Otimização do desempenho aerodinâmico da turbina eólica em espiral de Arquimedes: análise experimental combinada e CFD dos efeitos da razão de passo e do número de pás

Por que um novo tipo de turbina eólica importa

À medida que as cidades buscam energia mais limpa, a energia eólica parece uma escolha óbvia. Ainda assim, as turbinas altas de três pás, comuns em campos abertos, têm dificuldades em ambientes urbanos congestionados, onde os ventos são mais lentos, caóticos e mudam constantemente de direção. Este artigo explora um tipo diferente de máquina — a Turbina Eólica em Espiral de Arquimedes — que tem formato de concha espiralada torçada. Os pesquisadores colocam uma questão prática: como deve ser ajustada a geometria da espiral e o número de pás dessa turbina para que ela funcione de forma eficiente e confiável nos ventos urbanos de baixa velocidade do mundo real?

Uma turbina em espiral construída para ventos urbanos

A Turbina Eólica em Espiral de Arquimedes (ASWT) é uma turbina compacta de eixo horizontal cujas pás se enrolam ao redor do eixo central em uma espiral suave, em vez de se estenderem reto para fora. Essa forma permite capturar o vento de várias direções e iniciar a rotação mesmo quando as rajadas são fracas e instáveis — condições típicas entre edifícios. Contudo, o mesmo desenho espiralado e multipás que ajuda em baixas velocidades também pode aumentar a resistência do ar e as cargas estruturais, limitando a eficiência máxima. O estudo foca em encontrar um ponto ideal em que a turbina ainda parte com facilidade e opera suavemente, ao mesmo tempo em que converte o máximo possível da energia do vento em potência útil.

Ajustando a forma da espiral

Uma característica de projeto chave dessa turbina é a rapidez com que a espiral “se desenrola” ao longo do eixo, controlada por dois comprimentos chamados Passo 1 e Passo 2. Sua razão (S1/S2) determina se as pás são mais curvadas ou mais esticadas. Para estudar isso sem misturar outros efeitos, a equipe manteve o tamanho e as proporções gerais do rotor fixos, alterando apenas S1/S2 em seis versões. Eles construíram modelos 3D, realizaram simulações detalhadas do escoamento e então testaram modelos físicos correspondentes em um túnel de vento com velocidades realistas entre 5 e 10 metros por segundo. Todas as versões alcançaram seu melhor desempenho em um regime rotacional similar, mas uma configuração de faixa média (chamada PR-5) destacou-se claramente, atingindo a maior produção de potência ao guiar o ar de maneira mais suave ao longo da pá sem causar arrasto excessivo.

Encontrando o número certo de pás

Com a forma espiral mantida nesse ajuste ótimo, os pesquisadores examinaram em seguida quantas pás a turbina deveria ter — testando duas, três, quatro, cinco e seis pás. Mais pás oferecem uma superfície maior para o vento empurrar, o que ajuda a turbina a iniciar a rotação em baixas velocidades e a produzir torque estável. Mas concentrar muitas pás também espessa o rotor, aumentando a turbulência e o atrito no ar, o que pode reduzir a eficiência quando ele gira mais rápido. As simulações e as medições no túnel de vento mostraram um padrão claro: a versão de três pás entregou o melhor equilíbrio geral, atingindo um coeficiente de potência máximo de cerca de 0,264 em uma razão de velocidade de ponta moderada, enquanto versões com mais pás sofreram com arrasto adicional e esteiras turbulentas atrás do rotor. O modelo de duas pás teve desempenho um pouco melhor em rotações mais altas, mas foi menos capaz em vento fraco.

Vendo o interior do escoamento

Para entender por que essas diferenças surgem, a equipe examinou mapas detalhados de pressão e velocidade ao redor das pás. No projeto de três pás mais bem-sucedido, o ar acelerou suavemente no lado de sucção de cada pá e desacelerou no lado oposto, criando uma diferença de pressão forte e uniforme que impulsiona a rotação. A esteira atrás da turbina permaneceu compacta e relativamente ordenada, sinalizando extração de energia eficiente com turbulência moderada. Em contraste, o rotor de duas pás mostrou carregamento mais fraco e irregular, enquanto rotores com cinco ou seis pás produziram zonas de pressão sobrepostas e esteiras largas e de movimento lento — sinais de que o ar estava sendo sobrecarregado e grande parte da área extra das pás estava, na verdade, atrapalhando em vez de ajudar.

O que isso significa para a energia eólica urbana

Em termos práticos, o estudo mostra que a turbina em espiral de Arquimedes pode ser ajustada para funcionar bem onde as turbinas convencionais de grande torre têm dificuldades: em ventos urbanos baixos e variáveis. Ao ajustar cuidadosamente a rapidez com que a espiral se abre (a razão S1/S2) e escolher um arranjo de três pás, os projetistas podem obter um rotor compacto que parte facilmente, opera com estabilidade e converte uma parcela respeitável da energia do vento em eletricidade — sem sistemas complexos de orientação. Embora sua eficiência máxima ainda seja menor do que a das grandes turbinas de campo, esse desenho espiral otimizado oferece uma opção promissora para telhados e geração distribuída de pequena escala, e fornece um roteiro sólido para refinamentos futuros em forma, estrutura e materiais.

Citação: Faisal, A.E., Lim, C.W., Al-Quraishi, B.A.J. et al. Aerodynamic performance optimization of the archimedes spiral wind turbine: combined experimental and CFD analysis of step ratio and blade number effects. Sci Rep 16, 13455 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43165-9

Palavras-chave: turbina eólica urbana, rotor em espiral de Arquimedes, otimização do número de pás, dinâmica dos fluidos computacional, energia eólica em pequena escala