14/06/23

Por que os aerogeradores geralmente têm três pás?

Figura 01 — Parque eólico no Brasil. Fonte: Acervo Ecotchene Energias Renováveis, 2023.

Descendentes dos moinhos de vento, usados há mais de mil anos para gerar energia mecânica, os aerogeradores são, hoje, o principal componente da geração de energia elétrica eólica. Os rotores de eixo horizontal são os mais usados porque, apesar de apresentarem um custo um pouco mais alto que os de eixo vertical, são mais eficientes e apresentam maior rendimento. Movidas aerodinamicamente, as pás, que são feitas de fibra de vidro e carbono pré-impregnado, com reforço de epóxi, obstruem o movimento do vento e permitem a transformação de energia mecânica em elétrica ao sofrerem forças perpendiculares ao escoamento, conhecidas por forças de sustentação (lift), assim como na direção do escoamento, por forças de arrasto (drag).

Figura 02 — Diferentes conceitos para aerogeradores. Fonte: AMARAL, 2011.

Colocados em torres de 80 a 100 metros de altura, ideal para a velocidade dos ventos, que aumenta quanto maior a altitude, os aerogeradores podem ter de uma a três, ou múltiplas pás. No entanto, o desenvolvimento de pesquisa na indústria concluiu que o padrão atual é utilizar três pás, número que gera dúvida em muitas pessoas quando olham uma usina eólica. Por isso, neste texto responderemos: por que as usinas são formadas comumente por três pás?

Não é simplesmente um número arbitrário, muito menos uma questão estética. Dentre as respostas estão a estabilidade e as vantagens econômicas. A presença de três pás se deve ao fato de possibilitarem uma maior estabilidade, já que distribuem as tensões na movimentação da máquina e imprimem equilíbrio, além de possibilitarem um maior lucro e menos materiais.

Para compreendermos as razões, podemos comparar com uma porca e pensar que cada pá é uma chave que permite a movimentação e a criação de força. Quando aumentamos o comprimento da chave, geramos mais força para a rotação. As turbinas eólicas seguem o mesmo princípio, então, se adicionamos uma pá, a rotação aumenta, bem como a força criada. Contudo, é preciso considerarmos que cada turbina apresenta, em média, 164 metros de diâmetro e pesa em torno e 33 toneladas, custando milhares de dólares. Os aerogeradores estão cada vez com diâmetros maiores porque os estudos comprovam que quanto maior, melhor é a potência extraída.

Figura 03 — Dimensão de um aerogerador. Fonte: Real Engineering (https://youtu.be/RNPIRfxUTQ4)

Podemos comparar a turbina padrão, de três pás, com seus concorrentes de duas e quatro pás. A turbina com 4 pás é rapidamente eliminada por questões de custo-benefício, porque cada pá apresenta um valor muito alto, de forma que a performance não compensa. Nesse sentido, se tivermos o objetivo de aumentarmos o desempenho, o valor adicional do material não justifica o acréscimo da quarta pá.

Figura 04 — Relação entre custo-benefício. Fonte: Real Engineering (https://youtu.be/RNPIRfxUTQ4)

Em relação à segunda pá, há a possibilidade de igualar seu desempenho com o da turbina de 3 pás com o aumento de metade de sua largura, o que elimina sua vantagem de lucro por ser necessária uma quantidade maior de material. Além disso, é necessário aumentar sua velocidade de rotação 22,5% para que girem mais rápido com a mesma velocidade do vento com uma menor resistência, mudança com efeito negativo, visto que se gera mais ruído, criando poluição sonora, de modo que tanto as pás quanto seu eixo central precisarão ser mais resistentes, adicionando mais custos aos componentes da turbina.

Ainda, mesmo que sejam mais eficientes, o aumento da velocidade pode trazer riscos de segurança por poderem prejudicar a estrutura da torre. Dessa forma, a turbina com três pás possibilita maior potência com velocidade de resistência inferior, bem como é mais barata para geração alta escala.

Texto: Leticia Pilger
Editor: Paulo Renato Reche