Aerogenerador de Eje Vertical (VAWT): Funcionamiento, Tipos, Ventajas y Desventajas

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Existen dos tipos básicos de aerogeneradores de eje vertical: los Aerogenerador Darrieusque es como un batidor de huevos, y el Turbina de Savoniusque usan tazas grandes para troncos.

Las turbinas eólicas de eje vertical se probaron más ampliamente en las décadas de 1980 y 1990 porque eran más silenciosas y podían operar sin necesidad de controles de guiñada, independientemente de la dirección del viento.

Esta sección explicará cómo funcionan las turbinas eólicas excéntricas y analizará sus ventajas y desventajas.

Principio de funcionamiento de la turbina eólica de eje vertical

Una turbina eólica de eje vertical (VAWT) es una turbina eólica cuyo eje principal de rotación está orientado en la dirección vertical.

Los VAWT eran diseños innovadores que generalmente no resultaron ser tan efectivos como lo fueron. HAWTpero tienen algunas buenas características, incluido un funcionamiento silencioso.

Debido a que son menos eficientes que los HAWT, rara vez se usan en unidades grandes. La mayoría de los VAWT son unidades más pequeñas que se pueden ubicar en áreas residenciales y comerciales, ya que son mucho más silenciosas que las turbinas de eje horizontal.

Tipos de aerogeneradores de eje vertical

Los dos tipos de aerogeneradores son de eje vertical. Aerogenerador Darrieusque gira un eje usando fuerzas de sustentación, y Aerogenerador Savoniuscuyas copas son empujadas por las fuerzas directas del viento.

Los aerogeneradores axiales pueden generar energía eléctrica a velocidades más bajas ya diferentes velocidades variables.

Debido a que varían mucho en velocidad, los generadores de CA que utilizan no producen una salida constante. La salida generalmente va a un inversor que la convierte en energía de CA estándar (monofásica o trifásica). Otra opción es usar CC como salida.

Figura 1: Los aerogeneradores pequeños de eje vertical funcionan bien en entornos urbanos, donde proporcionan un funcionamiento silencioso y sin vibraciones.

En áreas urbanas, la velocidad y la dirección del viento cambian con frecuencia, y la velocidad del viento suele ser más baja debido a los edificios y otros objetos que crean sombras en el viento.

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Las turbinas eólicas de eje vertical pueden generar voltaje a bajas velocidades del viento y no necesitan cambiar de dirección para capturar el viento utilizable.

Aerogenerador de eje vertical Darrieus

La Figura 2 muestra una turbina eólica de eje vertical típica de Darrieus. La apariencia física de un aerogenerador Darrieus se asemeja a un gran batidor de huevos.

Aerogenerador Darrieus

Figura 2 Aerogenerador Darrieus

El álabe está montado en un monopolo grande y el generador está ubicado en la base del álabe. En la parte superior del poste hay varios cables de oración que mantienen el poste en su lugar mientras la fuerza del viento hace girar la hoja.

La figura 3 muestra las partes internas de un aerogenerador Darrieus.

Partes internas de un aerogenerador Darrieus

imagen 3 Partes internas de un aerogenerador Darrieus

Cuando la pala Darrieus funciona, se mueve por el aire en una trayectoria circular. La corriente de aire entrante genera una fuerza neta que se dirige oblicuamente hacia adelante y se proyecta sobre el eje longitudinal de la turbina, lo que genera un par positivo en el eje. Esto ayuda a que la cuchilla gire en la dirección en la que ya se está moviendo.

La acción de esta pala es similar a los principios aerodinámicos utilizados en los helicópteros, y hace que el funcionamiento de este tipo de aerogeneradores sea más silencioso que el de un aerogenerador de eje horizontal del mismo tamaño.

Debido a que hay menos fricción en la pala, la pala puede girar con el mismo par independientemente de la dirección del viento.

A un problema con la turbina eólica Darrieus es decir, no arranca automáticamente, por lo que utiliza su generador como motor para poner en marcha el rotor. Cuando el viento aumenta la velocidad de la pala, se corta la alimentación del motor y éste empieza a funcionar como generador.

Las turbinas eólicas Darrieus se instalaron en los primeros parques eólicos, pero la mayoría se retiraron de las aplicaciones comerciales porque son menos eficientes que los HAWT y requieren un mantenimiento constante.

