Turbines Eólicas de Eixo Horizontal e Vertical: Uma Comparação
A energia eólica é uma fonte renovável e limpa de energia que pode reduzir as emissões de gases de efeito estufa e a dependência de combustíveis fósseis. As turbinas eólicas são máquinas que convertem a energia cinética do vento em energia elétrica. Existem dois principais tipos de turbinas eólicas com base na orientação de seu eixo: horizontal e vertical.
O que é uma Turbina Eólica de Eixo Horizontal?
Uma turbina eólica de eixo horizontal (HAWT) é definida como uma turbina eólica que tem um eixo de rotação horizontal ou paralelo ao solo. As HAWTs são o tipo mais comum de turbinas eólicas usadas para geração de eletricidade em larga escala. Elas geralmente têm três pás que se assemelham a hélices de aviões, embora algumas possam ter duas ou uma pá.
Os principais componentes de uma HAWT são:
O rotor, que consiste nas pás e no hub que as conecta ao eixo.
A nacele abriga o gerador, a caixa de engrenagens, o freio, o sistema de guincho e outros componentes mecânicos e elétricos.
A torre suporta a nacele e o rotor e os eleva acima do solo para capturar mais vento.
A fundação fixa a torre ao solo e transfere as cargas da turbina eólica.
O princípio de funcionamento de uma HAWT é baseado no levantamento, que é a força que empurra um objeto para cima quando o ar flui sobre sua superfície. As pás de uma HAWT são moldadas como aerofólios, que criam uma diferença de pressão entre suas superfícies superior e inferior quando o vento sopra. Esta diferença de pressão faz com que as pás rotacionem em torno do eixo horizontal, o que, por sua vez, impulsiona o eixo e o gerador para produzir eletricidade.
O plano do rotor de uma HAWT deve estar alinhado com a direção do vento para maximizar sua eficiência. Portanto, uma HAWT possui um sensor de vento e um sistema de guincho que ajustam a orientação da nacele de acordo com a direção do vento. Uma HAWT também possui um sistema de passo que altera o ângulo de ataque das pás para controlar sua velocidade de rotação e potência de saída.
As vantagens das HAWTs são:
Elas têm maior eficiência do que as turbinas eólicas de eixo vertical (VAWTs) porque podem capturar mais energia eólica com menos arrasto.
Elas têm menor ondulação de torque e estresse mecânico do que as VAWTs, pois têm menos mudanças nas forças aerodinâmicas durante cada rotação.
Elas podem ser instaladas offshore em plataformas flutuantes ou fundações fixas, onde a velocidade do vento é maior e mais constante.
As desvantagens das HAWTs são:
Elas requerem uma torre alta e uma grande área de terra para evitar turbulência e interferência de estruturas ou terreno próximos.
Elas são mais caras e complexas para instalar e manter do que as VAWTs, pois têm mais peças móveis e componentes elétricos.
Elas são mais suscetíveis a fadiga e danos devido a ventos fortes, tempestades, raios, pássaros ou gelo.
O que é uma Turbina Eólica de Eixo Vertical?
Uma turbina eólica de eixo vertical (VAWT) é definida como uma turbina eólica que tem um eixo de rotação vertical ou perpendicular ao solo. As VAWTs são menos comuns do que as HAWTs, mas têm algumas vantagens para aplicações de pequena escala e urbanas. Elas geralmente têm duas ou três pás que são retas ou curvas.
Os principais componentes de uma VAWT são:
O rotor, que consiste nas pás e no eixo vertical que as conecta ao gerador.
O gerador, que converte a energia mecânica do rotor em energia elétrica.
A base, que suporta o rotor e o gerador e os conecta ao solo.
O princípio de funcionamento de uma VAWT é baseado no arrasto, que é a força que opõe o movimento de um objeto quando o ar flui sobre sua superfície. As pás de uma VAWT são simétricas ou assimétricas, que criam quantidades diferentes de arrasto quando enfrentam ou opõem a direção do vento. Esta diferença de arrasto faz com que as pás rotacionem em torno do eixo vertical, o que, por sua vez, impulsiona o gerador para produzir eletricidade.
O plano do rotor de uma VAWT não precisa estar alinhado com a direção do vento, pois pode capturar vento de qualquer direção. Portanto, uma VAWT não possui um sistema de guincho ou um sensor de vento. No entanto, uma VAWT pode ter um sistema de passo que altera o ângulo de ataque das pás para controlar sua velocidade de rotação e potência de saída.
As vantagens das VAWTs são:
Elas têm custos de instalação e manutenção menores do que as HAWTs, pois têm menos peças móveis e componentes elétricos.
Elas têm níveis de ruído menores do que as HAWTs, pois giram a velocidades mais lentas.
Elas podem ser instaladas em telhados ou perto de edifícios, pois têm menores alturas e menores áreas de ocupação do que as HAWTs.
As desvantagens das VAWTs são:
Elas têm menor eficiência do que as HAWTs, pois têm mais arrasto e menos sustentação.
Elas têm maior ondulação de torque e estresse mecânico do que as HAWTs, pois têm mais mudanças nas forças aerodinâmicas durante cada rotação.
Elas não podem ser instaladas offshore, pois são menos estáveis e duráveis do que as HAWTs.
Tipos de Turbinas Eólicas de Eixo Vertical
Existem dois principais tipos de VAWTs com base em seu design de pás: Darrieus e Savonius.
Turbinas Darrieus
As turbinas Darrieus são VAWTs que têm pás curvas que se assemelham a um batedor de ovos ou a uma trocóide. Elas foram inventadas pelo engenheiro francês Georges Darrieus em 1931. As turbinas Darrieus usam tanto sustentação quanto arrasto para girar suas pás. Elas podem alcançar altas velocidades de rotação, mas requerem um mecanismo de partida externo, como um motor elétrico ou outra turbina, pois não conseguem iniciar sozinhas.
As vantagens das turbinas Darrieus são:
Elas têm um coeficiente de potência maior do que as turbinas Savonius, pois usam tanto sustentação quanto arrasto.
Elas têm uma relação de solidez menor do que as turbinas Savonius, pois têm menos pás com maiores espaços entre elas.
As desvantagens das turbinas Darrieus são:
Elas requerem um mecanismo de partida externo, pois não conseguem iniciar sozinhas.
Elas têm forças centrífugas maiores do que as turbinas Savonius, pois giram a velocidades mais altas.
