Teoria do Aerogerador e Coeficiente de Betz
Para determinar a potência extraída do vento por uma turbina eólica, temos que assumir um duto de ar como mostrado na figura. Também é assumido que a velocidade do vento na entrada do duto é V1 e a velocidade do ar na saída do duto é V2. Suponha que uma massa m de ar passa através deste duto imaginário por segundo.
Agora, devido a esta massa, a energia cinética do vento na entrada do duto é,
Da mesma forma, devido a esta massa, a energia cinética do vento na saída do duto é,
Portanto, a energia cinética do vento mudou, durante o fluxo desta quantidade de ar da entrada para a saída do duto imaginário é,
Como já dissemos, uma massa m de ar passa através deste duto imaginário em um segundo. Portanto, a potência extraída do vento é a mesma que a energia cinética alterada durante o fluxo da massa m de ar da entrada para a saída do duto.
Definimos potência como a mudança de energia por segundo. Portanto, esta potência extraída pode ser escrita como,
Como a massa m de ar passa em um segundo, referimo-nos à quantidade m como a taxa de vazão de massa do vento. Se pensarmos nisso cuidadosamente, podemos entender facilmente que a taxa de vazão de massa será a mesma na entrada, na saída e em cada seção transversal do duto de ar. Pois, qualquer quantidade de ar que entra no duto, a mesma sai pela saída.
Se Va, A e ρ são, respectivamente, a velocidade do ar, a área transversal do duto e a densidade do ar nas pás da turbina, então a taxa de vazão de massa do vento pode ser representada como
Agora, substituindo m por ρVaA na equação (1), obtemos,
Agora, como a turbina é suposta estar colocada no meio do duto, a velocidade do vento nas pás da turbina pode ser considerada como a velocidade média das velocidades de entrada e saída.
Para obter a máxima potência do vento, temos que diferenciar a equação (3) em relação a V2 e igualá-la a zero. Ou seja,
Coeficiente de Betz
A partir da equação acima, descobriu-se que a potência teórica máxima extraída do vento é uma fração de 0,5925 de sua potência cinética total. Esta fração é conhecida como o Coeficiente de Betz. Esta potência calculada é de acordo com a teoria da turbina eólica, mas a potência mecânica real recebida pelo gerador é menor do que isso, devido às perdas por atrito nos rolamentos do rotor e ineficiências do design aerodinâmico da turbina.
A partir da equação (4), fica claro que a potência extraída é
Proporcional à densidade do ar ρ. À medida que a densidade do ar aumenta, a potência da turbina aumenta.
Proporcional à área varrida pelas pás da turbina. Se o comprimento da pá aumenta, o raio da área varrida aumenta proporcionalmente, assim a potência da turbina aumenta.
A potência da turbina também varia com a velocidade3 do vento. Isso indica que, se a velocidade do vento dobrar, a potência da turbina aumentará em oito vezes.
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