Parece que todas as semanas, uma nova inovação em geradores eólicos é revelada, às vezes em blogs de tecnologia, às vezes em segmentos de TV, uma vez até mesmo em TED Talks. Todos eles afirmam ser melhores do que as turbinas eólicas icônicas, de três lâminas, de eixo horizontal, com as quais estamos mais familiarizados. Então, qual é o design mais eficiente para capturar a energia eólica? Se cada projeto estivesse sujeito a uma fonte de vento constante, e cada projeto tivesse a mesma área de superfície (para pás, aerofólios ou outro componente), o que geraria mais eletricidade no mesmo intervalo de tempo?
Resposta curta
Uma turbina eólica moderna de três lâminas de eixo horizontal geraria mais eletricidade. As reivindicações de desempenho superior por tecnologias alternativas acompanhadas de pedidos de investimento devem ser vistas com extremo ceticismo.
Possibilidade de geração máxima a partir de um volume de vento é determinada pela Lei de Betz (alternadamente conhecida como Limite de Betz). Betz calculou que a potência máxima que podia ser obtida do vento era de 59,3% da sua energia total.
Três turbinas eólicas de eixo horizontal
Vertical-turbinas eólicas de eixo com pás aerodinâmicas
Cabo, geradores eólicos voadores (protótipos e renderings apenas no momento)
Horizontal-geradores eólicos de eixo de vários tipos sem componente aerodinâmico para as pás
Vertical-geradores eólicos de eixo de vários tipos como o gerador Savonius sem pás aerodinâmicas
Vários dispositivos que se parecem com motores a jacto, ou motores a jacto com grandes funis, cones com pistões (o Saphonian ) ou saca-rolhas
Towers que utilizam aquecimento solar passivo em torno da sua base para criar ventos fortes que passam pelas pás das turbinas eólicas girando dentro da torre
Como é que se empilham?
Existem hoje mais de 300.000 turbinas eólicas de três lâminas, de eixo horizontal, em escala de utilização, que geram energia. Elas são a forma vencedora de geração porque são as mais eficazes. As razões são fáceis de explicar:
Pás aerodinâmicas adicionam um componente de força relacionada com a elevação para conduzir a pá mais rapidamente. Esta é uma vantagem significativa sobre os moinhos de vento, sejam eles de eixo horizontal ou vertical. Qualquer aerogerador com pás aerodinâmicas sempre gerará mais eletricidade do que o melhor gerador sem elevador aerodinâmico como componente de captação de energia.
As pás do design de três lâminas estão sempre voando através de ar limpo. A turbulência da passagem da lâmina anterior já foi transportada para baixo do vento quando a lâmina seguinte passa pelo mesmo ponto. As turbinas de vento de eixo vertical, sejam elas de lâmina ou de pura arrasto, estão voando através de ar turbulento em uma porcentagem significativa do tempo. O ar limpo permite aos HAWT de três pás uma vantagem considerável.
As pás do desenho das três lâminas são sempre apresentadas no ângulo óptimo para o vento que se aproxima. As turbinas aerodinâmicas de eixo vertical com pás mudam constantemente o ângulo de suas pás para o vento que vem vindo, e apenas uma porção dos melhores projetos estão em um ângulo ótimo em um determinado momento. Alinhar as pás dos HAWTs ao ar em sentido contrário requer quantidades triviais de energia em comparação com esta vantagem. Os geradores eólicos Savonius (com o nome de um engenheiro finlandês que criou uma variante comum em 1922) são ainda piores, pois captam o vento na concavidade em metade de sua área de superfície e derramam o vento na porção convexa com o conseqüente arrasto e turbulência adicional na outra metade de sua área de superfície. (Analisei um investimento potencial para uma pequena empresa na capacidade de micro-geração e vi que o inventor tinha criado 5 ‘inovações’ em torno da premissa básica de Savonius que a levou de uma forma barata de energia suficiente para pequenos usos de irrigação para uma forma muito cara de geração de energia suficiente para pequenos usos de irrigação). Para o contexto, aqui está um moinho de vento de irrigação Savonius de baixo custo, feito de um velho barril de plástico e alguma sucata de madeira.
Três lâminas sobem bem de escala. Uma das maiores vantagens é que você pode colocar um conjunto muito grande de lâminas em uma torre muito alta e recolher muito vento acima do ponto onde ele abranda devido ao contato com o solo.
