Turbines eòliques d'eix horitzontal i vertical: una comparació
L'energia eòlica és una font renovable i neta d'energia que pot reduir les emissions de gasos d'efecte hivernacle i la dependència dels combustibles fòssils. Les aerogeneradors són màquines que converteixen l'energia cinètica del vent en energia elèctrica. Hi ha dos tipus principals d'aerogeneradors basats en l'orientació del seu eix: horitzontals i verticals.
Què és un Aerogenerador d'Eix Horitzontal?
Un aerogenerador d'eix horitzontal (HAWT) es defineix com un aerogenerador que té un eix de rotació horitzontal o paral·lel respecte al terra. Els HAWT són el tipus més comú d'aerogeneradors utilitzats per a la generació d'electricitat a gran escala. Normalment tenen tres paletes que assoleixen als propulsors d'avió, encara que alguns poden tenir dues o una sola paleta.
Els components principals d'un HAWT són:
El rotor, que consta de les paletes i el hub que les connecta a l'eix.
La gavina conté el generador, el reductor, el fren, el sistema de gir, i altres components mecànics i elèctrics.
La torre suporta la gavina i el rotor i els eleva sobre el terra per captar més vent.
La fundació ancla la torre al terra i transmet les càrregues des de l'aerogenerador.
El principi de funcionament d'un HAWT es basa en el levant, que és la força que empeny un objecte cap amunt quan l'aire flueix sobre la seva superfície. Les paletes d'un HAWT estan dissenyades com aerofoils, que creen una diferència de pressió entre les seves superfícies superior i inferior quan el vent sofa. Aquesta diferència de pressió fa que les paletes giren al voltant de l'eix horitzontal, el que a la vegada impulsa l'eix i el generador per produir electricitat.
El pla del rotor d'un HAWT ha de estar alineat amb la direcció del vent per maximitzar la seva eficiència. Per tant, un HAWT té un sensor de vent i un sistema de gir que ajusten l'orientació de la gavina segons la direcció del vent. Un HAWT també té un sistema de pas que canvia l'angle d'atac de les paletes per controlar la seva velocitat de rotació i la sortida de potència.
Les avantatges dels HAWT són:
Tenen una major eficiència que els aerogeneradors d'eix vertical (VAWT) perquè poden captar més energia eòlica amb menys resistència.
Tenen menys fluctuacions de torsió i estrès mecànic que els VAWT perquè tenen menys canvis en les forces aerodinàmiques durant cada rotació.
Poden instal·lar-se a mar en plataformes flotants o fonaments fixos, on la velocitat del vent és més alta i més consistent.
Els desavantatges dels HAWT són:
Requereixen una torre alta i una gran àrea de terra per evitar turbulències i interferències de les estructures o terreny proper.
Són més caros i complexos d'instal·lar i mantenir que els VAWT perquè tenen més parts mòbils i components elèctrics.
Són més susceptibles a la fatiga i danys causats pels vents forts, tempestes, llamps, ocells o gel.
Què és un Aerogenerador d'Eix Vertical?
Un aerogenerador d'eix vertical (VAWT) es defineix com un aerogenerador que té un eix de rotació vertical o perpendicular respecte al terra. Els VAWT són menys comuns que els HAWT, però tenen algunes avantatges per a aplicacions a petita escala i urbanes. Normalment tenen dues o tres paletes que poden ser rectes o corbes.
Els components principals d'un VAWT són:
El rotor, que consta de les paletes i l'eix vertical que les connecta al generador.
El generador, que converteix l'energia mecànica del rotor en energia elèctrica.
La base, que suporta el rotor i el generador i els connecta al terra.
El principi de funcionament d'un VAWT es basa en la resistència, que és la força que s'oposa al moviment d'un objecte quan l'aire flueix sobre la seva superfície. Les paletes d'un VAWT són simètriques o asimètriques, que creen quantitats diferents de resistència quan s'enfronten o oposen a la direcció del vent. Aquesta diferència de resistència fa que les paletes giren al voltant de l'eix vertical, el que a la vegada impulsa el generador per produir electricitat.
El pla del rotor d'un VAWT no necessita estar alineat amb la direcció del vent perquè pot captar vent de qualsevol direcció. Per tant, un VAWT no té un sistema de gir ni un sensor de vent. No obstant això, un VAWT pot tenir un sistema de pas que canvia l'angle d'atac de les paletes per controlar la seva velocitat de rotació i la sortida de potència.
Les avantatges dels VAWT són:
Tenen costos d'instal·lació i manteniment inferiors que els HAWT perquè tenen menys parts mòbils i components elèctrics.
Tenen nivells de soroll inferiors que els HAWT perquè giren a velocitats més baixes.
Poden instal·lar-se a terrasses o prop de edificis perquè tenen alçades més baixes i una empremta més petita que els HAWT.
Els desavantatges dels VAWT són:
Tenen una menor eficiència que els HAWT perquè tenen més resistència i menys levant.
Tenen més fluctuacions de torsió i estrès mecànic que els HAWT perquè tenen més canvis en les forces aerodinàmiques durant cada rotació.
No es poden instal·lar a mar perquè són menys estables i durables que els HAWT.
Tips d'Aerogeneradors d'Eix Vertical
Hi ha dos tipus principals de VAWT basats en el disseny de les seves paletes: Darrieus i Savonius.
Aerogeneradors Darrieus
Els aerogeneradors Darrieus són VAWT que tenen paletes corbes que assoleixen a un batidor d'ous o una trocoide. Van ser inventats pel enginyer francès Georges Darrieus el 1931. Els aerogeneradors Darrieus utilitzen levant i resistència per fer girar les seves paletes. Poden assolir velocitats de rotació altes, però requereixen un mecanisme d'inici extern, com un motor elèctric o un altre aerogenerador, perquè no poden iniciar-se sols.
Les avantatges dels aerogeneradors Darrieus són:
Tenen un coeficient de potència més alt que els aerogeneradors Savonius perquè utilitzen levant i resistència.
Tenen una relació de soliditat més baixa que els aerogeneradors Savonius perquè tenen menys paletes amb intervals més grans entre elles.
Els desavantatges dels aerogeneradors Darrieus són:
