CAPÍTULO 3 ROTORES - Minerva.ufpel.tche.br

CAPÍTULO 3<br />
ROTORES<br />
O<br />
componente básico em qualquer equipamento eólico é o rotor. É ele<br />
quem efetivamente capta a energia do vento e a transforma em<br />
energia mecânica, através de um movimento rotativo.<br />
A posição relativa do eixo que sustenta o rotor e a superfície<br />
terrestre divide os equipamentos eólicos em dois grupos: os de eixo vertical e os de eixo<br />
horizontal, como se verá adiante.<br />
3.1 FORÇAS QUE ATUAM SOBRE UM ROTOR<br />
A Figura 3.1 mostra o fluxo de vento em um rotor eólico. As forças que agem<br />
sobre as hélices podem ser decompostas em duas<br />
componentes: (a) força de lift 1 ou de empuxo, que tende<br />
a levantar a hélice e (b) força de drag 2 ou de arrasto,<br />
que tende a fazer com que o rotor gire tendo como eixo<br />
de rotação sua estrutura de suporte.<br />
Figura 3.1 – Decomposição da força do vento incidente<br />
sobre um corpo fixado a eixo.<br />
3.2 ROTORES DE EIXO VERTICAL (REVs)<br />
São aqueles cujo eixo de rotação é perpendicular à direção do vento incidente e,<br />
por conseqüência, à superfície da terra. A esta categoria pertencem as primeiras<br />
máquinas eólicas, utilizadas há muitos sécu1os antes de Cristo na moagem de grãos<br />
(Figura 3.2).<br />
A principal vantagem dos REVs é sua capacidade de funcionar seja qual for a<br />
direção do vento, não necessitando de mecanismos de orientação que onerem o custo<br />
do equipamento. Também a disposição vertical do eixo é uma vantagem, pois,<br />
geralmente, são requeridas estruturas de sustentação mais simples, além de permitir a<br />
1 palavra inglesa que derivada do verbo “levantar”.<br />
2 arrasto, em inglês.

tomada de energia mecânica ao nível do solo (isto é, o acoplamento do rotor com a<br />
máquina a ser acionada é feito próximo ao solo).<br />
(a) (b)<br />
Figura 3.2 – Moinho eólico persa do século 20 a.C.: (a) vista em perspectiva (adaptada de<br />
Soren Kron, 2002); (b) vista em corte.<br />
Em contrapartida, de um modo geral esses rotores desenvolvem pouca<br />
potência por unidade de área de captação do vento. Outro inconveniente dos REVs é<br />
o de não atingirem velocidades superiores à do vento, o que limita sua utilização como<br />
força motriz de equipamentos de moagem de grãos ou bombeamento de água.<br />
A seguir, são destacados alguns REVs especialmente importantes.<br />
3.2.1 Rotor Savonius<br />
Os rotores Savonius ou rotores "S" são REVs muito usados, devido à<br />
facilidade de construção e baixo custo. Sua estrutura básica pode ser descrita como "um<br />
tonel cortado ao meio e soldado em torno de um eixo", como se vê na Figura 3.3(a). São<br />
movidos fundamentalmente por forças de drag e possuem alto torque de partida, porém<br />
trabalham com baixa velocidade e não possuem alto rendimento.<br />
Conforme se vê na Figura 3.3(b) e (c), podem ter uma ou mais camadas,<br />
coincidentes ou não, o que se reflete em seu rendimento. Projetos mais modernos têm<br />
dado formas um pouco extravagantes ao rotor Savonius – como se vê na Figura 3.3(d) -,<br />
porém aumentando sua eficiência.

Figura 3.3 – Rotor Savonius: (a) forma básica; (b) Savonius de 2 camadas; (c) Savonius de<br />
3 camadas; (d) projeto aperfeiçoado de rotor Savonius.<br />
Existem muitas formas de construir um rotor Savonius, de acordo com a<br />
concentricidade, conforme se mostra na Figura 3.4. A forma (a) é muito resistente, devido<br />
ao eixo central, porém é menos eficiente que as outras duas seguintes. A forma em (b)<br />
também é muito simples, porém mais eficiente que a anterior, já que uma parte do ar é<br />
desviada em direção à segunda "lâmina" após passar pela primeira. Em (c) vê-se a forma<br />
mais eficiente: além da vantagem do ar ser defletido, como na forma anterior, as lâminas<br />
agem parcialmente como um aerofólio quando sua extremidade se encontra de frente para<br />
o vento incidente, criando um pequeno efeito de lift e aumentando a eficiência; entretanto,<br />
sua construção é muito mais difícil.<br />
Figura 3.4 – Concentricidade do rotor Savonius

