Como o movimento pode ser convertido em eletricidade?

Há quase duzentos anos (1831-1832), o físico e químico inglês Michael Faraday descobriu que, quando um fio feito de um metal que conduz bem a eletricidade, como o cobre, passa perto de um ímã e as pontas do fio são conectadas, cria-se uma corrente elétrica. Na verdade, constatou-se mais tarde que uma mudança na influência da corrente magnética provocará um efeito elétrico, mas também que uma mudança na influência da corrente elétrica provocará um efeito magnético. Pouco depois, Faraday construiu um dispositivo feito de um disco de cobre que podia ser girado entre ímãs em forma de ferradura, por meio de uma manivela. Usando duas conexões elétricas – uma no centro do disco e a outra na borda –, Faraday foi capaz de produzir uma corrente elétrica fraca. Seu método ainda é usado hoje em geradores elétricos para produzir a maior parte da eletricidade do mundo (veja a Figura 1). 

Posteriormente, o gerador foi aperfeiçoado, com o ímã permanente sendo substituído por um eletroímã composto por bobinas de fio enroladas em um núcleo de ferro. Quando flui ao longo dos fios, a corrente cria um campo magnético. A estrutura básica de qualquer gerador consiste de duas partes: a parte fixa, chamada estator, e a parte móvel ou rotativa, chamada rotor (Figura 2). A questão é como fazer o rotor girar. 

Desde então, os geradores avançaram…

O gerador de Faraday era alimentado pela força do braço do operador, que girava a manivela, e fornecia muito pouca eletricidade. Hoje, precisamos de muita eletricidade para fazer funcionar os vários dispositivos encontrados em nossas casas: lâmpadas, aparelhos de ar-condicionado, geladeiras, máquinas de lavar, fornos, televisores, computadores e muito mais. Também precisamos de eletricidade para carregar nossos celulares e logo vamos ter de carregar nossos carros elétricos. E, certamente, estamos falando de milhões de casas em centenas de países ao redor do mundo. Precisamos de muita eletricidade – bem mais que a gerada manualmente. 

Assim, em vez de girar os rotores manualmente, usamos motores. Os motores fornecem mais força rotacional que um humano e giram muito mais rápido. No entanto, têm uma grande desvantagem: requerem combustível. Os vários materiais que podem ser usados como combustíveis (carvão, gás natural e petróleo, por exemplo) custam caro [1]. Além disso, são finitos, significando que acabarão um dia. Não bastasse isso, eles precisam ser queimados para liberar a energia que alimenta o motor. 

Todos os combustíveis poluem o ar, mas uns poluem mais que outros: o carvão polui mais do que o gás natural, por exemplo. A poluição produzida pela queima contribui para a mudança climática, principalmente devido a um dos poluentes chamado dióxido de carbono. Quando esse gás é emitido na atmosfera, impede que o calor saia da Terra, provocando o chamado efeito estufa e tornando a Terra cada vez mais quente. As temperaturas mais altas estão causando o derretimento das geleiras e o aumento dos níveis do mar, o que levará às inundações de cidades litorâneas. Adicionalmente, o aquecimento global provoca um clima extremo e incomum, como temos experimentado nos últimos anos. 

Então, que fazer? Não podemos abdicar da eletricidade de que necessitamos para muitas coisas, mas também não podemos continuar poluindo a atmosfera. A resposta é a eletricidade limpa, ou seja, a eletricidade produzida sem poluir a atmosfera.

Produção de energia limpa

Como podemos produzir eletricidade suficiente para nossas necessidades sem queimar combustíveis caros e poluentes? Por meio do uso de outros tipos de energia, como a energia solar, que vem do Sol. A energia solar é a principal forma de produção de eletricidade limpa em Israel. 

Hoje, existem células fotovoltaicas, também chamadas painéis solares: elas convertem a luz do Sol em eletricidade e essa tecnologia vem melhorando constantemente. Indivíduos e empresários cobrem suas casas e empresas com células fotovoltaicas. Ao fazê-lo, economizam em suas contas de eletricidade e até recebem dinheiro de volta da companhia de eletricidade pela energia que produzem. 

Há, também, várias maneiras possíveis de girar o rotor de um gerador sem usar combustível, para produzir eletricidade limpa. Uma cachoeira, por exemplo, pode girar uma roda que faz girar um gerador. Nas cataratas do Niágara, uma enorme cachoeira localizada na fronteira entre os EUA e o Canadá, existe uma usina movida apenas por ela. Em Israel, está previsto um projeto, denominado Canal Mediterrâneo–Mar Morto, baseado numa ideia semelhante. O projeto envolve a escavação de um canal entre o mar Mediterrâneo, que fica ao nível do mar, e o mar Morto, que fica 436 metros mais baixo, para criar uma cachoeira que fará girar um gerador de eletricidade. 

Um gerador movido a vento? Que brisa!

O vento é outra maneira para criar eletricidade limpa. Um gerador eólico, também conhecido como turbina eólica, consiste de pás montadas em um poste ato, denominado eixo. É essencialmente uma versão atualizada dos antigos moinhos de vento, que antes eram usados para moer trigo, transformando-o em farinha. Há dois tipos principais de turbinas eólicas, ambas baseadas na energia cinética. O primeiro tipo é uma turbina eólica de eixo horizontal (TEEH; Figura 3B). Na TEEH, o movimento criado pela rotação das pás passa diretamente para o gerador. Isso lembra um ventilador elétrico, mas um ventilador elétrico usa eletricidade a fim de girar as pás para criar vento, enquanto em uma TEEH as hélices giram o rotor para criar eletricidade.

