Em geral, os rotores
de eixo vertical têm a vantagem de não necessitarem de mecanismos de
acompanhamento para variações da direção do vento, o que reduz a complexidade
do projeto e os esforços devido às forças de Coriolis. Os rotores de eixo
vertical também podem ser movidos por forças de sustentação (lift) e por forças
de arrasto (drag). Os principais tipos de rotores de eixo vertical são
Darrieus, Savonius e turbinas com torre de vórtices. Os rotores do tipo
Darrieus são movidos por forças de sustentação e constituem-se de lâminas
curvas (duas ou três) de perfil aerodinâmico, atadas pelas duas pontas ao eixo
vertical.
Figura 12 -
Aerogerador experimental de eixo vertical (SANDIA, 2006)
Os rotores de eixo
horizontal são os mais comuns, e grande parte da experiência mundial está
voltada para a sua utilização. São movidos por forças aerodinâmicas chamadas de
forças de sustentação (lift) e forças de arrasto (drag). Um corpo que obstrui o
movimento do vento sofre a ação de forças que atuam perpendicularmente ao
escoamento (forças de sustentação) e de forças que atuam na direção do
escoamento (forças de arrasto). Ambas são proporcionais ao quadrado da
velocidade relativa do vento. Adicionalmente, as forças de sustentação dependem
da geometria do corpo e do ângulo de ataque (formado entre a velocidade
relativa do vento e o eixo do corpo).
Os rotores que giram
predominantemente sob o efeito de forças de sustentação permitem liberar muito
mais potência do que aqueles que giram sob efeito de forças de arrasto, para
uma mesma velocidade de vento.
Os rotores de eixo
horizontal ao longo do vento (aerogeradores convencionais) são
predominantemente movidos por forças de sustentação e devem possuir mecanismos
capazes de permitir que o disco varrido pelas pás esteja sempre em posição
perpendicular ao vento. Tais rotores podem ser constituídos de uma pá e
contrapeso, duas pás, três pás ou múltiplas pás (multivane fans).
Construtivamente, as pás podem ter as mais variadas formas e empregar os mais
variados materiais. Em geral, utilizam-se pás rígidas de madeira, alumínio ou
fibra de vidro reforçada.
Figura 13 -
Aerogerador de eixo horizontal
Quanto à posição do
rotor em relação à torre, o disco varrido pelas pás pode estar a jusante do
vento (down wind) ou a montante do vento (up wind). No primeiro caso, a
“sombra” da torre provoca vibrações nas pás. No segundo caso, a “sombra” das
pás provoca esforços vibratórios na torre. Sistemas a montante do vento
necessitam de mecanismos de orientação do rotor com o fluxo de vento, enquanto
nos sistemas a jusante do vento, a orientação realiza-se automaticamente.
Os rotores mais
utilizados para geração de energia elétrica são os de eixo horizontal do tipo
hélice, normalmente compostos de 3 pás ou em alguns casos (velocidades médias
muito altas e possibilidade de geração de maior ruído acústico) 1 ou 2 pás.
As principais
configurações de um aerogerador de eixo horizontal podem ser vistas na figura
14. Estes aerogeradores são diferenciadas pelo tamanho e formato da nacele,
pela presença ou não de uma caixa multiplicadora e pelo tipo de gerador
utilizado (convencional ou multipolos). A seguir são apresentados os principais
componentes do aerogerador que são, de uma forma geral, a torre, a nacele e o
rotor.
Figura 14 -
Componentes de um aerogerador de eixo horizontal
Nacele
É a carcaça montada
sobre a torre, onde se situam o gerador, a caixa de engrenagens (quando
utilizada), todo o sistema de controle, medição do vento e motores para rotação
do sistema para o melhor posicionamento em relação ao vento. A figura 15 e 16
mostram os principais componentes instalados em dois tipos de naceles, uma
delas utilizando um gerador convencional e outra utilizando um gerador
multipolos.
