Por que diabos as turbinas eólicas têm três pás?

É possível construir uma turbina eólica com duas, cinco ou até mesmo uma pá, mas a grande maioria dos moinhos de vento modernos possui três. E existem três bons motivos para isso. O primeiro motivo para as três pás vem da física. Em condições iguais, quanto mais pás um moinho de vento tiver, mais torque ele poderá gerar. Mas também, maior será o arrasto, porque cada pá adicional precisa cortar o vento, e o arrasto aumenta rapidamente quanto mais rápido o moinho gira.

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Portanto, em geral, moinhos de vento com muitas pás funcionam melhor em velocidades de rotação mais baixas em relação à velocidade do vento.

Por outro lado, um moinho de vento com menos pás gera menos torque, mas também sofre menos arrasto. Assim, moinhos de vento com menos pás tendem a funcionar melhor em velocidades de rotação mais altas.

Um estudo de 2021 demonstrou que a eficiência de uma turbina com cinco pás é maior em baixas velocidades, enquanto uma turbina com uma pá funciona melhor em altas velocidades de rotação. A maior eficiência possível de qualquer turbina ocorre em velocidades intermediárias, o que corresponde, como você já deve ter imaginado, a três pás.

Mas uma turbina não se resume apenas à eficiência. Um moinho de vento de altíssima eficiência não serve para nada se quebrar depois de pouco tempo. Portanto, a segunda razão pela qual os moinhos de vento têm três pás vem da engenharia.

O problema é que os moinhos de vento precisam ser fortes o suficiente para suportar as diversas forças de flexão, rotação e vibração necessárias para o seu funcionamento.

Por exemplo, quando as pás de uma turbina eólica de duas pás estão alinhadas com o polo ou opostas a ele, isso pode criar uma força de torção desequilibrada sob condições de vento desfavoráveis. Isso pode levar a grandes forças que empurram o poste para frente ou para trás, ou para os lados.

Existem problemas semelhantes com outros números pares de pás, incluindo, para os nossos propósitos, um rotor de pá única, já que ele só tem um contrapeso do outro lado e nada para equilibrar as forças desiguais do vento.

Se o rotor tiver um número ímpar de pás, como três ou cinco, o fato das pás não virem em pares significa que as cargas de vento são distribuídas de forma mais uniforme pela face do rotor e, portanto, as forças de flexão e torção são bastante reduzidas.

Assim, para usar duas pás, os materiais e a engenharia da torre, do cubo e das pás precisam ser mais robustos, o que custa mais e anula muitos dos outros benefícios de custo de usar menos pás.

Além disso, ao comparar projetos de três e cinco pás com o projeto de duas pás, as velocidades de rotação mais baixas das turbinas com mais pás significam que todas as peças móveis sofrem menos desgaste ao longo do tempo.

Portanto, para minimizar as forças de torção indesejadas do vento, queremos um número ímpar de pás. E mais pás causam menos desgaste, mas mais pás custam mais dinheiro.

Se você pegasse as pás de duas turbinas de cinco pás, teria o suficiente para fazer três turbinas de três pás, mais uma sobrando. Levando em conta todos esses fatores de engenharia, três pás é a melhor opção.

A terceira razão para os moinhos de vento terem três pás vem do conforto humano. Se você quer construir um moinho de vento, precisa que as pessoas concordem com a construção. Portanto, a aparência e o som importam.

Rotores de três pás são geralmente considerados mais agradáveis visualmente do que um equivalente de duas pás. Uma possível razão para isso é que o espaço ocupado por um rotor de três pás nas direções horizontal e vertical muda apenas ligeiramente ao longo do tempo, enquanto um rotor de duas pás alterna constantemente entre predominantemente horizontal e predominantemente vertical, e geralmente parece mais irregular.

Mesmo em repouso, as pessoas preferem a simetria de três pás em relação a duas. Três pás ficam muito bem, enquanto duas podem parecer desequilibradas ou estranhas, dependendo de como estão orientadas em relação à torre.

As turbinas eólicas também são barulhentas e, basicamente, todo o ruído vem da turbulência que se forma quando as pás cortam o ar. Portanto, os moinhos de vento menos barulhentos são os mais lentos.

Observando novamente o gráfico de eficiência do referido estudo, vemos que um rotor de três pás atinge o mesmo nível de eficiência, ou até melhor, em uma velocidade de rotação mais lenta do que um rotor de duas pás.

Isso significa que, para uma determinada velocidade do vento, os moinhos de vento de três pás podem funcionar de forma mais silenciosa, embora não sejam totalmente silenciosos.

Obviamente, omitimos alguns detalhes, mas, essencialmente esses são os três bons motivos para os moinhos de vento terem três pás.

1. A física diz que os rotores de três pás são os mais eficientes.
2. A engenharia diz que, pelo mesmo custo, os rotores de três pás têm menos probabilidade de quebrar do que os de duas pás.
3. E o conforto humano diz que eles não são figuras de palito barulhentas e sem cabeça.

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