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Revolución silenciosa VAWT

La figura 4 muestra otro tipo de aerogenerador de eje vertical llamado Quiet Revolution QR5. Esta unidad, que es una variación de la turbina eólica Darrieus, produce silenciosamente suficiente energía para alimentar una pequeña casa u oficina, incluso con velocidades de viento bajas o variables.

La unidad requiere una conexión eléctrica trifásica, que algunos sitios residenciales o comerciales más pequeños pueden no tener.

Actualmente solo se utiliza en el Reino Unido. El rotor mide aproximadamente 5 m (16,4 pies) de altura y 3,1 m (10,17 pies) de diámetro, y pesa aproximadamente 450 kg (990 lb).

Las hojas están en un eje de 3,4 m (11,15 pies) donde las restricciones de altura son una preocupación; las cuchillas son una más grande cuando se permite.

Turbinas eólicas de eje vertical Quiet Revolution QR5

Figura 4 Turbinas eólicas de eje vertical Quiet Revolution QR5

La turbina QR5 utiliza un imán permanente de transmisión directa generador síncrono integrado en la base del rotor.

La potencia máxima es de 7,4 kW y 6,2 kW DC con velocidades de viento de 14 m/s. La potencia nominal de la Asociación Británica de Energía Eólica (BWEA) es de 8,5 kW de potencia aerodinámica, con una velocidad del viento de 16 m/s. Después de la conversión a energía eléctrica, la salida es de 7,0 kW CC o 6,5 kW CA de grado de red.

La turbina QR5 puede proporcionar entre 5000 y 11 000 kWh por año, dependiendo de la cantidad de viento en el sitio. La pala helicoidal aerodinámica proporciona un funcionamiento muy suave y casi silencioso.

Aerogenerador de eje vertical Savonius

El aerogenerador de eje vertical Savonius utiliza copas, llamadas aspas, en lugar de aspas para capturar la energía eólica. La figura 5 muestra un ejemplo de un aerogenerador de eje vertical Savonius.

Cuando sopla el viento, crea una fuerza positiva en la pala y una fuerza negativa en la parte trasera de la pala. Esta diferencia de fuerza hace girar la turbina.

En una turbina Savonius típica, el viento proviene del frente del cilindro, lo que provoca la rotación. Sin embargo, el viento también golpea la parte posterior de las otras palas, lo que ralentiza el rotor.

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Aerogenerador de eje vertical Savonius

Figura 5 Aerogenerador de eje vertical Savonius

Ventajas y desventajas de un aerogenerador de eje vertical

La Tabla 1 enumera las ventajas y desventajas de los aerogeneradores de eje vertical.

VentajasDesventajas
Más silencioso y con menos vibraciones que los aerogeneradores de eje horizontalArrancar la turbina eólica Darrieus requiere energía y un motor de arranque
No se requiere control de guiñada, ya que puede generar energía independientemente de la dirección del viento.Se necesitan cables de molinete para garantizar que el poste se mantenga vertical para que la rotación de la hoja sea suave
Produce energía eléctrica a velocidades de viento muy bajas.Es menos eficiente que los aerogeneradores de eje horizontal
Velocidades de hoja más lentas porque las hojas están más cerca del eje de rotación.
Se pueden instalar en entornos urbanos y en zonas residenciales y comerciales ya que funcionan con un bajo nivel de ruido
Más agradable a la vista que algunas turbinas eólicas horizontales más grandes; se pueden recubrir en colores para que coincidan con los edificios y los alrededores, ya que las pequeñas turbinas eólicas se colocan cerca del suelo cerca de los edificios
Las torres de eje vertical son mucho más cortas que las turbinas eólicas de eje horizontal.
El generador suele estar ubicado más cerca del suelo, por lo que no se necesita una grúa para el mantenimiento.

tabla 1 Ventajas y desventajas de los VAWT

Preguntas de revisión

  1. ¿Cuáles son los dos tipos de aerogeneradores de eje vertical?
  2. Explique la diferencia entre un aerogenerador Darrieus y un aerogenerador Savonius.
  3. ¿Por qué los aerogeneradores axiales se utilizan con más frecuencia en las ciudades que los aerogeneradores de eje horizontal?

respuestas

  1. El Darrieus y el Savonius
  2. El Darrieus gira un husillo utilizando fuerzas de elevación; el Savonius es empujado por las fuerzas del viento directo.
  3. Son más tranquilos.
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