A par da história de sucesso comercial da turbina eólica de eixo horizontal (HAWT), existe a história menos conhecida da turbina eólica de eixo vertical (VAWT). Uma vez visto como um concorrente na definição do padrão de design de turbinas eólicas, os VAWTs em escala de utilização tornaram-se uma visão cada vez mais incomum. No entanto, os protótipos VAWT em escala de utilização ainda aparecem de tempos em tempos, à medida que se tenta estabelecer a tecnologia de eixo vertical num mercado totalmente dominado por máquinas de eixo horizontal. Este é um levantamento retrospectivo de projetos VAWT em escala de utilização, com turbinas de 100 kW ou mais.
Existem registos de turbinas eólicas de eixo vertical desde a Pérsia do século IX ou até ao século VII a.C., no planalto afegão. Estes primeiros VAWTs eram dispositivos simples baseados no arrasto aerodinâmico; um lado da turbina era coberto e o vento simplesmente empurrava as pás para o outro lado. O VAWT muito mais eficiente, baseado na vida aerodinâmica, foi inventado por Georges Darrieus na França nos anos 20, patenteando tanto o VAWT de lâmina curva (aqui simplesmente chamado de turbina Darrieus) como o VAWT de lâmina reta (aqui chamado de H-rotor). Embora o próprio Darrieus tenha construído uma série de modelos curvos e retos de lâminas em pequena escala, os primeiros VAWTs de produção de energia, aerodinâmicos e de vida útil, foram construídos pelo colega francês Jean-Baptiste Morel, que nos anos 50 construiu uma série de turbinas Darrieus de lâminas retas, de até 7 kW, no sul da França.
Pesquisadores do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá (CNCR) reinventaram o VAWT em meados dos anos 60, aparentemente desconhecendo os esforços franceses há muito esquecidos.
A pesquisa canadense foi redescoberta nos anos 70 pelos Laboratórios Nacionais Sandia, que além de sua principal missão de desenvolver armas nucleares, haviam sido designados pelo Departamento de Energia dos EUA para a investigação de recursos energéticos alternativos.
Sandia construiu uma turbina Darrieus de 60 kW perto de Albuquerque, NM, em 1976, que na época se tornou o maior VAWT já construído. Embora Sandia estivesse no centro do esforço de desenvolvimento do VAWT norte-americano durante os anos 70 e 80, eles construíram apenas uma escala de utilização (por isso aqui entendemos ≥100 kW) VAWT, uma turbina Darrieus de 500 kW erguida em 1988 em Bushland, TX. Esta turbina experimental apresentava velocidade variável, um projeto sem escoras e foi projetada para que a maioria das peças pudesse ser alterada para fins de pesquisa. A falta de escoras foi provavelmente o principal fator para atingir um coeficiente de potência (relação entre a saída de energia elétrica e a entrada de energia eólica) de 0,43, que provavelmente ainda é um recorde para VAWTs de tamanho utilitário.
Esforços Darrieus Norte-Americanos
Colaborando com, ou usando tecnologia do CNRC ou Sandia, várias corporações começaram a tentar comercializar VAWTs tipo Darrieus durante os anos 70/80.
No Canadá, o fabricante de alumínio DAF Indal tinha se tornado o principal colaborador da VAWT com a CNRC e em 1977 eles quebraram o recorde de tamanho estabelecido pela Sandia no ano anterior com sua turbina Darrieus de 230 kW, que foi instalada na Ilha Magdalen no Golfo de Saint Lawrence no Quebec, Canadá. Esta turbina também é famosa por provar que os VAWTs podem realmente ser auto-arranque. Em 1978, técnicos deixaram o rotor desacoplado do trem de força durante a noite, mas ventos fortes durante a noite fizeram o rotor entrar em excesso de velocidade, o que resultou em uma falha do tipo “guy-wire” e o rotor, por fim, se rompendo ao solo.
Em 1983-84, a DAF-Indal construiu três turbinas de 500 kW, que basicamente eram versões mais altas da turbina de 230 kW. Uma das turbinas, que foi colocada no San Gorgonio Pass perto de Palm Springs, CA, colapsou durante um teste de tensão pré-comissionamento, tirando infelizmente a vida de um engenheiro que estava em cima dela quando caiu. Outra das turbinas, que estava situada na Ilha do Príncipe Eduardo, também caiu ao chão, depois de uma falha de lâmina em 1985. A DAF- Indal acabou por suspender o seu programa VAWT, em 1991.
