Energía Eólica – Tipos de Turbinas de Viento

Las turbinas de viento se pueden separar en dos tipos básicos determinados por el eje en el que giran. Las turbinas de viento que giran alrededor de un eje horizontal son las más comunes (como un molino de viento), mientras que las turbinas eólicas de eje vertical se utilizan con menos frecuencia (Savonius y Darrieus son las más comunes en el grupo).

tipos de turbinas

Aerogeneradores de eje horizontal (HAWT)

Las turbinas eólicas de eje horizontal, también conocidas como HAWT, son el estilo común en el que la mayoría de nosotros pensamos cuando pensamos en una turbina de viento. Un HAWT tiene un diseño similar a un molino de viento, tiene cuchillas que se parecen a una hélice que giran en el eje horizontal.

Las turbinas eólicas de eje horizontal tienen el eje del rotor principal y el generador eléctrico en la parte superior de una torre, y deben estar apuntando al viento. Las pequeñas turbinas están señaladas por una veleta sencilla y un rotor (aspas), mientras que las grandes turbinas generalmente utilizan un sensor de viento junto con un servo motor para activar la turbina en el viento. La mayoría de las turbinas eólicas grandes tienen una caja de cambios, lo que convierte la lenta rotación del rotor en una rotación más rápida que es más adecuada para impulsar un generador eléctrico.

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Desde una torre produce turbulencia detrás de ella, la turbina está generalmente apuntando en contra del viento de la torre. Los álabes de la turbina de viento se hacen rígidos para evitar que las cuchillas sean empujadas en la torre por los fuertes vientos. Además, las palas se colocan a una distancia considerable delante de la torre y, a veces se inclinan un poco.

Se han construido turbinas que apuntan a la dirección del viento, a pesar del problema de la turbulencia, ya que no necesitan un mecanismo adicional para mantenerlas en línea con el viento. Además, en los fuertes vientos las cuchillas se doblan lo que reduce su área de barrido y por tanto su resistencia al viento. Dado que la turbulencia conduce a fallos por fatiga, y la fiabilidad es tan importante, la mayoría de HAWTs son máquinas contra el viento.

Ventajas de las HAWT

Las altas torres permiten el acceso a vientos fuerte en los sitios con cizalladura del viento. En algunos sitios con mucho viento, cada diez metros adicionales de altura la velocidad del viento puede aumentar en un 20% y la producción de energía en un 34%.

Son dee alta eficiencia, ya que las cuchillas siempre se mueven perpendicularmente al viento, recibiendo energía a través de toda la rotación. En contraste, todas las turbinas eólicas de eje vertical, y la mayoría propuestos diseños de turbinas eólicas en el aire, implican varios tipos de acciones de movimiento alternativo, requiriendo superficies aerodinámicas que dan marcha atrás contra el viento durante una parte del ciclo. Ir contra el viento lleva a una eficiencia inherentemente inferior.

Desventajas de las HAWT

Se requiere la construcción de la torre para soportar las pesadas cuchillas, la caja de cambios, y el generador.

Es complicado y llevar los componentes de una turbina eólica de eje horizontal (caja de cambios, eje del rotor y el conjunto de freno) a su posición en altura.

Su altura hace los hace visibles a través de grandes áreas, lo que altera el aspecto del paisaje y, a veces, genera oposición local.

Las variantes que van en dirección del viento sufren de fatiga y fallo estructural causada por la turbulencia cuando una hoja pasa a través de la sombra de viento de la torre (por esta razón, la mayoría de HAWTs utilizan un diseño contra el viento, con el rotor de cara al viento delante de la torre).

Las HAWTs requieren un mecanismo de control adicional para girar las aspas hacia el viento.

Las HAWTs generalmente requieren un dispositivo de frenado en los vientos fuertes para detener la turbina

Tensiones y vibraciones cíclicas

Cuando la turbina se vuelve hacia el viento, las cuchillas giratorias actúan como un giroscopio. Mientras gira, la precesión giroscópica intenta girar la turbina en un salto hacia adelante o hacia atrás. Para cada cuchilla en la turbina de un generador de viento, la fuerza está en un mínimo cuando la hoja está en posición horizontal y en un máximo cuando la cuchilla es vertical. Esta torsión cíclica puede rápidamente fatigar y romper la hoja de raíces, el centro y el eje de las turbinas.

