Tipos de turbinas eólicas HAWT, VAWT e mais explicados

A grande maioria de turbinas eólicas vistos ao redor do condado em parques eólicos (tanto onshore quanto offshore) são projetos padrão de 3 lâminas. No entanto, existem vários estilos/tipos diferentes de turbinas e a maneira como elas aproveitam a energia cinética do vento é bem diferente.

Os dois principais tipos de turbinas eólicas são as de eixo horizontal e as de eixo vertical. Turbinas eólicas de eixo horizontal têm o eixo de rotação orientado horizontalmente. Elas normalmente apresentam 3 pás e são projetadas para ficarem de frente para o vento. As turbinas eólicas de eixo vertical têm o eixo de rotação alinhado verticalmente e são projetadas para aproveitar a energia cinética na direção oposta.

Além das turbinas eólicas de eixo horizontal e vertical, há outras versões da turbina que vale a pena explorar.

O tipo mais comum de turbina eólica é a 'Horizontal Axis Wind Turbine'. É chamada de eixo horizontal, pois o eixo de rotação fica horizontalmente (veja o diagrama abaixo)

As turbinas eólicas de eixo horizontal precisam apontar diretamente para o vento para operar com eficiência máxima, e toda a cabeça é projetada para virar de frente para o vento. Conforme o vento muda de direção, a cabeça deve virar (ou 'guinar') para permanecer apontando para o vento.

As turbinas eólicas de eixo horizontal são escolhidas para parques eólicos offshore e onshore onde o terreno é amplamente plano e aberto, porque funcionam de forma mais eficiente do que as turbinas de eixo vertical em áreas onde o vento não é turbulento.

Feito para o tamanho

Embora existam muitas turbinas eólicas de eixo horizontal de pequena escala disponíveis comercialmente para proprietários de casas conscientes sobre energia, uma de suas grandes vantagens é que elas escalam bem para fabricação e podem ser construídas MUITO GRANDES. Esta é outra razão pela qual elas são usadas para parques eólicos. É muito mais econômico construir e operar uma turbina de 10 megawatts (MW) do que cinco turbinas de 2 MW.

A maior turbina eólica do mundo (no verão de 2021) é a turbina Vestas V236, com uma potência nominal de 15 megawatts (MW). Ela tem um diâmetro de rotor de lâmina de 236 m – mais que o dobro da altura da Estátua da Liberdade! Uma única rotação de suas lâminas fornecerá eletricidade suficiente para abastecer uma casa média por um dia.

Turbinas eólicas de eixo vertical

Uma turbina menos eficiente e menos comum é a 'Turbina Eólica de Eixo Vertical'. Ela é chamada de eixo vertical, pois o eixo rotativo é alinhado verticalmente para cima.

Não é possível construir turbinas de eixo vertical nas grandes escalas que vemos em parques eólicos de turbinas de eixo horizontal. A maior turbina eólica de eixo vertical já construída foi a turbina "ÉOLE" de 110 m de altura e 3.8 MW em Quebec, Canadá. No entanto, o mancal do rotor falhou em 1993 sob o peso de 880 toneladas que ele tinha que suportar. Ele não está operacional desde então e agora é uma curiosidade para turistas. É altamente improvável que alguém tente construir uma turbina de eixo vertical maior do que esta devido aos problemas de engenharia associados ao suporte direto de pesos tão pesados ​​em um único mancal.

Construído para flexibilidade

Embora menores, a principal vantagem que as turbinas eólicas de eixo vertical têm sobre as de eixo horizontal é que elas não precisam guinar. Elas coletam energia eólica de todas as direções o tempo todo. Devido à forma como as pás são projetadas, elas sempre giram na mesma direção, não importa de onde o vento esteja vindo.

Isso torna as turbinas eólicas de eixo vertical mais eficientes na captura de energia eólica em telhados de cidades e áreas construídas, onde o vento turbulento muda de direção o tempo todo.

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

Diferentes tipos de VAWTs

Existem dois projetos principais de turbinas eólicas de eixo vertical, chamados Savonius e Darrieus. Esses projetos são bem diferentes na forma como capturam a energia eólica.