O segundo tipo de turbina eólica tem um eixo vertical (TEEV, Figura 3C). A maioria das TEEVs se parece um pouco com a chama de uma vela, formadas por 2–3 lâminas curvas conectadas na parte superior e inferior a um eixo vertical, cuja rotação alimenta o gerador localizado na base da turbina. Outro tipo de TEEV, às vezes colocada verticalmente próximo a uma parede ou horizontalmente no solo, é a turbina de fluxo cruzado, também conhecida como “Savonius” (Figura 3A). 

Mas qual turbina eólica é a melhor?

Um estudo realizado na União Europeia sobre turbinas eólicas na Ásia constatou que a eficiência das turbinas de fluxo cruzado é superior à das turbinas de pás. 

Para determinar até que ponto uma turbina eólica é eficiente, usamos o chamado índice de eficiência. Trata-se da relação entre a quantidade de eletricidade produzida num determinado período de tempo e a quantidade de vento que passa pela “área varrida” da turbina – o círculo criado pelas hélices enquanto varrem o ar. Tanto a quantidade de vento quanto a quantidade de eletricidade são expressas em termos de energia. Teoricamente, a eficiência máxima de uma turbina eólica fica em torno de 59,3%. Isso é conhecido como limite de Betz, segundo o qual 16/27 da energia inicial do vento é convertida em eletricidade – mas esta percentagem não é realmente alcançável.

Os fabricantes e operadores de turbinas eólicas relatam que sua eficiência real é de 15% a 35%.  A experiência e a pesquisa nesse campo têm mostrado que as TEEVs apresentam uma taxa de eficiência maior que as TEEHs. Apesar disso, as TEEVs são menos comuns devido aos elevados custos de concepção e construção. 

O que aprendemos até agora?

As turbinas eólicas são uma das maneiras mais baratas de produzir eletricidade. O potencial de geração de eletricidade a partir do vento é proporcional à velocidade do vento. Isso significa que, para gerar o máximo de eletricidade possível, as turbinas eólicas devem ser colocadas em locais onde venta muito. Em Israel, por exemplo, uma turbina eólica voltada na direção do vento nas colinas de Golã produz, em média, oito vezes mais eletricidade do que uma turbina na planície costeira [2]. Isso ocorre porque a velocidade do vento nas colinas de Golã é aproximadamente o dobro da velocidade do vento na planície costeira. Instalar turbinas em altitudes mais elevadas (quanto mais alto você sobe, mais rápido é o vento) e usar quebra-ventos, como renques de árvores ou arbustos que amorteçam e direcionem o vento, são outras maneiras de obter velocidades de vento mais altas [3, 4]. 

Na maior parte do mundo, turbinas eólicas são geralmente encontradas em parques eólicos, que são complexos onde várias turbinas eólicas operam juntas. A Dinamarca é um dos primeiros países do mundo a usar energia eólica para produzir a maior parte de sua eletricidade. Em certos dias, a Dinamarca consegue suprir todas as suas necessidades de eletricidade com geradores eólicos e até transferir parte da eletricidade produzida para seus vizinhos! 

A energia eólica pode ser usada para satisfazer parte das necessidades energéticas da humanidade. É limpa e barata. Esperamos que outros países sigam os passos da Dinamarca e utilizem mais dos seus recursos de energia eólica, mitigando assim as emissões de carbono e o aquecimento global. 

Glossário

Corrente elétrica: Movimento de uma carga elétrica; definida como a quantidade de carga elétrica que atravessa uma dada área em uma unidade de tempo. 

Gerador: Dispositivo que converte energia de uma forma para outra. Um gerador eólico converte a energia cinética do vento em energia elétrica. 

Eletricidade limpa: Processo de geração de eletricidade que não polui o meio ambiente. 

Célula fotoelétrica: Dispositivo que gera eletricidade usando a luz solar. 

Energia cinética: Energia de movimento, que é o tipo mais simples de energia. 

Índice de eficiência: Medida da quantidade de energia cinética do vento que é convertida em energia elétrica (eletricidade). 

Limite de Betz: Máximo teórico que avalia a capacidade de uma turbina em converter vento em eletricidade; é o limite superior do índice de eficiência. 

Referências

[1] Greenberg, D., Byalsky, M. e Yahalom, A. 2021. “Valuation of wind energy turbines using volatility of wind and price.” Electronics 10:1098. DOI: 10.3390/electronics10091098.

[2] Ditkovich, Y., Kuperman, A., Yahalom, A. e Byalsky, M. “A generalized approach to estimating capacity fator of fixed speed wind turbines.” IEEE Trans. Sustain. Energy 3:607–8. DOI: 10:1109/TSTE.2012.2204538, 2012.

[3] Garisto, D. 2021. “Windbreaks may improve wind farm power.” Physics 14:112. DOI: 10.1103/Physics.14.112.

[4] Kolesnik, S., Sitbon, M., Yahalom A. e Kuperman, A. 2017. “Assessment of wind resource statistics in Samaria region,” em Proceedings of the 16th International Scientific Conference on Engineering for Rural Development (Jelgava), 1409–1416. 

Citação

Yahalom, A. (2023). “How can wind turn into electricity?”, Front. Young Minds. 11:1237073. DOI: 10.3389/frym.2023.1237073. 

Este é um artigo de acesso aberto distribuído sob os termos da Creative Commons Attribution License (CC BY). O uso, distribuição ou reprodução em outros fóruns é permitido, desde que o(s) autor(es) original(is) e o(s) proprietário(s) dos direitos autorais sejam creditados e que a publicação original nesta revista seja citada, de acordo com a prática acadêmica aceita. Não é permitido nenhum uso, distribuição ou reprodução que não esteja em conformidade com estes termos.