3.2.2 Rotor Darrieus<br />
Outra classe de REV, os rotores Darrieus 3 , mostrados na Figura 3.5, são<br />
movidos primordialmente por forças de "lift". As lâminas (que podem ser 2 ou 3), unidas<br />
nos extremos ao eixo vertical, são curvadas pela força centrífuga quando se dá a<br />
rotação, assumindo a forma de uma catenária com o diâmetro aproximadamente igual à<br />
distância entre as pontas. Existem modelos que possuem lâminas retas, como se mostra na<br />
Figura 3.5(b).<br />
Como o seu torque de partida é bastante reduzido, é comum acoplar-se ao eixo<br />
deste tipo de rotor um ou dois Savonius, como se vê na Figura 3.5(c). Os rotores<br />
Darrieus apresentam ótimas características de rendimento, podendo ser usados para a<br />
geração de energia elétrica.<br />
Figura 3.5 – Rotor Darrieus: (a) de duas lâminas curvas; (b) de duas lâminas retas; (c) de<br />
três lâminas curvas, com dois rotores Savonius acoplados para aumentar o torque de<br />
partida.<br />
3.3 ROTORES DE EIXO HORIZONTAL (RHE)<br />
São aqueles cujo eixo de rotação é paralelo à direção dos ventos, ou seja, são<br />
paralelos à superfície da terra.<br />
Na Figura 3.6 são mostrados alguns tipos de rotores de eixo horizontal. Como se<br />
vê, o numero de lâminas (ou pás) é muito variado, podendo o rotor possuir uma única<br />
destas lâminas (com contrapeso), como mostrado na Figura 3.5(a), até cerca de 50 (no<br />
caso do chamado moinho americano ou "multipás").<br />
3 Nome devido ao engenheiro francês Georges Darrieus, que patenteou o projeto deste rotor em 1931.

Figura 3.6 - Exemplos de rotores de eixo horizontal: (a) 1 lâmina; (b) 2 lâminas; (c) 3<br />
lâminas; (d) multipás<br />
O material com que são construídas as lâminas é muito variado: madeira, tecido<br />
(como o algodão ou o "dacron"), metal, fibra de vidro, etc. Também o formato dessas<br />
lâminas é bem variado, destacando-se, por sua eficiência, as chamadas lâminas<br />
aerodinâmicas.<br />
O número de hélices adotado para o rotor depende de uma série de fatores, como<br />
finalidade a que se destina, estrutura de suporte, regime de velocidade dos ventos na<br />
região, etc. Máquinas com número par de hélices podem ocasionar problemas de<br />
estabilidade no equipamento: quando uma hélice estiver em sua posição mais elevada,<br />
sofre flexão para trás, enquanto que a hélice diametralmente oposta se posiciona entre o<br />
vento incidente e a estrutura de sustentação, fazendo "sombra" à torre.Rotores com<br />
número ímpar de hélices (e com três ou mais), não apresentam o efeito sombra tão<br />
acentuado, resultando em melhor estabilidade.<br />
Os aerogeradores 4 modernos, como o mostrado na Figura 3.6(c), são construídos<br />
com 3 hélices; embora apresentem a desvantagem do custo e do peso de uma hélice a mais<br />
(se comparados com os projetos de 2 hélices). Em contrapartida, podem girar a<br />
velocidades mais baixas para produzir a mesma potência que os de pás duplas, o que<br />
diminui os problemas de ruído.<br />
Geradores de uma só hélice (com contrapeso) têm como vantagem o reduzido<br />
custo; porém apresentam mais acentuadamente o problema de sombreamento, além de não<br />
serem esteticamente atraentes. Devem girar a velocidades mais altas que às de um rotor de<br />
pás duplas para extrair potência equivalente.<br />
Um rotor muito usado é o multipás, mostrado na Figura 3.6(d), que nos<br />
acostumamos a ver em filmes de cow-boy. É usado principalmente para o bombeamento<br />
de água, devido ao seu bom torque e estabilidade, motivo pelo qual é também chamado de<br />
aero bomba.<br />
Os REH são capazes de desenvolver maior força e potência por unidade de área de<br />
captação do vento, tendo ainda, via de regra, melhor rendimento que os REV. Além disso,<br />
são capazes de atingir velocidades mais altas que as dos ventos incidentes, o que os torna<br />
excelentes para aplicações que requeiram altas velocidades de rotação, como a geração de<br />
energia elétrica.<br />
4 Aerogeradores são equipamentos eólicos destinados à geração de energia elétrica.

Um dos principais inconvenientes desse tipo de rotor é a necessidade de<br />
incorporação de algum mecanismo de orientação, a fim de que suas lâminas sempre se<br />
posicionem perpendicularmente à direção dos ventos incidentes. Em unidades pequenas,<br />
usa-se um simples leme, mas no caso de grandes equipamentos são necessários<br />
mecanismos mais sofisticados.<br />
Em qualquer desses casos, o rotor é montado sobre uma gávea giratória, capaz de<br />
se movimentar em torno do eixo de sustentação.<br />
Quanto à posição das lâminas relativamente à torre de sustentação, os REH podem<br />
ser classificados como:<br />
• a montante (“upwind rotors”), nos quais as pás se posicionam à frente da torre de<br />
sustentação, conforme esquematizado na Figura 3.7(a). Necessitam de algum<br />
dispositivo que os oriente, mantendo as pás sempre de frente para o vento;<br />
• a jusante (“downwind rotors”), mostrados na Figura 3.7(b), nos quais a torre de<br />
sustentação encontra-se à frente das pás. Geralmente este tipo de rotor se orienta<br />
automaticamente; porém a lâmina que está “escondida” atrás da torre não é<br />
solicitada pelo vento da mesma forma que as demais, o que pode provocar<br />
vibrações no rotor (o “efeito sombra”).<br />
Figura 3.7 - Classificação dos REH quanto à posição relativa da torre: (a) rotor de eixo a<br />
montante; (b) rotor de eixo a jusante.