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1. Controlador do Cubo
2. Controle pitch
3. Fixação das pás no
cubo
4. Eixo principal
5. Aquecedor de óleo
6. Caixa
multiplicadora
7. Sistema de freios
8. Plataforma de
serviços
9. Controladores e
Inversores
10. Sensores de direção
e velocidade do vento
11. Transformador de
alta tensão
12. Pás
13. Rolamento das pás
14. Sistema de trava do
rotor
15. Sistema hidráulico
16. Plataforma da
nacele
17. Motores de
posiciona-mento da nacele
18. Luva de acoplamento
19. Gerador
20. Aquecimento de ar
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Figura 15 – Vista do
interior da nacele de um aerogerador utilizando um gerador convencional
(Fonte: VESTAS, 2006)
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1. Apoio principal da
nacele
2. Motores de
orientação da nacele
3. Gerador em anel
(multipolos)
4. Fixador das pás ao
eixo
5. Cubo do rotor
6. Pás
7. Sensores de direção
e velocidade do vento
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Figura 16 – Vista do
interior da nacele de um aerogerador utilizando um gerador multipolos
(Fonte: ENERCON, 2006)
Pás, cubo e eixo
As pás são perfis
aerodinâmicos responsáveis pela interação com o vento, convertendo parte de sua
energia cinética em trabalho mecânico. Inicialmente fabricadas em alumínio,
atualmente são fabricadas em fibras de vidro reforçadas com epoxi. Nos
aerogeradores que usam controle de velocidade por passo, a pá dispõe de
rolamentos em sua base para que possa girar, modificando assim seu ângulo de
ataque.
As pás são fixadas
através de flanges em uma estrutura metálica a frente do aerogerador denominada
cubo. Esta estrutura é construída em aço ou liga de alta resistência. Para os
aerogeradores que utilizem o controle de velocidade por passo, o cubo, além de
apresentar os rolamentos para fixação das pás, também acomoda os mecanismos e
motores para o ajuste do ângulo de ataque de todas as pás. É importante citar
que por se tratar de uma peça mecânica de alta resistência, o cubo é montado de
tal forma que, ao sair da fábrica, este apresenta-se como peça única e compacta
viabilizando que, mesmo para os aerogeradores de grande porte, seu transporte
seja feito sem a necessidade de montagens no local da instalação.
O eixo é o
responsável pelo acoplamento do cubo ao gerador, fazendo a transferência da
energia mecânica da turbina. É construído em aço ou liga metálica de alta resistência.
Figura 17 – Detalhe
de um e um pátio com diversos modelos de pás
Transmissão e Caixa Multiplicadora
A transmissão, que
engloba a caixa multiplicadora, possui a finalidade de transmitir a energia
mecânica entregue pelo eixo do rotor até o gerador. É composta por eixos,
mancais, engrenagens de transmissão e acoplamentos. A figura 14 apresenta a
localização da caixa multiplicadora dentro do sistema de geração eólica.
O projeto tradicional
de uma turbina eólica consiste em colocar a caixa de transmissão mecânica entre
o rotor e o gerador, de forma a adaptar a baixa velocidade do rotor à
velocidade de rotação mais elevada dos geradores convencionais.
A velocidade angular
dos rotores geralmente varia na faixa de 20 a 150rpm, devido às restrições de
velocidade na ponta da pá (tip speed). Entretanto, geradores (sobretudo
geradores síncronos) trabalham em rotações muito mais elevadas (em geral, entre
1.200 a 1.800rpm), tornando necessária a instalação de um sistema de
multiplicação entre os eixos.
Mais recentemente,
alguns fabricantes desenvolveram com sucesso aerogeradores sem a caixa
multiplicadora e abandonaram a forma tradicional de construí-los. Assim, ao
invés de utilizar a caixa de engrenagens com alta relação de transmissão,
necessária para alcançar a elevada rotação dos geradores, utilizam-se geradores
multipolos de baixa velocidade e grandes dimensões.
Os dois tipos de
projetos possuem suas vantagens e desvantagens e a decisão em usar o
multiplicador ou fabricar um aerogerador sem caixa de transmissão é, antes de
tudo, uma questão de filosofia do fabricante.
Figura 18 - Gerador
conectado a caixa de engrenagens (vista à direita)
Gerador
A transformação da
energia mecânica de rotação em energia elétrica através de equipamentos de
conversão eletro-mecânica é um problema tecnologicamente dominado e, portanto,
encontram-se vários fabricantes de geradores disponíveis no mercado.
Entretanto, a
integração de geradores no sistema de conversão eólica constitui-se em um
grande problema, que envolve principalmente:
- variações
na velocidade do vento (extensa faixa de rotações por minuto para a
geração);
- variações
do torque de entrada (uma vez que variações na velocidade do vento induzem
variações de potência disponível no eixo);
- exigência
de freqüência e tensão constante na energia final produzida;
- dificuldade
de instalação, operação e manutenção devido ao isolamento geográfico de
tais sistemas, sobretudo em caso de pequena escala de produção (isto é,
necessitam ter alta confiabilidade).
Atualmente, existem
várias alternativas de conjuntos moto-geradores, entre eles: geradores de
corrente contínua, geradores síncronos, geradores assíncronos, geradores de
comutador de corrente alternada. Cada uma delas apresenta vantagens e
desvantagens que devem ser analisadas com cuidado na sua incorporação ao
sistema de conversão de energia eólica.
