Experimentos pressurizados podem ampliar a energia eólica

O mundo precisa de mais energia eólica. Mas qualquer pessoa que esteja projetando turbinas eólicas novas ou tentando extrair mais energia das turbinas que já existem enfrenta um desafio grande ao testar abordagens novas. Isso porque a atmosfera é um ambiente difícil para realizar um experimento controlado.

Alguns pesquisadores usam túneis de vento para realizar testes, mas as turbinas eólicas em escala reduzida em túneis de vento tradicionais podem diferir bastante das condições encontradas em campo. (As turbinas eólicas são as maiores máquinas rotativas já construídas.) O problema dificulta não apenas o desenvolvimento de turbinas eólicas melhores, mas também nossa compreensão de questões básicas, tais como quanta energia esperar de uma turbina quando os ventos mudam de direção.

Em um artigo recente de acesso aberto publicado na PNAS Nexus, uns pesquisadores reduziram a distância entre os experimentos em campo e no laboratório ao usarem um túnel de vento que apresenta uma alta pressurização para simular a física do escoamento na atmosfera. Com essa abordagem, os pesquisadores determinaram como o alinhamento da turbina e sua velocidade de ponta em relação ao vento influenciam a energia que ela gera, oferecendo percepções novas sobre como obter mais energia de parques eólicos existentes.

Eles também usaram a abordagem para validar um modelo computacional leve que os engenheiros podem utilizar para testar projetos de turbinas e estratégias de controle de parques eólicos diferentes.

Juntos, os pesquisadores estimam que otimizar o alinhamento da turbina em relação ao vento, os ângulos de passagem do vento nas pás (que controlam o ângulo de ataque do aerofólio) e a velocidade de ponta em relação ao vento poderia resultar em dezenas de milhares de dólares de receita adicional por turbina todos os anos.

“O impacto imediato deste estudo é que agora melhoramos e validamos os modelos que entram nos protocolos de controle de turbinas eólicas para parques existentes”, diz Michael Howland, professor do MIT. “O impacto maior e de médio prazo, com um potencial de ganho também maior, é este novo paradigma experimental para rapidamente prototipar, validar modelos de simulação e testar hipóteses sobre como melhorar os projetos e as estratégias de controle de uma forma muito mais rápida do que era possível anteriormente”.

Como coautores do artigo de Howland estão John Kurelek (primeiro autor e professor assistente da Queen’s University); Ilan Upfal e Kirby Heck (doutorandos do MIT); Supun Pieris (pós-doutorando da Queen’s University); Alexander Piqué (pesquisador da Penn State University); Marcus Hultmark (professor da Princeton University).

Respostas na energia eólica

Howland passou anos desenvolvendo modelos para simular o desempenho de parques eólicos e desenvolvendo novas técnicas para aumentar sua produção de energia. Em 2022, ele mostrou que levar em conta a esteira de turbinas individuais ao controlar todo o parque eólico poderia aumentar bastante a produção de energia.

Mas primeiramente esse trabalho exigiu que sua equipe de pesquisa conduzisse um experimento longo de campo que temporariamente resultou na redução da produção de energia de um parque eólico real ao desalinhá-lo do vento durante meses, de forma intencional, para compreender melhor seu desempenho em tais condições.

“A energia eólica é um problema singularmente desafiador para ser estudado de forma experimental”, diz Howland. “Queremos testar o efeito de uma determinada mudança de forma isolada, mas os parques eólicos operam em ambientes caóticos e turbulentos, nos quais o clima evolui constantemente. As turbinas eólicas precisam reagir a condições meteorológicas sobre as quais não temos controle, e isso apresenta complexidades em identificar o impacto da mudança imposta que estamos estudando. O campo está nessa interseção singular entre o escoamento ambiental, a mecânica, a aerodinâmica e a meteorologia”.

A dificuldade de realizar experimentos em parques eólicos reais deixou os pesquisadores e os engenheiros sem saber ao certo como as mudanças no alinhamento entre o vento e a turbina, ou os fatores como a velocidade de ponta da turbina em relação ao vento, alteram a produção de energia.

