Qual é mais eficiente, turbinas eólicas de eixo vertical ou de eixo horizontal?

Atualmente, a eficiência das turbinas eólicas de eixo horizontal com três pás, convencionais, é muito maior do que a das turbinas eólicas de eixo vertical.

Essa diferença de eficiência é fundamental. O principal indicador para medir a eficiência é o "coeficiente de utilização da energia eólica", que representa quanta energia uma turbina eólica consegue capturar do vento. Os modernos ventiladores de eixo horizontal de grande escala podem atingir uma eficiência de 45% a 50%, o que se aproxima do limite teórico (59,3%, conhecido como limite de Bez). Em contrapartida, a eficiência dos ventiladores de eixo vertical é muito menor, tipicamente entre 15% e 40%, dependendo do seu tipo de projeto.

Por que a eficiência dos ventiladores de eixo horizontal é tão alta?

Isso se deve principalmente ao seu princípio de funcionamento:

Todas as pás cortam o vento simultaneamente no ângulo ideal: as pás de um ventilador de eixo horizontal são projetadas para se assemelharem às asas de uma aeronave (perfil aerodinâmico). Quando o vento sopra, ele gera uma enorme força de sustentação, que é a principal força motriz para a rotação das pás. Devido ao fato de as pás girarem sempre na mesma direção, a maior parte de toda a superfície da pá consegue capturar a energia eólica de forma contínua e eficiente.

Alta velocidade: Os ventiladores de eixo horizontal podem atingir velocidades muito altas, o que os torna muito eficientes no acionamento do gerador para produzir eletricidade.

Por que a eficiência dos ventiladores de eixo vertical é menor?

O modo de funcionamento dos ventiladores de eixo vertical (principalmente do tipo "Dario", que se assemelha a um batedor de ovos) é diferente:

As pás movem-se para a frente e para trás com o vento: à medida que giram para diferentes posições, o seu ângulo em relação à direção do vento muda constantemente. Apenas em certos ângulos específicos as pás conseguem captar a energia eólica de forma eficiente; no entanto, noutras posições (como quando giram de volta para o lado de onde vem o vento), as pás geram resistência. Esta característica de "competir consigo mesma" limita fundamentalmente a sua eficiência.

Desempenho de inicialização deficiente: Muitas ventoinhas de eixo vertical não conseguem iniciar sozinhas e necessitam de assistência externa.

Embora haja uma grande diferença em termos de eficiência, os ventiladores de eixo vertical têm suas vantagens. Eles possuem uma série de características únicas que os tornam insubstituíveis em determinados cenários específicos.

Vantagens e desvantagens dos ventiladores de eixo horizontal:

Vantagens:

Principais vantagens: altíssima eficiência e a melhor viabilidade econômica para geração de energia em larga escala.

Desvantagens:

Necessidade de alinhamento com a direção do vento: Um sistema complexo de "guinada" deve ser instalado para ajustar constantemente a cabine e alinhá-la com a direção do vento, assim como um marcador de direção do vento.

Estrutura complexa e altos custos de manutenção: Geradores e caixas de engrenagens pesados ​​são instalados no topo de torres com dezenas ou até centenas de metros de altura, tornando a manutenção e o reparo muito difíceis e caros.

Ruído alto: A ponta da lâmina giratória em alta velocidade produzirá muito ruído.

Requisitos elevados para o ambiente de instalação: são necessárias condições de vento estáveis ​​e suaves, o que pode não ser ideal em cidades com ventos turbulentos e fortes.

Vantagens e desvantagens dos ventiladores de eixo vertical:

Vantagens:

Não precisa de vento: o vento de qualquer direção pode fazê-lo girar, eliminando a necessidade de um sistema de guinada.

Estrutura simples e fácil manutenção: Os principais equipamentos, como o gerador e a caixa de engrenagens, são instalados no nível do solo, e a equipe de manutenção não precisa subir em grandes alturas, resultando em baixos custos de manutenção.

Baixo ruído: A velocidade geralmente é mais lenta e o funcionamento é mais silencioso.

Adaptável a condições de vento complexas: É muito adequado para ambientes urbanos com direções de vento variáveis ​​e turbulência, podendo ser instalado em telhados.

Baixa velocidade de vento para partida: Alguns tipos (como o tipo S) podem iniciar com uma brisa suave.

Desvantagens:

Principal desvantagem: Baixa eficiência.

Existe um risco estrutural: alguns projetos sofrem alta tensão na base das pás durante a rotação em alta velocidade, o que pode facilmente causar problemas.

Portanto, a conclusão final é:

Se você deseja construir um grande parque eólico e buscar a maximização da geração de energia e dos benefícios econômicos, as turbinas eólicas de eixo horizontal de "alta eficiência" são a única opção viável. É por isso que quase todos os aerogeradores que vemos em operação possuem eixos horizontais.

Mas se você precisa de um gerador "pouco exigente e fácil de usar" para cenários distribuídos, como o fornecimento de energia para postes de iluminação pública, edifícios e estações base remotas, especialmente em cidades com direção do vento instável, então um ventilador de eixo vertical "de baixa eficiência, porém robusto e durável" pode ser uma escolha mais adequada.

Em resumo, o eixo horizontal representa os "alunos de destaque" que buscam desempenho e crescimento, enquanto o eixo vertical representa os "alunos talentosos" que se adaptam a ambientes específicos. Em termos de pura eficiência, os alunos alinhados ao eixo horizontal apresentam melhor desempenho.