Turbina eólica

Uma turbina eólica é um rotor de pás compridas, com perfil de asa, que o vento faz girar e que aciona um gerador elétrico no alto de uma torre. As pequenas carregam baterias; as grandes, com rotores de mais de cem metros de diâmetro, injetam energia na rede através de um transformador.

O que é

Uma turbina eólica é um moinho de vento feito para produzir eletricidade: o rotor faz girar um veio, e o veio aciona um gerador. A máquina aqui desenhada tem a disposição de quase todas as grandes turbinas de hoje. Três pás esguias (1) ficam de frente para o vento diante de uma torre de aço (7), e a nacela, no topo, guarda o trem de transmissão e roda para acompanhar o vento.

Como funciona

A potência do vento é P = ½·ρ·A·v³, em que ρ é a massa volúmica do ar, cerca de 1,2 kg/m³, A a área varrida pelo rotor e v a velocidade do vento. Um rotor de 3 metros de diâmetro varre cerca de 7,1 m². A 6 m/s, o vento que o atravessa transporta ½ × 1,2 × 7,1 × 6³ ≈ 920 watts; a 12 m/s, oito vezes mais, cerca de 7,4 kW. É por isso que as turbinas se erguem em torres altas, onde o vento sopra com mais força.

Nenhum rotor consegue ficar com toda essa potência. Retira energia travando o ar, mas o ar travado tem de continuar a sair por trás, ou não entraria ar novo. Por volta de 1920, o físico alemão Albert Betz mostrou que a parte máxima é 16/27, ou seja, 59,3%. As turbinas reais captam em geral 35–45% na sua gama de funcionamento; um grande rotor moderno aproxima-se de 48% no seu melhor ponto de funcionamento, e a caixa multiplicadora e o gerador perdem ainda um pouco.

A secção da pá é uma asa. A pá é torcida ao longo do comprimento porque a ponta anda muito mais depressa do que a raiz.

As pás modernas são perfis aerodinâmicos e trabalham por sustentação, como a asa de um avião. Ao deslocar-se depressa através do vento, a pá recebe ar que vem sobretudo de lado, e a sustentação no seu perfil puxa-a na rotação. A razão de velocidade de ponta, a velocidade da ponta da pá dividida pela do vento, ronda 7 nas turbinas de três pás ligadas à rede: com vento de 10 m/s, as pontas andam a cerca de 70 m/s.

No cubo (2), cada pá assenta num grande rolamento que permite rodá-la sobre o seu próprio eixo. Este controlo do passo permite ao rotor captar o máximo possível abaixo da velocidade nominal do vento e limitar a potência acima dela. A turbina arranca à velocidade de ligação, cerca de 3–5 m/s, e atinge a potência máxima à velocidade nominal. Acima da velocidade de corte, cerca de 25–29 m/s, põe as pás em bandeira, o rotor abranda e um travão segura-o. Um cata-vento na nacela indica a direção do vento, e os motores de orientação (6) rodam a nacela sobre uma coroa dentada, como fazia num moinho o leque de orientação, uma pequena roda de pás na traseira do capelo.

Nas máquinas grandes, o veio principal (3) gira a cerca de 8–20 rotações por minuto. Numa transmissão clássica, uma caixa multiplicadora (4) acelera esse movimento cerca de cem vezes para o gerador (5), que gira a mais de mil rotações por minuto. Outros modelos usam um gerador de velocidade média com menos engrenagens, ou dispensam a caixa com um gerador grande e lento de muitos polos magnéticos. A eletrónica de potência ajusta a corrente à frequência da rede, e um transformador elevador sobe a tensão.

Como se constrói

Uma pequena turbina pode carregar uma bateria de chumbo de 12 volts. Construa-a a partir de um projeto publicado e testado que especifique as pás, o mastro e a proteção contra o disparo; os passos seguintes mostram o que esse projeto deve cobrir. Informe-se primeiro sobre as regras de urbanismo locais e fale com os vizinhos.

Escolher o local. Junto ao solo, o vento é fraco e turbulento. Uma regra corrente põe a parte de baixo do rotor pelo menos 9 metros acima de qualquer obstáculo num raio de 90 metros. Um anemómetro à altura prevista dá uma primeira ideia em algumas semanas; um ano inteiro mostra as estações.

Escolher o gerador. Um motor de corrente contínua de ímanes permanentes, por exemplo de uma passadeira de corrida, serve de gerador. Faça-o girar com um berbequim a velocidades conhecidas, com uma carga de 12 volts ligada, e meça tensão e corrente: tem de dar uma corrente útil acima de cerca de 14 volts a umas centenas de rotações por minuto, uma velocidade que o rotor consiga atingir.

Pás cortadas de um tubo de plástico, um motor de passadeira e uma cauda de chapa.