Figura 19 - Gerador
convencional
Figura 20 - Gerador
multipolos
Torre
As torres são
necessárias para sustentar e posicionar o rotor a uma altura conveniente para o
seu funcionamento. É um item estrutural de grande porte e de elevada
contribuição no custo do sistema. Inicialmente, as turbinas utilizavam torres
de metal treliçado. Com o uso de geradores com potências cada vez maiores, as
naceles passaram a sustentar um peso muito elevado tanto do gerador quanto das
pás. Desta forma, para dar maior mobilidade e segurança para sustentar toda a
nacele em alturas cada vez maiores, tem-se utilizado torres de metal tubular ou
de concreto que podem ser sustentadas ou não por cabos tensores.
Os mecanismos de
controle destinam-se à orientação do rotor, ao controle de velocidade, ao
controle de carga, etc. Pela variedade de controles, existe uma enorme
variedade de mecanismos que podem ser mecânicos (velocidade, passo, freio),
aerodinâmicos (posicionamento do rotor) ou eletrônicos (controle da carga).
Os modernos
aerogeradores utilizam dois diferentes princípios de controle aerodinâmico para
limitar a extração de potência à potência nominal do aerogerador. São chamados
de controle estol (Stall) e controle de passo (Pitch). No passado, a maioria
dos aerogeradores usavam o controle estol simples; atualmente, entretanto, com
o aumento do tamanho das máquinas, os fabricantes estão optando pelo sistema de
controle de passo, que oferece maior flexibilidade na operação das turbinas
eólicas.
O controle de passo é
um sistema ativo que normalmente necessita de uma informação vinda do sistema
de controle. Sempre que a potência nominal do gerador é ultrapassada, devido à
um aumento da velocidade do vento, as pás do rotor giram em torno do seu eixo
longitudinal; em outras palavras, as pás mudam o seu ângulo de passo para
reduzir o ângulo de ataque. Esta redução do ângulo de ataque diminui as forças
aerodinâmicas atuantes e, conseqüentemente, a extração de potência do vento.
Para todas as velocidades de vento superiores à velocidade nominal, o ângulo é
escolhido de forma que o aerogerador produza apenas a potência nominal.
Figura 21 - Fluxo
aderente ao perfil
Sob todas as
condições de vento, o escoamento em torno dos perfis das pás do rotor é
bastante aderente à superfície (Figura 21), produzindo, portanto, sustentação
aerodinâmica e pequenas forças de arrasto. Aerogeradores com controle de passo
são mais sofisticadas do que as de passo fixo, controladas por estol, porque
necessitam de um sistema de variação de passo. Por outro lado, elas possuem
certas vantagens:
- permitem
controle de potência ativo sob todas as condições de vento, também sob
potências parciais
- alcançam
a potência nominal mesmo sob condições de baixa massa específica do ar
(grandes altitudes dos sítios, altas temperaturas)
- maior
produção de energia sob as mesmas condições (sem diminuição da eficiência
na adaptação ao estol da pá)
- partida
simples do rotor pela mudança do passo
- fortes
freios desnecessários para paradas de emergência do rotor
- cargas
das pás do rotor decrescentes com ventos aumentando acima da potência
nominal
- posição
de embandeiramento das pás do rotor para cargas pequenas em ventos
extremos
- massas
das pás do rotor menores levam a massas menores dos aerogeradores
Figura 22 - Forma
típica de uma curva de potência de um
aerogerador com controle de passo
O controle estol é um
sistema passivo que reage à velocidade do vento. As pás do rotor são fixas em
seu ângulo de passo e não podem girar em torno de seu eixo longitudinal. O
ângulo de passo é escolhido de forma que, para velocidades de vento superiores
a velocidade nominal, o escoamento em torno do perfil da pá do rotor descola da
superfície da pá (estol) (Figura 23), reduzindo as forças de sustentação e
aumentando as forças de arrasto. Menores sustentações e maiores arrastos atuam
contra um aumento da potência do rotor. Para evitar que o efeito estol ocorra
em todas as posições radiais das pás ao mesmo tempo, o que reduziria
significativamente a potência do rotor, as pás possuem uma pequena torção
longitudinal que as levam a um suave desenvolvimento deste efeito.
Figura 23 - Fluxo
separado (estol) em volta do perfil
Sob todas as
condições de ventos superiores à velocidade nominal o fluxo em torno dos perfis
das pás do rotor é, pelo menos, parcialmente descolado da superfície (Figura
23), produzindo, portanto sustentações menores e forças de arrasto muito mais
elevadas. Aerogeradores com controle estol são mais simples do que as de
controle de passo porque elas não necessitam de um sistema de mudança de passo.