Na verdade, os pesquisadores afirmam que muitos modelos preditivos usados pelas pessoas são construídos com base na suposição de que as turbinas estão sempre perfeitamente perpendiculares ao vento. Isso raramente acontece no mundo real, mesmo com as turbinas modernas que ajustam gradualmente seu ângulo em resposta às rápidas mudanças na direção do vento.

“As pessoas vêm debatendo quais modelos são melhores para compreender a produção desses parques eólicos, mas, se você não tem nada com que compará-los, é muito difícil avançar na área”, diz Hultmark. “Este artigo tenta fazer as duas coisas”.

O laboratório de pesquisa de Hultmark em Princeton foi pioneiro no estudo de turbinas eólicas em escala reduzida em túneis de vento pressurizados, que, como os estudos anteriores demonstraram, reproduzem melhor as turbinas de grande escala na atmosfera porque a pressão torna o ar mais denso e resultam em mais inércia no ambiente de laboratório em escala reduzida. Para o estudo novo, os pesquisadores usaram uma turbina com 15 centímetros de diâmetro, sob pressões variadas de até 240 atmosferas.

“Ao pressurizar a câmara, estamos testando uma turbina que, mantendo todo o resto igual, teria de 15 a 20 metros de diâmetro, com capacidade para chegar a 35 metros de diâmetro”, explica o primeiro autor, Kurelek. “Isso porque aumentamos a densidade por um fator de 100 a 220 vezes”.

Kurelek enviou as dimensões do túnel de vento e da configuração da turbina para Howland. Este as utilizou para calcular a aerodinâmica, as forças e a produção de energia usando um modelo unificado de turbina eólica recém-desenvolvido, o qual se baseia em trabalhos anteriores que desenvolveram uma teoria aerodinâmica mais geral para as turbinas eólicas. O novo modelo permite aos pesquisadores simular o desempenho das turbinas eólicas em condições diferentes de operação sem depender de correções empíricas que historicamente têm sido usadas nos modelos de energia eólica.

Os pesquisadores então realizaram uma série de experimentos no túnel ao longo de várias semanas, testando o desempenho da turbina com alinhamentos diferentes em relação ao vento, assim como estratégias de controle diferentes, para isolar como cada fator afeta o desempenho.

Eles descobriram que a produção de energia poderia aumentar muito mediante ajuste na velocidade de ponta da turbina com base em seu ângulo de desalinhamento em relação ao vento — uma estratégia de controle raramente empregada atualmente em parques eólicos, mas que poderia oferecer uma maneira de aumentar o desempenho com custos adicionais mínimos.

“O principal resultado dos experimentos foi mostrar claramente que as novas medidas máximas de potência podem ser alcançadas quando a turbina fica desalinhada em relação ao vento apenas por meio de mudanças na velocidade de ponta”, diz Kurelek.

Ampliando a abordagem

O estudo serviu como validação para o modelo de Howland, que é rápido o suficiente para ser executado por engenheiros que projetam e operam as turbinas eólicas em todo o mundo por meio de computadores portáteis comuns.

“O que realmente queremos saber é se as turbinas sempre operam com algum grau de desalinhamento em relação ao vento e como devemos controlá-las para obter a produção máxima de energia”, explica Howland. “Nosso modelo unificado de momento foi capaz de fazer previsões sobre como realizar esse controle alguns anos atrás – e esta é a primeira vez que conseguimos validar esse modelo de forma experimental”.

Howland diz que validar os modelos é apenas uma parte do impacto potencial do artigo.

“Este estudo também mostra a oportunidade enorme de realizar esses experimentos controlados de alto rendimento nas instalações pressurizadas com as quais Marcus e John trabalham, permitindo-nos obter a física correta, mas de maneira eficiente em termos de tempo e de custo baixo”, diz Howland. “Atualmente, existe uma lacuna enorme entre os modelos teóricos e de simulação idealizados e testes em escala real em ambientes de campo extremamente complicados. Nada tem preenchido essa lacuna, exceto esses experimentos pressurizados. Espero que isso possa viabilizar a investigação de uma variedade enorme de questões ainda sem respostas sobre a energia eólica em ambientes controlados”.

O trabalho contou em parte com o apoio do Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada; da National Science Foundation; e da MIT-GE Vernova Alliance.

O artigo original em inglês foi traduzido e republicado aqui com a permissão do MIT News.