Fazer o rotor. Os projetos de máquinas pequenas cortam muitas vezes as pás de um tubo de plástico ou talham-nas numa madeira leve de fio direito. Respeite o tipo de tubo, a espessura da parede e a forma da pá do projeto: as pás de tubo cansam-se e podem fissurar na raiz. Aperte a raiz de cada pá entre duas placas metálicas no cubo, equilibre o rotor até ele ficar parado em qualquer posição e substitua uma pá à primeira fissura. Um rotor de 1,1 metros de diâmetro recebe cerca de 70 watts de vento a 5 m/s; 10 a 20 watts na bateria é uma estimativa grosseira que só uma medição pode confirmar.

Mastro e cauda. Uma cauda plana num braço mantém o rotor virado para o vento. Monte o motor sobre um pivô no topo de um tubo de aço com pé articulado, e ancore as espias a uma distância do pé entre metade e três quartos da altura do mastro, para o poder baixar até ao chão. Use o mastro do projeto, ancoragens dimensionadas para a carga e um guincho manual para o levantar.

Proteger contra o disparo. Com uma rajada, ou sem carga elétrica, um rotor pode girar até se partir. Uma turbina ao ar livre precisa de uma proteção automática: muitas pequenas turbinas têm uma cauda articulada que roda o rotor para fora do vento forte; outras contam com a perda aerodinâmica ou com pás de passo variável. Sem essa proteção, uma turbina não deve funcionar ao ar livre; e mesmo com ela, pare e baixe uma pequena turbina antes de uma tempestade.

A ligação elétrica. Ligue o gerador à bateria através de um fusível e de um díodo de bloqueio, que impede a bateria de pôr o motor a girar. Um regulador de desvio, dimensionado para a corrente do gerador e ligado segundo o seu próprio esquema, vigia a tensão da bateria e envia a potência para uma carga de desvio quando ela está cheia: resistências capazes de absorver toda a potência à tensão da bateria, porque um aquecedor de rede quase nada consome a 12 volts. Um interruptor que curto-circuita o gerador trava o rotor com vento fraco, mas não o imobiliza; prenda uma pá ao mastro antes de mexer no rotor.

Para um modelo de mesa, ponha um pequeno motor com pás de cartolina diante de uma ventoinha e meça a tensão em cada velocidade.

Segurança. As pontas das pás andam muito mais depressa do que parece: nunca fique no plano do rotor. Nunca suba a um mastro enquanto a turbina puder girar; pare-a e baixe o mastro. Mantenha toda a gente a uma distância maior do que a altura do mastro quando o levanta ou baixa, e mantenha o mastro e a sua zona de queda bem longe de linhas elétricas aéreas. As baterias de chumbo contêm ácido sulfúrico e libertam hidrogénio explosivo durante a carga: guarde-as numa caixa ventilada, longe de faíscas e das divisões habitadas. Um curto-circuito nos terminais de uma bateria pode derreter fios e provocar um incêndio. Nunca ligue você mesmo uma turbina à instalação de um edifício ou à rede: é preciso um inversor homologado e um eletricista qualificado.

História e evolução

Em julho de 1887, James Blyth, professor em Glasgow, ergueu um moinho de quatro velas de pano junto à sua casa de férias em Marykirk, na Escócia. O seu dínamo carregava acumuladores que iluminavam a casa. Em 1883 tinha sido mostrado em Viena um dínamo movido pelo vento, mas o de Blyth é o primeiro bem documentado em uso diário.

A máquina de Brush em Cleveland: 144 pás de cedro num rotor de 17 metros.

No inverno de 1887-1888, Charles F. Brush construiu em Cleveland, no Ohio, um dínamo eólico com 144 pás de cedro sobre uma torre de 18 metros. Carregava 12 baterias. O seu dínamo é em geral indicado como de 12 kW, embora um artigo de jornal posterior fale de 1,2 kW. A partir de 1891, Poul la Cour ensaiou turbinas eólicas em Askov, na Dinamarca; mais tarde formou também eletricistas rurais para as construir.

As quintas americanas compraram turbinas de carga em grande número; só os irmãos Jacobs fabricaram cerca de 20 000 antes de fechar em 1956, quando a rede chegou aos campos. A 19 de outubro de 1941, a turbina de duas pás Smith-Putnam, no Vermont, com 1,25 MW, foi ligada à rede; em 1945 perdeu uma pá. Em 1957, Johannes Juul construiu em Gedser, na Dinamarca, uma turbina de 200 kW com três pás, regulação por perda aerodinâmica e gerador assíncrono. Este «conceito dinamarquês» marcou as turbinas construídas a partir do final dos anos 1970.

Em 2025 foi montado para ensaios na China um protótipo de 26 MW com um rotor de 310 metros. Nesse ano, o vento produziu 8,5% da eletricidade mundial.