Em comparação com os aerogeradores com controle de passo, eles possuem, em
princípio, as seguintes vantagens:
- inexistência
de sistema de controle de passo
- estrutura
de cubo do rotor simples
- menor
manutenção devido a um número menor de peças móveis
- auto-confiabilidade
do controle de potência
Em termos mundiais, o
conceito de controle através de estol domina. A maioria dos fabricantes utiliza
esta possibilidade simples de controle de potência, que sempre necessita uma
velocidade constante do rotor, geralmente dada pelo gerador de indução
diretamente acoplado à rede.
Apenas nos dois
últimos anos uma mistura de controle por estol e de passo apareceu, o conhecido
“estol ativo”. Neste caso, o passo da pá do rotor é girado na direção do estol
e não na direção da posição de embandeiramento (menor sustentação) como é feito
em sistema de passo normais. As vantagens deste sistema são:
- são
necessárias pequeníssimas mudanças no ângulo do passo
- possibilidade
de controle da potência sob condições de potência parcial (ventos baixos)
- a
posição de embandeiramento das pás do rotor para cargas pequenas em
situação de ventos extremos
Figura 24 - Curva de
potência típica de um aerogerador com controle tipo estol.
Aerogerador de Eixo Vertical
Aerogerador de Eixo
Vertical Eixo Vertical
Aerogeradores de eixo vertical(AEVs) tendem a ser mais seguros,
mais fáceis de construir, podem ser montados mais perto do solo e lidam muito
melhor com condições de turbulência. Possuem torres baixas, entre 0,1 e 0,5
vezes a altura do próprio rotor, o que permite a colocação de todo o
dispositivo de conversão de energia (gerador, caixa de velocidades, etc) na
base do aproveitamento, o que facilita as operações de manutenção. Além disso,
neste tipo de aerogerador não é necessário o dispositivo de orientação da
turbina face ao vento, tal como acontece nos aerogeradores de eixo horizontal.
Possuem também uma velocidade de arranque mais baixa do que a dos aerogeradores
de eixo horizontal, o que lhes dá vantagem em condições de vento reduzido.
Por outro lado, eles não são tão eficientes como os
aerogeradores de eixo horizontal. Isso acontece porque o vento junto ao solo é
de mais fraca intensidade, o que implica um menor rendimento deste tipo de
aerogeradores e a torre fica sujeita a elevados esforços mecânicos. Devido a
essas razões, os construtores atualmente privilegiam os aerogeradores de eixo
horizontal.
Este tipo de aerogeradores é especialmente indicado para meios
urbanos porque além de ser silencioso, aproveita o vento mesmo que a direção
deste não seja constante e haja a formação de turbilhões, o que acontece
frequentemente em áreas com edifícios, árvores e outros obstáculos.
Aerogeradores de eixo vertical são difíceis de se encontrar à
venda. Isso acontece porque apesar de terem vantagens em algumas circunstâncias,
perdem claramente em rentabilidade quando as condições de vento são boas. Por
isso nunca veremos um parque eólico com AEVs, resumindo-se o seu uso a pequenos
projetos e a algumas instalações em ambiente urbano.
Os rotores de eixo vertical são geralmente mais baratos que os
de eixo horizontal, pois o gerador não gira seguindo a direção do vento, apenas
o rotor gira enquanto o gerador fica fixo. Porém, como já foi dito, seu
desempenho é inferior.
Os dois tipos de estruturas de aerogeradores de eixo vertical
mais utilizados baseiam-se no princípio do accionamento diferencial ou da
variação cíclica de incidência da força.
Rotor
de Savonius:
• O
Rotor de Savonius baseia-se no princípio do accionamento diferencial. Os
esforços exercidos pelo vento em cada uma das faces do corpo oco são de
intensidades diferentes, resultando um binário responsável pelo movimento
rotativo do conjunto.
Esquema do princípio de
funcionamento do rotor de Savonius
Esquema do rotor de
Savonius
O Rotor do tipo Savonius é um dos mais simples, é movido
principalmente pela força de arrasto do ar. Sua maior eficiência se dá em
ventos fracos, e pode chegar a 20%.
Rotor
de Darrieus:
O Rotor de Darrieus baseia-se
no princípio da variação cíclica de incidência. Um perfil colocado ao vento
segundo diferentes ângulos fica submetido a forças de intensidade e direção
variáveis; a resultante destas forças gera um binário motor responsável pela
rotação do dispositivo.
Foto de um aerogerador de
Darrieus
Esquema do rotor de
Darrieus.
O rotor do tipo darrieus é constituído por 2 ou 3 pás (como as
dos helicópteros), funciona através de força de sustentação tendo assim uma
eficiência melhor que a do rotor savonius, podendo chegar a 40% em ventos
fortes.
