Pesquisadores do MIT desenvolveram um modelo aerodinâmico abrangente que pode melhorar o design de turbinas eólicas e a operação de parques eólicos. Essa nova teoria aerodinâmica para rotores pode ser aplicada em turbinas eólicas, hélices de navios e aeronaves, otimizando o aproveitamento energético e o desempenho desses sistemas.
Até então, os engenheiros utilizavam fórmulas aerodinâmicas criadas há mais de um século, ajustadas por fatores empíricos. No entanto, esses modelos não representavam adequadamente as condições extremas, como altas velocidades de rotação ou ângulos específicos das pás. O novo modelo, baseado em princípios físicos, oferece uma solução precisa para esses desafios, podendo impactar diretamente a indústria de energia eólica.
Um avanço no estudo da energia eólica
A pesquisa, publicada na revista Nature Communications, foi liderada por Jaime Liew e Kirby Heck, com a supervisão de Michael Howland, professor assistente de engenharia civil e ambiental no MIT. De acordo com Howland, “essa nova teoria pode ser usada para determinar as forças, velocidades de fluxo e a potência de um rotor, seja para extrair energia do vento, como nas turbinas eólicas, ou para aplicar energia ao fluxo, como nas hélices de aviões e navios”.
O novo modelo representa uma melhoria significativa em relação à teoria anterior, conhecida como teoria do momento. A teoria do momento, desenvolvida no final do século 19, ajudou a calcular a potência máxima que poderia ser extraída do vento, conhecida como limite de Betz, que determina que até 59,3% da energia cinética do vento pode ser convertida em energia. No entanto, essa teoria se mostrou imprecisa em condições extremas, como altas rotações das pás e mudanças bruscas de ângulo.
Correção do limite de Betz
A equipe do MIT descobriu que o limite de Betz pode ser ajustado com a nova teoria, permitindo a extração de um pouco mais de energia do que o previsto anteriormente. Embora o ganho seja pequeno, é significativo para a eficiência das turbinas. Além disso, o modelo também é eficaz para turbinas desalinhadas em relação ao vento, uma situação comum em parques eólicos.
Outra aplicação do novo modelo é no controle de fazendas eólicas. A teoria pode ajudar a ajustar em tempo real a velocidade de rotação, ângulo das pás e a orientação das turbinas para otimizar a produção de energia, tudo isso sem a necessidade de modificações no hardware existente.
Impacto na indústria
Essa inovação tem o potencial de transformar o setor de energia eólica, proporcionando ferramentas mais precisas para projetar e operar parques eólicos. A tecnologia também pode ser aplicada em outros sistemas que utilizam rotores, como hélices de navios e aviões, e turbinas hidrocinéticas.
O modelo está disponível para implementação em software de código aberto, o que facilitará o uso pela indústria e por outros pesquisadores. Financiada pela National Science Foundation e Siemens Gamesa Renewable Energy, a pesquisa marca um importante avanço na busca por fontes de energia mais eficientes e sustentáveis, essenciais no combate às mudanças climáticas.
REFERÊNCIAS
1. Jaime Liew, Kirby S. Heck, Michael F. Howland, “Unified Momentum Model for Rotor Aerodynamics Across Operating Regimes”, January 2024, https://arxiv.org/abs/2401.09623.
2. Howland, M.F., Quesada, J.B., Martínez, J.J.P. et al., “Collective wind farm operation based on a predictive model increases utility-scale energy production,” Nat Energy 7, 818–827 (2022). https://doi.org/10.1038/s41560-022-01085-8.
