Os aerogeradores de eixo horizontal baseiam-se no princípio de funcionamento dos moinhos de vento. São constituídos por turbinas de uma a três pás ou multipás(acima de três pás), com um perfil aerodinâmico.
Rotores de 3 pás são os mais comuns, pois constituem um bom compromisso entre coeficiente de potência, custo e velocidade de rotação, bem como uma melhor estética comparada às turbinas de 2 pás. Apesar dos rotores com 2 pás serem mais eficientes, são mais instáveis e propensos a turbulências, trazendo risco a sua estrutura, o que não acontece nos rotores de 3 pás que são muito mais estáveis, barateando seu custo e possibilitando a construção de aerogeradores de mais de 100 metros de altura e com capacidade de geração de energia que pode chegar a 5 MW (megawatts). Seu pico de geração de energia é atingido com ventos fortes e sua eficiência pode passar dos 45%.
Rotores multipás são mais utilizados para bombeamento de água de poços artesianos, mas nada impede que sejam utilizados para geração de energia elétrica. Impulsionados tanto por força de arrasto como por força de sustentação, esses rotores têm seu pico de eficiência em ventos fracos, com uma eficiência de 30%
Aerogeradores de eixo horizontal são os mais utilizadas porque o seu rendimento aerodinâmico é superior aos de eixo vertical e estão menos expostos aos esforços mecânicos, compensando seu maior custo.
Existem duas categorias de aerogeradores de eixo horizontal:
• Frontais (“upwind”) : o vento sopra pela parte frontal. As pás são rígidas e o rotor é orientado segundo a direção do vento através de um dispositivo motor.
Esquema de uma eólica de eixo horizontal “downwind” .
A colocação da turbina no topo é a forma mais utilizada por ser a mais simples e a que conduz a melhores resultados para grandes potências; são menores os esforços de manobra e melhor a estabilidade. As pás da turbina devem sempre ser orientadas segundo a direção do vento.
Atualmente, aerogeradores de eixo horizontal com um rotor do tipo hélice possuem grande importãncia para a produção de eletricidade em grande escala.
Segue abaixo uma figura com os componentes de um gerador convencional (de eixo horizontal):
Abaixo segue uma descrição da função dos principais componentes:
- Pás do Rotor: Capturam a energia eólica e a convertem em energia rotacional no eixo.
- Eixo: Transfere a energia de rotação para o gerador.
- Nacele: Carcaça onde são abrigados os componentes.
- Caixa de Engrenagens: Aumenta a velocidade de rotação do eixo entre o gerador e o cubo do rotor.
- Gerador: Usa a energia rotacional para gerar eletricidade utilizando eletromagnetismo.
- Unidade de Controle Eletrônico: Monitora todo o sistema, realiza o desligamento da turbina em caso de falha e ajusta o mecanismo de alinhamento da turbina com o vento.
- Controlador: Alinha o rotor com a direção do vento.
- Freios: Em caso de falha no sistema ou sobrecarga de energia, detém a rotação do eixo.
- Torre: Sustenta o rotor e a nacele, além de erguer todo o conjunto a uma altura onde as pás possam girar com segurança e distantes do solo.
- Equipamentos Elétricos: Transmitem a eletricidade do gerador pela torre e controlam os elementos de segurança da turbina.
Esquema que ilustra resumidamente o funcionamento de um aerogerador.
Resumidamente, o processo é o seguinte: os aerogeradores apresentam hélices que se movimentam com a força dos ventos. Parte da energia cinética devido ao movimento dos ventos é transferida para as pás do rotor e se torna a energia rotacional das pás. Consequentemente, o eixo, que está acoplado às pás, gira junto com elas. A energia rotacional do eixo (que é a mesma que a das pás) é transformada em energia elétrica pelo gerador. Por fim, o transformador é responsável por distribuir externamente esta energia gerada.
A potência elétrica produzida é função do cubo da velocidade do vento “v”:
Fórmula para cálculo da potência.
Onde: “ρ” é a densidade do ar em kg/m³; “Ar” é calculado por π.D2/4, em que D é o diâmetro do rotor; “Cp” é o coeficiente aerodinâmico de potência do rotor; e “η” é a eficiência do conjunto gerador/transmissor.
A absorção de energia cinética reduz a velocidade do vento a jusante do disco do rotor gradualmente e essa velocidade recupera-se ao misturar-se com as massas de ar predominantes do escoamente livre. Das forças de sustentação aerodinâmica nas pás do rotor resulta uma esteira helicoidal de vórtices, a qual também gradualmente dissipa-se. Após alguma distância a jusante da turbina, o escoamento praticamente recupera as condições de velocidade originais e turbinas adicionais podem ser instaladas, minimizando as perdas de desempenho causadas pela interferência da turbina anterior. Na prática, essa distância varia com a velocidade do vento, as condições de operação da turbina, a rugosidade do terreno e a condição de estabilidade térmica vertical da atmosfera.
De modo geral, uma distãncia considerada segura para a instalação de novas turbinas é da ordem de 10 vezes o diâmetro “D”, se instalada a jusante, e 5 vezes “D”, se instalada ao lado, em relação ao vento predominante. Observe a figura abaixo:
O diâmetro “D” é inversamente proporcional à velocidade angular do rotor. Para minimizar a emissão de ruído aerodinâmico pelas pás, usualmente a rotação é otimizada no projeto. Descreve-se abaixo a fórmula prática para a avaliação da rotação nominal de operação de uma turbina eólica.
Fórmula para cálculo das rotações por minuto.
Onde: “RPM” são rotações por minuto; e “D” é o diâmetro do rotor. À medida que a tecnologia propicia dimensões maiores para as turbinas, a rotação reduz-se: os diâmetros de rotores no mercado atual variam entre 30m e 100m, o que resulta em rotações da ordem de 35rpm a 12rpm, respectivamente. As rotações baixas tornam as pás visíveis e evitáveis por pássaros em vôo.
Quanto aos níveis de ruído, turbinas eólicas satisfazem os requisitos ambientais(cerca de 45 decibéis-dB) mesmo quando instaladas a distâncias da ordem de 300m de áreas residenciais(segundo a Associação Americana de Energia Eólica – AWEA). Esses aspectos contribuem para que a tecnologia eólico-elétrica apresente o mínimo impacto ambiental entre as fontes de geração na mesma ordem de gigawatts.
O grande problema do gerador com eixo horizontal é a necessidade de medir constantemente a velocidade do vento para decidir se ele deve permanecer ligado ou não. Caso esteja ventando muito pouco, o custo para manter o gerador ligado é maior do que a energia produzida por ele, tornando necessário que o mesmo seja temporariamente desligado.
Apesar da grandiosidade dos modernos moinhos de vento, a tecnologia utilizada continua a mesma há 1000 anos. Porém, tudo indica que brevemente será suplantada por outras tecnologias de maior eficiência, como é o caso da turbovela, uma voluta vertical apropriada para capturar vento a baixa pressão ao passar nos rotores axiais protegidos internamente. Esse tipo oferece certos riscos de colisões das pás com objetos voadores (animais silvestres) mas não interfere na áudiovisão. Essa tecnologia já é uma realidade que tanto pode ser introduzida no meio ambiente marinho, uma vez que os animais aquáticos não correm riscos de colisão, como no ambiente terrestre.
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