Turbina eólica vertical: como funciona e quanto gera
Uma turbina eólica de eixo vertical gira em torno de um eixo em pé, como um carrossel, e por isso recebe vento de qualquer direção sem precisar se virar. A ideia é antiga e atraente, principalmente para telhados e cidades. Mesmo assim, todos os grandes parques eólicos do mundo usam o outro tipo, de eixo horizontal, com três pás voltadas para o vento.
Este artigo explica como funcionam as turbinas eólicas de eixo vertical, com a fórmula da potência do vento, uma conta com uma turbina pequena e os números das maiores já construídas. As fontes são as patentes originais, a Hydro-Québec, o laboratório Sandia, do governo americano, um ensaio de campo com turbinas em telhados no Reino Unido e a ABEEólica.
Quanta potência o vento carrega
A potência do vento que atravessa uma área é:
P = 0,5 × ρ × A × v³
em que ρ é a densidade do ar (1,225 kg/m³ na atmosfera padrão ao nível do mar), A é a área varrida pelo rotor e v é a velocidade do vento. A fórmula está em qualquer curso de energia eólica, como o da Universidade de Illinois.
Nenhuma turbina aproveita tudo. O limite teórico, o limite de Betz, é 16 ÷ 27 ≈ 59,3% da potência do vento, e na prática o melhor que se consegue fica abaixo de 50%, segundo a mesma aula. A fração aproveitada chama-se coeficiente de potência.
O termo que manda é a velocidade ao cubo. Com metade do vento, a potência cai para 0,5³ = 0,125, um oitavo. É esse cubo que decide o destino das turbinas de telhado, como se vê adiante.
Os dois princípios: arrasto e sustentação
Savonius. Patenteada pelo finlandês Sigurd Savonius (patente americana 1.697.574, de 1929), parece um tambor cortado ao meio com as metades deslocadas. O vento empurra a face côncava com mais força que a convexa, e a diferença faz o rotor girar. É uma máquina de arrasto: a pá nunca anda muito mais rápido que o vento. Parte sozinha, sem ajuda externa, é simples e robusta, e aproveita pouco da energia.
Darrieus. Patenteada pelo francês Georges Darrieus (patente americana 1.835.018, de 1931), usa pás com perfil de asa. Em movimento, cada pá gera sustentação, como a asa de um avião, e essa força puxa a pá para a frente. A pá anda várias vezes mais rápido que o vento, e o rendimento é bem maior. O formato clássico é o de batedeira de ovos, com pás curvas presas em cima e embaixo. A variante de pás retas é o rotor H, e a de pás torcidas, a helicoidal.
Um levantamento antigo hospedado pela NASA resume a diferença: a Savonius parte sozinha, e a Darrieus daquela época não partia sozinha (Vance, anais de um seminário de energia eólica dos anos 1970). O mesmo trabalho estima rendimento de cerca de 35% para a Darrieus e 31% para a Savonius, este último um número otimista para um rotor de arrasto. Uma revisão mais recente sobre o rotor H registra o mesmo problema de partida: baixo torque inicial e possível falha em partir mesmo sem carga (Du, Ingram e Dominy, Universidade de Durham).
| Característica | Savonius | Darrieus e rotor H | Eixo horizontal (três pás) |
|---|---|---|---|
| Força que move a pá | arrasto | sustentação | sustentação |
| Parte sozinha | sim | em geral, não | sim |
| Precisa se alinhar ao vento | não | não | sim |
| Gerador | na base do rotor | na base do rotor | no alto da torre |
| Rendimento | o mais baixo dos três | intermediário | o mais alto, abaixo de 50% |
| Uso hoje | ventilação, sinalização, pequenas cargas | turbinas pequenas e pesquisa | todos os grandes parques |
A conta de uma turbina pequena
Tome um rotor H de 3,0 m de diâmetro e 3,6 m de altura, medidas típicas de um modelo comercial de 3 kW. A área varrida de um rotor H é um retângulo: 3,0 × 3,6 = 10,8 m².
