Vento (
) sopra através de uma turbina eólica de eixo horizontal (TEEH). A turbina tem um diâmetro de 55 m . A eficiência combinada da transmissão e gerador é de
. (a) Para um coeficiente de potência realista de
, estime a potência elétrica produzida quando o vento sopra com velocidade de
. (b) Repita os cálculos usando o limite de Betz assumindo o mesmo conjunto transmissão-gerador e compare com o resultado anterior.
Passo 1
Beleza, vamos dar uma olhada no que o exercício está pedindo. Temos uma turbina eólica de eixo horizontal com diâmetro de 55 metros, onde o vento está soprando a uma velocidade de 8,2 m/s. A densidade do ar é de
e a eficiência combinada da transmissão e do gerador é de 85%.
O que vamos precisar para resolver isso é entender como calcular a potência capturada pelo vento usando a fórmula da energia eólica. Além disso, vamos aplicar o coeficiente de potência fornecido (40%) para estimar a potência elétrica produzida. Para a parte (b), vamos usar o limite de Betz para comparar os resultados.
Passo 2
Primeiro, vamos calcular a área varrida pelas palas da turbina, que é uma área circular. A fórmula para a área
de um círculo é:
Onde
é o diâmetro da turbina. Plugando os valores:
Passo 3
Agora, vamos calcular a potência total disponível no vento que passa pela área da turbina. A fórmula para a potência do vento
é:
Onde:
-
é a densidade do ar, -
é a área da turbina, -
é a velocidade do vento.
Substituindo os valores:
Calculando o cubo da velocidade:
Então:
Passo 4
Agora, vamos aplicar o coeficiente de potência
de 40%, que representa a eficiência da turbina em converter a potência do vento em potência mecânica. A fórmula fica:
Passo 5
Por fim, consideramos a eficiência combinada da transmissão e do gerador, que é de 85%. Isso nos dá a potência elétrica final:
Passo 6
Agora, para a parte (b), vamos usar o limite de Betz, que estabelece que a eficiência máxima teórica de uma turbina eólica é de cerca de 59,3% (
). Vamos refazer os cálculos usando esse coeficiente.
Passo 7
Aplicando o coeficiente de Betz à potência do vento:
Passo 8
Considerando a mesma eficiência de transmissão e gerador (85%):
Passo 9
Então, resumindo:
- Com
: 285,6 kW - Com
(Betz): 423,4 kW
Isso mostra que, teoricamente, uma turbina poderia produzir mais energia, mas na prática, fatores como atrito, mecanismos mecânicos e eletrônicos reduzem a eficiência.
Resposta
(a) A potência elétrica produzida é de aproximadamente 285,6 kW.
(b) Usando o limite de Betz, a potência elétrica seria de aproximadamente 423,4 kW, o que é maior que o resultado anterior, refletindo a eficiência teórica máxima de conversão de energia do vento.