No final dos anos 70, a empresa de alumínio ALCOA, sediada em Pittsburgh, PA, começou a desenvolver VAWT sob um acordo de transferência de tecnologia com a Sandia. A ALCOA construiu uma série de grandes turbinas Darrieus, incluindo três máquinas de 500 kW, que em 1980 se tornaram a maior VAWT construída até então. Uma das turbinas de 500 kW, localizada no Passo de San Gorgonio,
CA, entrou em colapso pouco antes da Conferência da Comissão de Energia da Califórnia de 1981, em Palm Springs, adjacente. Uma queda de energia resultou no excesso de velocidade do rotor, e as pás soltaram-se da sua fixação inferior e cortaram os cabos antes de voarem a uma distância de cerca de 300 m, e a turbina caiu ao chão. Naturalmente, a demonstração planejada teve que ser cancelada, mas, ousadamente, um vídeo do incidente foi exibido durante a conferência, recebendo uma ovação de pé da platéia. Por fim, a ALCOA cancelou seu programa VAWT, embora partes dele tenham sido vendidas à recém-criada VAWTPOWER Inc, que instalou 40 turbinas no Passo de San Gorgonio entre 1983 e 1984. Esta instalação, a primeira verdadeira fazenda VAWT, estava operacional a partir de 1988.
Quando se trata de fazendas VAWT, FloWind gira a mente. FloWind instalou mais de 500 turbinas no Tehachapi Pass perto de Los Angeles e no Altamont Pass na área da Baía de São Francisco. Os seus modelos de 170 kW e 200 kW foram instalados entre 1983 e 1986 e a capacidade total instalada foi de cerca de 95 MW. Quando as últimas turbinas FloWind entraram em operação, em 2004, elas já haviam gerado quase 1 TWh de eletricidade ao longo de sua vida útil. Em 2010 todas as turbinas FloWind tinham sido removidas, embora restos possam ser encontrados na forma de uma barreira rodoviária numa passagem na crista de uma colina no Passo Tehachapi.
Em 1986, um FloWind-19 teve uma falha catastrófica que atirou uma lâmina para um reboque de medição adjacente, destruindo o computador DOE/ Sandia no interior. Este foi o começo do fim, pois isso assustou os investidores e FloWind faliu.
Em comum com os outros desenvolvedores de turbinas Darrieus acima mencionados, FloWind usou lâminas de alumínio, que foram projetadas para flexionar. Devido à fraca capacidade do alumínio de resistir a tensões cíclicas, isto levou a falhas induzidas pela fadiga. Estes problemas fizeram com que as turbinas FloWind tivessem mais tempo de parada do que as turbinas eólicas de eixo horizontal que estavam sendo instaladas na Califórnia ao mesmo tempo. Após uma reorganização no início dos anos 90, dois protótipos de pás de fibra de vidro foram construídos, mas isto provou ser muito pouco tarde, e uma das turbinas de pás de fibra de vidro entrou em colapso durante ventos fortes.
Um projeto de turbina Darrieus um pouco incomum foi usado pela empresa canadense Adecon, que empregou uma estrutura de treliça externa para substituir os cabos tipo. Em 1984 eles construíram uma turbina de 17 m e 125 kW na ilha Prince Edward. A turbina, que tinha o rotor colocado 17 m acima do solo, só funcionou por algumas horas antes de excesso de velocidade e de se destruir.
Após uma reorganização, a Adecon instalou dez turbinas de 150 kW perto de Pincher Creek, Alberta. Estas turbinas não tinham a estrutura de suporte do rotor, mas ainda utilizavam mastros treliçados em vez de cabos tipo “guy”. Os mastros de treliça induziram ressonâncias, o que resultou em falhas nos componentes. Estas causaram a queda de duas das turbinas e resultaram na maioria das outras não operacionais na maior parte do tempo. Em 2006 todas as dez turbinas tinham sido removidas.