Com vento de 10 m/s: P = 0,5 × 1,225 × 10,8 × 10³ = 6.615 W de potência no vento. Com coeficiente de potência de 0,35 (premissa nossa, o valor do levantamento citado acima, otimista para uma turbina pequena e sem contar as perdas do gerador), a turbina entregaria 6.615 × 0,35 ≈ 2,3 kW.
Só que 10 m/s é vento firme, de 36 km/h. Com 5 m/s, a potência no vento é 0,5 × 1,225 × 10,8 × 5³ ≈ 827 W, e a turbina entregaria 827 × 0,35 ≈ 290 W. Metade do vento, um oitavo da potência. Uma casa que quer saber o que isso representa pode comparar com a lista de o que consome mais energia elétrica em casa.
O que os testes em telhados mostraram
O vento na cidade é fraco e turbulento, porque os prédios o freiam e desviam. Dois levantamentos mediram o resultado.
No Reino Unido, os ensaios de Warwick acompanharam 26 turbinas montadas em edifícios, de cinco fabricantes, em 2007 e 2008. O fator de capacidade médio foi de 0,85% contando os períodos em que as turbinas ficaram desligadas, e de 4,15% considerando só o tempo em operação. A melhor turbina produziu o equivalente a 869 kWh em um ano, segundo o relatório final. Fator de capacidade é a energia gerada dividida pela que a turbina geraria na potência nominal o tempo todo. As previsões feitas com a velocidade do mapa de ventos britânico, sem correção, e as curvas dos fabricantes erraram para mais por um fator de 15 a 17. As turbinas do ensaio eram microturbinas de eixo horizontal; nenhuma era de eixo vertical. O problema medido é o vento urbano, que afeta qualquer tipo de turbina.
Nos Estados Unidos, um levantamento do laboratório nacional de energia renovável concluiu que nenhum dos projetos estudados em ambiente construído atingiu a produção estimada (NREL, 2017).
Os próprios fabricantes dão a pista. A ficha da Quietrevolution QR6, uma turbina helicoidal de 5,5 m de altura e 3,1 m de diâmetro, recomenda vento médio anual mínimo de 5 m/s e informa partida com vento sustentado de 4,5 m/s (ficha do modelo). É um vento que poucos telhados urbanos têm.
As gigantes que já existiram
Turbinas de eixo vertical grandes foram construídas e funcionaram.
A maior foi a Éole, em Cap-Chat, no Canadá: uma Darrieus de 4 MW, com rotor de 96 m de altura e 64 m de diâmetro no meio, que operou comercialmente de março de 1988 a abril de 1993 e gerou cerca de 12.000 MWh, segundo a Hydro-Québec. Dá para estimar o fator de capacidade. De março de 1988 a abril de 1993 são cerca de 5,1 anos, ou 44.700 horas. A 4 MW o tempo todo seriam 4 × 44.700 ≈ 179.000 MWh. A turbina gerou 12.000 ÷ 179.000 ≈ 7% disso (conta nossa). A Éole era um protótipo experimental, e a fonte não informa quanto tempo ela ficou parada.
Como referência, apenas ilustrativa, os parques eólicos brasileiros, todos de eixo horizontal, tiveram fator de capacidade médio de 37% em 2025, com 36,0 GW instalados em 1.161 usinas, segundo o boletim anual da ABEEólica.
Nos Estados Unidos, o laboratório Sandia operou no Texas uma Darrieus de pesquisa com 34 m de diâmetro, 50 m de altura e 500 kW, inaugurada em maio de 1988 e desativada em 1998, segundo uma apresentação do próprio laboratório. O estudo dessa tecnologia no Sandia começou nos anos 1970 e terminou nos anos 1990, segundo o relatório retrospectivo do laboratório.
Por que o eixo horizontal venceu
A explicação a seguir é raciocínio de engenharia a partir do funcionamento das duas máquinas. Não conseguimos abrir o texto integral do relatório do Sandia para citar as conclusões dele.
