Tipos de Turbinas Eólicas HAWT, VAWT e Mais Explorados

A grande maioria das turbinas eólicas vistas ao redor do país em parques eólicos (tanto em terra quanto offshore) são designs padrão com 3 pás. No entanto, existem vários estilos/tipos diferentes de turbinas e a forma como elas aproveitam a energia cinética do vento é bastante diferente.

Os dois principais tipos de turbinas eólicas são de eixo horizontal e eixo vertical. Turbinas eólicas de eixo horizontal têm o eixo rotativo orientado horizontalmente. Elas geralmente apresentam 3 pás e são projetadas para encarar o vento. Turbinas eólicas de eixo vertical têm o eixo rotativo alinhado verticalmente e são projetadas para aproveitar a energia cinética na direção oposta.

Além das turbinas de eixo horizontal e vertical, existem outras iterações da turbina que valem a pena explorar.

O tipo mais comum de turbina eólica é a 'Turbina Eólica de Eixo Horizontal'. Ela é chamada de eixo horizontal porque o eixo rotativo está posicionado horizontalmente (veja o diagrama abaixo).

As turbinas eólicas de eixo horizontal precisam apontar diretamente para o vento para operar com máxima eficiência, e toda a parte superior é projetada para girar e encarar o vento. À medida que o vento muda de direção, a parte superior deve girar (ou 'guinar') para continuar apontando contra o vento.

As turbinas eólicas de eixo horizontal são escolhidas para parques eólicos offshore e onshore onde a terra é predominantemente plana e aberta, pois elas funcionam com mais eficiência do que as turbinas de eixo vertical em áreas onde o vento não é turbulento.

Construído para Tamanho

Embora haja muitos aerogeradores de eixo horizontal de pequena escala disponíveis comercialmente para proprietários de casas conscientes da energia, uma de suas grandes vantagens é que eles se escalam bem para a fabricação e podem ser construídos MUITO GRANDES. Esta é outra razão pela qual eles são usados em parques eólicos. É muito mais econômico construir e operar um único aerogerador de 10 megawatts (MW) do que cinco aerogeradores de 2 MW.

O maior aerogerador do mundo (até o verão de 2021) é o Vestas V236, com uma potência nominal de 15 megawatts (MW). Ele tem um diâmetro de rotor de 236m – mais de duas vezes a altura da Estátua da Liberdade! Uma única rotação de suas pás fornece eletricidade suficiente para abastecer uma residência média por um dia.

Turbinas eólicas de eixo vertical

Um tipo menos eficiente e menos comum de aerogerador é o 'Aerogerador de Eixo Vertical'. Ele é chamado de eixo vertical porque o eixo rotativo está alinhado verticalmente para cima.

Não é possível construir turbinas eólicas de eixo vertical nas grandes escalas que vemos em fazendas eólicas com turbinas de eixo horizontal. A maior turbina eólica de eixo vertical já construída foi a turbina “ÉOLE” de 110m de altura, com 3,8MW, em Quebec, Canadá. No entanto, o rolamento do rotor falhou em 1993 sob o peso de 880 toneladas que precisava suportar. Ela tem sido inoperante desde então e agora é uma curiosidade para turistas. É altamente improvável que alguém tente construir uma turbina de eixo vertical maior do que essa devido aos problemas de engenharia associados à sustentação direta de pesos tão pesados em um único rolamento.

Construído para Flexibilidade

Embora menores, a principal vantagem das turbinas eólicas de eixo vertical sobre as de eixo horizontal é que elas não precisam se mover para alinhar com o vento. Elas coletam energia eólica de todas as direções o tempo todo. Devido ao modo como as pás são projetadas, elas sempre giram na mesma direção, independentemente de onde o vento está vindo.

Isso faz com que turbinas eólicas de eixo vertical sejam melhores na captura de energia eólica em telhados de cidades e áreas urbanizadas, onde o vento turbulento muda de direção constantemente.

Turbinas eólicas de eixo vertical ocupam menos espaço do que uma turbina de eixo horizontal equivalente e muitas vezes são escolhidas para áreas onde o espaço é limitado.

Diferentes tipos de VAWTs

Há dois principais designs de turbinas eólicas de eixo vertical, chamados Savonius e Darrieus. Esses designs diferem na forma como capturam a energia eólica.