Turbinas de eje vertical

Los aerogeneradores eólicos de eje vertical, VAWTs, tienen el eje del rotor principal dispuesto verticalmente. La principal ventaja de esta disposición es que la turbina eólica no necesita estar apuntando al viento. Esto es una ventaja en los sitios donde la dirección del viento es muy variable o tiene vientos turbulentos.

Con un eje vertical, el generador y otros componentes primarios se pueden colocar cerca del suelo, por lo que la torre no necesita que lo soporte, también hace que el mantenimiento sea más fácil. El principal inconveniente de un VAWT generalmente es crear arrastre al girar hacia el viento.

vertical

Es difícil montar las turbinas de eje vertical en las torres, lo que significa que a menudo se instalan cerca de la base sobre la que se apoya, tales como el suelo o un techo de un edificio. La velocidad del viento es más lenta a una altitud más baja, por lo tanto menor energía eólica está disponible para una turbina de tamaño dado. El flujo de aire cerca del suelo y otros objetos pueden crear un flujo turbulento, lo que puede introducir problemas de vibración, incluido el ruido y desgaste de los rodamientos que puede aumentar el mantenimiento o acortar su vida útil. Sin embargo, cuando una turbina está montada en un tejado, el edificio generalmente redirige viento sobre el techo y esto puede duplicar la velocidad del viento en la turbina. Si la altura de la torre de la turbina montada en la azotea es de aproximadamente 50% de la altura del edificio, esto está cerca de la altura óptima para la energía máxima del viento y la turbulencia mínima del viento.

Subtipos de VAWT

Aerogenerador Darrieus

Los aerogeneradores Darrieus comúnmente se llaman turbinas “Eggbeater” o de batidor de huevo, porque se ven como una batidora gigante. Tienen buena eficiencia, pero producen grandes vibraciones en forma de ondas y estrés cíclico en la torre, lo que contribuye a una pobre fiabilidad. También, generalmente requieren una fuente de alimentación externa, o un rotor adicional Savonius para empezar a girar, debido a que el par de arranque es muy bajo. La ondulación del par se reduce mediante el uso de tres o más palas que se traduce en una solidez más alta para el rotor. La solidez se mide por área de la cuchilla sobre el área del rotor. Las nuevas turbinas de tipo Darrieus no están sostenidas por cables tensores, pero tienen una superestructura externa.

darrieus

Turbina eólica Savonius

Una turbina Savonius es una turbina de arrastre, que se utiliza comúnmente en casos de alta fiabilidad en muchas cosas tales como la ventilación y anemómetros. Debido a que son turbinas de arrastre son menos eficientes que las HAWT comunes. Las Savonius son excelentes en áreas de viento turbulento y auto arranque.

savonius

Ventajas de las VAWT

No se requieren mecanismos de frenado

Pueden estar situadas más cerca del suelo, por lo que es más fácil mantener las partes móviles.

Las VAWTs tienen velocidades de viento de inicio más bajas que los HAWTs.

Las VAWTs pueden ser construidas en lugares donde se prohíben las estructuras más altas.

Las VAWTs situados cerca de la tierra pueden tomar ventaja de los lugares donde tejados, mesas, colinas, crestas, y pases canalizan el viento y aumentan la velocidad del viento.

Desventajas de las VAWT

La mayoría de las VAWTs tienen un promedio menor de eficiencia que un HAWT común, principalmente debido a la fricción adicional que tienen sus cuchillas cuando giran en el viento. Las versiones que reducen la fricción producen más energía, especialmente las que canalizar el viento en la superficie del colector.

Tienen rotores situados cerca del suelo, donde las velocidades del viento son menores y no aprovechan las velocidades de viento mayores más arriba.

Debido a que las VAWTs no son comúnmente desplegadas principalmente debido a las serias desventajas mencionadas anteriormente, aparecen como novedosas para quienes no están familiarizados con la industria eólica. Esto les ha hecho a menudo objeto de demandas salvajes y estafas de inversión en los últimos 50 años.