Numa turbina de eixo horizontal, cada pá encontra o vento em ângulo quase constante ao longo da volta. Numa de eixo vertical, a pá muda de posição em relação ao vento o tempo todo: numa parte da volta trabalha a favor, noutra quase não produz, e na metade de trás atravessa o ar já perturbado pela metade da frente. A força sobre a pá sobe e desce a cada giro. Isso tem dois custos. O rendimento médio fica menor, e a estrutura sofre carga alternada milhões de vezes, que é a receita da fadiga do material.
Soma-se a isso a altura. O vento é mais forte longe do chão, e uma turbina horizontal põe o rotor inteiro no alto da torre. Um rotor vertical grande, apoiado no chão, fica com boa parte das pás perto do solo, no vento mais fraco. Como a potência vai com o cubo da velocidade, a perda é grande. O funcionamento do tipo vencedor está em como funcionam as turbinas eólicas.
Onde o eixo vertical ainda pode ter lugar
Turbinas próximas umas das outras. Turbinas horizontais precisam de muito espaço entre si, e por isso os parques rendem de 2 a 3 W por metro quadrado de terreno. Um experimento do pesquisador John Dabiri com seis turbinas verticais de 10 m de altura, postas bem juntas e girando em sentidos opostos, mediu média diária de 21 a 47 W/m² com vento acima do de partida (6 a 30 W/m² no total) nos 48,6 m² ocupados, e calculou cerca de 18 W/m² para um parque hipotético (artigo de 2011). É um resultado de campo pequeno, ainda sem parque comercial que o confirme.
Mar profundo. Numa plataforma flutuante, ter o gerador embaixo baixa o centro de gravidade, e não precisar de mecanismo para virar o rotor simplifica a máquina, argumentos listados pelo Sandia na apresentação citada. A empresa sueca SeaTwirl, que planejava uma turbina flutuante de 1 MW na Noruega, informou em setembro de 2026 que essa unidade não foi construída e que o recurso público restante passou para um projeto europeu de uma turbina flutuante de 2 MW, com prazo até 2029 (comunicado da empresa). A tecnologia segue em fase de protótipo. Os parques no mar que já operam usam eixo horizontal, como se vê em como funciona o maior parque eólico offshore do mundo.
Perguntas frequentes
Turbina eólica vertical vale a pena em casa?
Na maioria dos telhados urbanos, não. O vento é fraco e turbulento, e os ensaios de campo mediram produção muito abaixo da prometida. Em sítio aberto, com vento médio acima de 5 m/s medido no local, a conta muda. Meça o vento antes de comprar.
Qual a diferença entre Savonius e Darrieus?
A Savonius é empurrada pelo vento (arrasto), parte sozinha e rende pouco. A Darrieus usa pás em forma de asa (sustentação), rende mais e em geral precisa de ajuda para partir.
Turbina vertical faz menos barulho?
É um argumento comum dos fabricantes. Não encontramos medição independente em fonte primária, e por isso este artigo não afirma nem nega.
Por que os parques eólicos não usam eixo vertical?
Porque o eixo horizontal aproveita mais o vento, tem carga aerodinâmica mais regular e alcança o vento mais forte no alto da torre.
Qual foi a maior turbina de eixo vertical?
A Éole, no Canadá, de 4 MW, com rotor de 96 m de altura. Operou de 1988 a 1993.
A turbina eólica de eixo vertical aceita vento de qualquer lado e deixa o gerador no chão, e paga por isso com rendimento menor e esforço alternado nas pás. A fórmula do vento explica o resto: como a potência depende do cubo da velocidade, o lugar pesa mais que o tipo de turbina. Outras fontes de geração estão em o que é energia solar.
Imagem de destaque: Turbina eólica de eixo vertical. Foto: FunkyCanute / Wikimedia Commons, CC BY-SA 3.0.