Savonius VAWTs

As turbinas eólicas de eixo vertical estilo Savonius usam o princípio de arrasto para converter energia eólica em energia mecânica rotacional. Elas funcionam como uma concha, moldadas para prender o vento que entra na turbina, criando arrasto e, assim, forçando-a a girar (veja o diagrama abaixo). Não importa de qual direção o vento esteja vindo, ele sempre atingirá a parte frontal e traseira da concha – mas a parte traseira arredondada da concha cria menos arrasto, permitindo assim que a turbina gire. No entanto, isso significa que uma turbina eólica de eixo vertical Savonius só pode converter, no máximo, 15% da energia eólica em energia mecânica rotacional.

Darrieus VAWTs

As turbinas eólicas de eixo vertical Darrieus usam o princípio de sustentação para converter energia eólica em energia mecânica rotacional e são mais eficientes do que as turbinas de eixo vertical estilo Savonius. As turbinas eólicas de eixo vertical Darrieus usam lâminas que têm uma seção transversal em forma de asa de avião. Conforme o vento passa sobre a lâmina, o efeito aerofólio cria sustentação, e é isso que gira a turbina (veja o diagrama abaixo).

As pás aerodinâmicas de uma turbina Darrieus podem ter formato reto, curvo ou helicoidal (veja o diagrama abaixo).

Todas essas são turbinas Darrieus – as pás do rotor são todas os mesmos aerofólios criadores de sustentação, mas em configurações diferentes.

A configuração helicoidal é talvez a mais interessante, pois permite que uma lâmina aerodinâmica mais longa fique contida na mesma área de rotação de uma turbina de lâmina reta, capturando assim mais vento e aumentando a eficiência. 

Outros projetos de turbinas

Embora a maioria das turbinas eólicas se enquadre nessas duas categorias principais (eixo vertical e eixo horizontal), houve vários projetos experimentais que se distanciaram da configuração normal desses dois projetos.

A Árvore do Vento

A 'Árvore do Vento' construída pela empresa New World Wind, sediada em Paris, é baseada em uma turbina eólica de eixo vertical Savonius, mas é inovadora porque usa muitas pequenas turbinas dispostas para se parecerem com folhas de uma árvore para criar um elemento urbano decorativo.

Vórtice Sem Lâmina

A Vortex Bladeless é uma empresa espanhola que utilizou um método completamente diferente para extrair energia cinética do vento. Sua “turbina” não se parece em nada com uma turbina convencional, pois não gira.

O sistema Vortex Bladeless usa um mastro alto em forma de pilar, que extrai energia do vento usando uma técnica chamada ressonância induzida por vórtice. Conforme o vento passa pelo pilar, ele causa turbulência atrás dele, o que faz o pilar oscilar ou "vibrar" para frente e para trás, e é essa energia mecânica que aciona um alternador linear, gerando assim uma corrente elétrica.

Como não possuem pás giratórias, esse estilo de gerador eólico não representa perigo para aves migratórias ou animais selvagens.

Turbinas movidas a veículos

Várias empresas começaram a desenvolver turbinas eólicas de eixo vertical de pequena escala que podem ser colocadas no canteiro central de rodovias e vias expressas. Em vez de serem movidas pelo vento "natural", é a turbulência causada pelo fluxo constante de veículos passando em alta velocidade que gira essas turbinas. Então, embora ainda sejam turbinas eólicas de eixo vertical 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 projeto experimental de turbina de eixo vertical que usa lâminas de turbina horizontais e verticais em uma nova configuração reticulada. Com três lâminas verticais e seis lâminas horizontais, ela pode capturar energia eólica vinda de direções horizontais e verticais. Estudos descobriram que ela era 2.5 vezes mais eficiente do que uma turbina de eixo vertical convencional nas mesmas condições de vento.

Turbina de corrente ascendente de torre de resfriamento

Este projeto propõe uma nova configuração de uma turbina eólica de eixo vertical Darrieus, orientada horizontalmente e situada no topo de torres de resfriamento. A corrente ascendente do fluxo de ar de exaustão da torre, em vez de ser desperdiçada na atmosfera, é usada para acionar a turbina.