Muitos projetos ‘inovadores’ foram propostos que usam algum tipo de efeito Venturi em combinação com rotores de turbinas, mas o problema fundamental é que, para recolher vento suficiente, você tem que escalar a casca externa até o ponto em que o peso e os custos de material se tornam proibitivos. Uma cobertura exterior tem de ser escalada pelo menos até ao quadrado do diâmetro e provavelmente até mais. Uma turbina eólica de 3 MW com pás de 80 metros pode captar um subconjunto da energia a partir de 20.096 metros quadrados de ar. Uma casca de Venturi nessa escala teria uma circunferência de 251,2 metros, provavelmente teria que ter pelo menos 10 metros de largura antes que os efeitos perceptíveis começassem a fazer efeito e pesaria uma enorme quantidade.
Outros projetos ‘inovadores’ voam dispositivos de captação de vento de algum tipo ou outro – pás de turbinas com casco de balão, armações com turbinas, pipas com turbinas – para um vento mais constante e mais alto fora do solo. O problema é que estes estão constantemente a entrar em limites de escala. O aerogerador com casca de dirigível começa a ter problemas de rigidez muito antes de chegar à escala de utilização, geração. Os papagaios voadores com lâminas começam a exigir cabos maciços e muito longos para resistir às forças. Geralmente estes protótipos são muito interessantes e nunca vêem o mercado. Todos eles começam a exigir instalações maciças no solo com guinchos extraordinariamente grandes quando você quer níveis de utilidade de geração. Quando você começa a pensar em níveis de força multiplicados por quilômetros de cabo, você começa a perceber que o peso e as despesas do cabo por si só se tornam proibitivos em qualquer nível útil de geração.
Três lâminas apenas se sentam em um lugar em um grande pilar quando estão gerando eletricidade. Isto é muito eficiente, o que é uma das razões pelas quais eles pagam a energia utilizada na construção mais rapidamente do que qualquer outra forma de geração elétrica. Um parque eólico na Austrália gerou 302 vezes a eletricidade que foi usada para ligá-los, freá-los e transformá-los em vento ao longo de um ano. Compare isso com os requisitos para uma turbina eólica voadora que tem que ser rebocada quando o vento não sopra, lançada quando o vento começa e tem um cabo pesado potencialmente com quilômetros de comprimento ajustado para maximizar a geração regularmente.
O gráfico abaixo é do livro de 2006 de E. Hau., Wind Turbines: Fundamentos, Tecnologias, Aplicação, Economia. Springer. Alemanha. 2006. Mesmo na época, esta não era uma notícia nova, mas apenas uma afirmação óbvia a ser incluída nos livros.
A torre eólica solar com pás de turbina chega mais perto de ser uma tecnologia interessante, porém a manutenção nunca é explorada. As turbinas são muitas vezes vistas como sendo empilhadas 3-7 ou mais horizontalmente no comprimento da torre. Alternativamente, muito menores são espaçadas ao redor da base da torre dentro dos túneis que conduzem a partir da matriz expansiva de vidro. Eles estarão operando em ventos muito quentes, provavelmente 45 graus Celsius ou mais, a velocidades de 50 km/h e superiores. Efectivamente, o dispositivo é um forno de convecção que cozinharia um humano em ordem curta. O trabalho dentro da torre exigiria fatos refrigerados e equipamento de respiração, se a velocidade do vento o tornasse viável. Tirar a cabeça ou as pás da turbina para fora da torre para fazer a manutenção seria um trabalho extraordinário. Fechando a entrada de vento seria necessário fechar as comportas em um diâmetro de cinco quilômetros.
Veja meu posto relacionado Investir cuidadosamente; as ‘inovações’ de energia eólica raramente são kosher para as perguntas a fazer sobre qualquer peça inovadora de geração de vento, especialmente se alguém está pedindo para você colocar dinheiro nisso.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
Porque é que as turbinas eólicas de eixo vertical não são mais populares?
As turbinas eólicas de eixo vertical são uma fonte plausível de energia barata?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
As turbinas eólicas pagam a ‘dívida’ ambiental total em menos de seis meses
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
O excelente material de Paul Gipe sobre economia de geração eólica
