padrão para suavizar a produção, participar da regulação da frequência da rede, melhorar a qualidade da energia e alcançar uma conexão mais amigável à rede.

Energia eólica distribuída e comunitária: Em áreas com baixa velocidade do vento, mas próximas a fontes de geração de eletricidade (como as regiões central e sudeste da China), a instalação de uma ou mais turbinas eólicas de baixa velocidade pode fornecer energia diretamente ao parque ou à comunidade, reduzindo as perdas de transmissão, e seus benefícios econômicos estão se tornando evidentes.

resumo

Em áreas com velocidades de vento baixas ou instáveis, a eficiência de geração de energia das turbinas eólicas tradicionais não é ideal. No entanto, turbinas eólicas modernas, especialmente projetadas para baixas velocidades de vento, têm conseguido capturar a energia eólica de forma eficiente por meio de uma série de tecnologias, como otimização aerodinâmica, controle inteligente e aumento de tamanho e altura, transformando recursos eólicos antes inviáveis ​​para o desenvolvimento em eletricidade economicamente viável. Portanto, a "eficiência de geração de energia" nessas regiões deixou de ser um desafio técnico para se tornar uma questão de otimização por meio de soluções técnicas abrangentes, consolidando-se como um importante mercado em crescimento para o desenvolvimento da energia eólica global.