Uma menção obrigatória é o poderoso ÉOLE (francês para Aeolus, o regente do vento na mitologia grega), que foi concluído em 1987 e situado em Cap-Chat, na margem sul do rio Saint Lawrence, em Quebec. Com uma altura total de 110 m, massa em rotação de 880 toneladas métricas e potência nominal de 3,8 MW, ÉOLE bateu todos os recordes anteriores e ainda é de longe o maior VAWT já construído.
Este monstro de lâmina de aço de velocidade variável operou até 1993, quando o rolamento inferior quebrou. É agradável relatar que a ÉOLE ainda está de pé e hospeda visitas guiadas durante o verão. Uma visita é altamente recomendada: ÉOLE é uma lenda para os entusiastas da energia eólica e a bela Península Gaspé é um ótimo lugar no geral. Convenientemente, é possível fazer a visita guiada em inglês e se você pagar alguns dólares extras, você pode ser levado à plataforma superior de ÈOLE de onde a vista é espetacular.
Existiram outras turbinas Darrieus em escala de uso, mesmo algumas construídas na Europa durante os anos 80. Mas tentativas sérias têm se tornado cada vez mais raras. Os problemas com a fadiga das pás, a necessidade de terreno plano para acomodar a fixação do fio do tipo e os inconvenientes de ter o rotor tão próximo do solo foram todas razões para o “bate-ovos” Darrieus não se estabelecer como um concorrente dos HAWTs.
Meanwhile in Europe
p>Parcialmente sobrepostos com os desenvolvimentos norte-americanos Darrieus, os VAWTs também foram investigados na Europa, mas aqui o maior foco foi colocado no conceito de rotor H, que tem algumas vantagens em comparação com a turbina Darrieus convencional. O mais importante, geralmente é colocado sobre uma torre independente, o que torna o rotor mais alto e torna desnecessários os cabos tipo.
O mais conhecido e talvez o mais ambicioso projeto europeu VAWT foi o realizado pela empresa britânica VAWT Ltd durante os anos 80/90, que surgiu da pesquisa liderada por Peter Musgrove na Universidade de Reading no Reino Unido.
No início, o conceito VAWT Ltd apresentava geometria variável, o que permitiu que as pás fossem dobradas para regular a potência. Mas depois de avaliar uma turbina de 130 kW, de geometria variável, erguida em 1986 na baía de Carmarthen, no País de Gales, foi considerado que a potência poderia muito bem ser controlada com pás fixas e retas. Assim, o protótipo posterior de 500 kW, erguido em 1990, tinha pás retas. Esta turbina sofreu várias falhas ligadas à transmissão de potência e, por fim, uma falha devastadora de uma das pás de fibra de vidro. Pouco depois, o financiamento do governo foi interrompido e o projeto acabou por terminar.
Nos anos 90, o inventor e empresário alemão Götz Heidelberg começou a desenvolver um conceito de rotor-H de velocidade variável, o PM-magnet, na empresa Heidelberg Motor GmbH, sediada em Munique. Em 1991, seu primeiro protótipo de grande porte (300 kW) foi instalado na Kaiser-Wilhelm-Koog, na costa alemã do Mar do Norte. Ele utilizou um gerador montado no solo e foi apoiado por fios de homem ligados a um rolamento superior, permitindo a rotação de toda a torre (muito semelhante a uma turbina Darrieus). Após o abandono do gerador no solo foram desenvolvidos cinco novos protótipos de 300 kW que tinham o grande gerador multi-pólos em anel colocado no topo de uma torre de tripé. Após um problema de soldagem que resultou na destruição de uma turbina no início de 1995, as outras máquinas foram retiradas de operação e finalmente desmontadas, em 1997. Isto também levou ao abandono de um desenvolvimento financiado pela UE de uma versão de 1,2 MW do conceito e que foi também o fim deste esforço VAWT.
Worth mencionando que Heidelberg instalou sua versão menor, 20 kW, de ambiente extremo, em uma instalação de pesquisa alemã na Antártica que supostamente operou por 15 anos antes de ser desativada em 2008.
Esforços contínuos
Se nem mesmo a engenharia alemã poderia fazer com que os VAWTs se mantivessem unidos, pode-se ter adivinhado que o conceito certamente deve ter sido abandonado após meados dos anos 90. Bem, não foi, embora tenha sido necessário até 2010 para que o próximo protótipo de rotor H em escala de utilização fosse construído, desta vez pela empresa sueca Vertical Wind AB.