VAWTs Savonius

As turbinas eólicas verticais de eixo do tipo Savonius utilizam o princípio de arrasto para converter energia eólica em energia rotacional mecânica. Elas funcionam como uma pá, modeladas para capturar o vento que entra na turbina, criando arrasto e, assim, forçando-a a girar (veja o diagrama abaixo). Independentemente da direção do vento, ele sempre atingirá tanto a frente quanto a parte traseira da pá – mas a parte arredondada traseira da pá cria menos arrasto, permitindo que a turbina gire. No entanto, isso significa que uma turbina eólica vertical de eixo do tipo Savonius só pode converter, no máximo, 15% da energia do vento em energia rotacional mecânica.

VAWTs Darrieus

As turbinas eólicas verticais de eixo Darrieus utilizam o princípio do sustento para converter energia eólica em energia rotacional mecânica, e são mais eficientes que as turbinas verticais de eixo estilo Savonius. As turbinas eólicas verticais de eixo Darrieus utilizam pás que têm uma seção transversal com a forma do perfil de uma asa de avião. À medida que o vento passa pela pá, o efeito aerodinâmico cria sustentação, e é isso que faz girar a turbina (ver diagrama abaixo).

As pás aerodinâmicas de uma turbina Darrieus podem ser retas, curvas ou helicoidais em formato (ver diagrama abaixo).

Estas são todas turbinas Darrieus – as pás do rotor são todas os mesmos perfis aerodinâmicos geradores de sustentação, mas em configurações diferentes.

A configuração helicoidal é talvez a mais interessante, pois permite que uma pá aerodinâmica mais longa seja contida na mesma área rotacional de uma turbina de pás retas, capturando assim mais vento e aumentando a eficiência.

Outros Designs de Turbina

Enquanto a maioria dos aerogeradores se enquadra nessas duas categorias principais (eixo vertical e eixo horizontal), houve vários designs experimentais que se afastam da configuração normal desses dois designs.

A Árvore do Vento

A ‘Árvore do Vento’ construída pela empresa parisiense New Wind, é baseada em um aerogerador de eixo vertical do tipo Savonius, mas é inovadora porque usa muitos pequenos aerogeradores dispostos para parecerem folhas em uma árvore, criando um elemento urbano decorativo.

Vortex Bladeless

A Vortex Bladeless é uma empresa espanhola que utilizou um método completamente diferente para extrair energia cinética do vento. Seu ‘aerogerador’ não se parece com um aerogerador convencional, pois não gira.

O sistema Vortex Bladeless utiliza um mastro em forma de pilar alto, que extrai energia do vento utilizando uma técnica chamada ressonância induzida por vórtice. À medida que o vento passa pelo pilar, ele causa turbulência atrás dele, o que faz com que o pilar oscile ou 'vibre' para frente e para trás, e é essa energia mecânica que impulsiona um alternador linear, gerando assim uma corrente elétrica.

Como não possuem pás rotativas, este estilo de gerador eólico não representa perigo para aves migratórias ou vida selvagem.

Turbinas Movidas por Veículos

Várias empresas começaram a desenvolver pequenas turbinas eólicas de eixo vertical que podem ser colocadas na mediana de rodovias e auto-estradas. Em vez de serem impulsionadas pelo 'vento natural', é a turbulência causada pelo fluxo constante de veículos passando em alta velocidade que gira essas turbinas. Portanto, embora ainda sejam turbinas eólicas verticais convencionais, é a situação em que estão sendo aplicadas que é nova.

Turbina eólica de eixo cruzado (CAWT)

A turbina eólica de eixo cruzado é um design experimental de turbina de eixo vertical que utiliza tanto pás turbinas horizontais quanto verticais em uma configuração cruzada inovadora. Com três pás verticais e seis pás horizontais, ela pode captar energia eólica proveniente tanto de direções horizontais quanto verticais. Estudos descobriram que ela é 2,5 vezes mais eficiente do que uma turbina de eixo vertical convencional nas mesmas condições de vento.

Turbina de Corrente Ascendente da Torre de Resfriamento

Este design propõe uma nova configuração de uma turbina de eixo vertical Darrieus, orientada horizontalmente e situada no topo das torres de resfriamento. A corrente ascendente do fluxo de ar de exaustão da torre, ao invés de ser desperdiçada na atmosfera, é usada para impulsionar a turbina.