Em 2010, eles ergueram um protótipo de 200 kW, de acionamento direto, de velocidade variável próximo a Falkenberg, na costa oeste sueca. A turbina, que apresentava uma torre de madeira laminada e um gerador multipolar PM de acionamento direto fabricado internamente, foi utilizada principalmente para medições, mas ainda está operacional, embora com velocidade de vento limitada. O Vento Vertical parou o seu desenvolvimento após perder um investidor chave em 2010, mas ainda fabrica geradores.
Tal como os programas DAF Indal e ALCOA VAWT dos anos 70/80 sendo iniciativas de produtores de alumínio, a empresa polaca VAWT Anew Institute, que está activa actualmente, é uma subsidiária da fabricante de aço Stalprodukt SA. Construiu novamente um protótipo de 200 kW em 2015 e, de forma mais proeminente, um protótipo de 1,5 MW em 2017, que é o segundo maior VAWT de sempre, em termos de capacidade instalada, apenas atrás da ÉOLE. Não surpreende, na construção é utilizado o máximo de aço possível, mas felizmente pelo menos as pás são feitas de fibra de vidro.
E os VAWT flutuantes?
Turbinas eólicas flutuantes foram identificados (por exemplo, pela associação profissional WindEurope) como uma tecnologia chave para uma grande expansão da energia eólica offshore. O baixo centro de massa da VAWT combina bem com uma plataforma flutuante e isso causou um renascimento do interesse no conceito, com vários projetos VAWT flutuantes sendo iniciados durante os anos 2010.
MODEC, uma empresa japonesa especializada em plataformas flutuantes para a indústria de petróleo e gás, por exemplo, desenvolveu um sistema híbrido de geração de energia eólica flutuante e de corrente de maré chamado skwid (Savonius Keel e Wind Turbine Darrieus). O conceito consistia em um rotor H acima da superfície e uma turbina Savonius que colhia as correntes debaixo. No entanto, o seu protótipo de 500 kW afundou duas vezes enquanto estava em funcionamento em 2013/14 e o MODEC abandonou as suas ambições de VAWT.
Outra tentativa de comercialização de VAWT flutuantes foi feita pela empresa francesa NENUPHAR, que visava desenvolver uma plataforma offshore flutuante multi MW de duas turbinas.
Nenhum VAWT grande e flutuante foi alguma vez implantado, mas a NENUPHAR instalou um protótipo em terra de 600 kW em Fos-sur-Mer na costa mediterrânica francesa em 2014, para o qual foram testadas diferentes configurações de lâminas. No entanto, em 2018, NENUPHAR entrou em liquidação após ter sido abandonada por um parceiro industrial.
Outros esforços de desenvolvimento de VAWT flutuante que aspiram a estar em breve a implantar grandes protótipos poderiam ser mencionados. Mas esta breve retrospectiva é restrita a projectos que, independentemente do resultado final, incluíam a construção efectiva de turbinas de eixo vertical em escala de utilização. Portanto, estes projetos ‘em papel’ são omitidos aqui, mas poderiam ser objeto de um futuro relatório.
Niche flutuante reaviva o interesse
Em resumo, de quase extinto, o conceito de turbinas eólicas de eixo vertical tem gozado de interesse renovado nos últimos anos, especialmente para plataformas flutuantes offshore. Concorrendo com o conceito de eixo horizontal, que tem se tornado cada vez mais desenvolvido tecnologicamente desde que se derrotaram os VAWT como padrão de turbinas eólicas nos anos 80, tornou-se cada vez mais difícil, mas o nicho de mercado flutuante pode ser a oportunidade que as turbinas eólicas de eixo vertical têm estado à espera.
Informação do autor: Erik Möllerström The Rydberg Laboratory for Applied Sciences, Halmstad University, PO Box 823, SE-301 18 Halmstad, Suécia ()
Para mais detalhes dos VAWTs mencionados, bem como de outros projetos VAWT menores não cobertos aqui, o seguinte documento está disponível em acesso aberto: Möllerström E, Gipe P, Beurskens J, Ottermo F, ‘A historical review of installed vertical axis wind turbines rated 100 kW and above’, Renewable & Sustainable Energy Reviews, Vol 105 (2019).