Turbinas Eólicas de Eje Horizontal y Vertical: Una Comparación

La energía eólica es una fuente de energía renovable y limpia que puede reducir las emisiones de gases de efecto invernadero y la dependencia de los combustibles fósiles. Los aerogeneradores son máquinas que convierten la energía cinética del viento en energía eléctrica. Hay dos tipos principales de aerogeneradores según la orientación de su eje: horizontal y vertical.

¿Qué es un Aerogenerador de Eje Horizontal?

Un aerogenerador de eje horizontal (AEH) se define como un aerogenerador que tiene un eje de rotación horizontal o paralelo al suelo. Los AEH son el tipo más común de aerogeneradores utilizados para la generación de electricidad a gran escala. Generalmente tienen tres aspas que se asemejan a las hélices de un avión, aunque algunos pueden tener dos o una sola aspa.

Los componentes principales de un AEH son:

• El rotor, que consta de las aspas y el hub que las conecta al eje.

• La nacelle aloja el generador, la caja de cambios, el freno, el sistema de guiñada y otros componentes mecánicos y eléctricos.

• La torre soporta la nacelle y el rotor y los eleva por encima del suelo para capturar más viento.

• La fundación ancla la torre al suelo y transfiere las cargas del aerogenerador.

El principio de funcionamiento de un AEH se basa en el levantamiento, que es la fuerza que empuja un objeto hacia arriba cuando el aire fluye sobre su superficie. Las aspas de un AEH están diseñadas como perfiles aerodinámicos, que crean una diferencia de presión entre sus superficies superior e inferior cuando sopla el viento. Esta diferencia de presión hace que las aspas roten alrededor del eje horizontal, lo que a su vez impulsa el eje y el generador para producir electricidad.

El plano del rotor de un AEH debe estar alineado con la dirección del viento para maximizar su eficiencia. Por lo tanto, un AEH tiene un sensor de viento y un sistema de guiñada que ajusta la orientación de la nacelle según la dirección del viento. Un AEH también tiene un sistema de paso que cambia el ángulo de ataque de las aspas para controlar su velocidad de rotación y potencia de salida.

Las ventajas de los AEH son:

• Tienen mayor eficiencia que los aerogeneradores de eje vertical (AEV) porque pueden capturar más energía eólica con menos resistencia.

• Tienen menor fluctuación de par y estrés mecánico que los AEV porque tienen menos cambios en las fuerzas aerodinámicas durante cada rotación.

• Pueden instalarse en alta mar en plataformas flotantes o cimentaciones fijas, donde la velocidad del viento es mayor y más constante.

Las desventajas de los AEH son:

• Requieren una torre alta y un área de tierra grande para evitar turbulencias e interferencias de estructuras cercanas o terrenos.

• Son más caros y complejos de instalar y mantener que los AEV porque tienen más piezas móviles y componentes eléctricos.

• Son más susceptibles a fatiga y daños por vientos fuertes, tormentas, rayos, aves o hielo.

¿Qué es un Aerogenerador de Eje Vertical?

Un aerogenerador de eje vertical (AEV) se define como un aerogenerador que tiene un eje de rotación vertical o perpendicular al suelo. Los AEV son menos comunes que los AEH, pero tienen algunas ventajas para aplicaciones a pequeña escala y urbanas. Generalmente tienen dos o tres aspas que son rectas o curvas.

Los componentes principales de un AEV son:

• El rotor, que consta de las aspas y el eje vertical que las conecta al generador.

• El generador, que convierte la energía mecánica del rotor en energía eléctrica.

• La base, que soporta el rotor y el generador y los conecta al suelo.

El principio de funcionamiento de un AEV se basa en la resistencia, que es la fuerza que se opone al movimiento de un objeto cuando el aire fluye sobre su superficie. Las aspas de un AEV son simétricas o asimétricas, lo que crea diferentes cantidades de resistencia cuando se enfrentan o se oponen a la dirección del viento. Esta diferencia de resistencia hace que las aspas roten alrededor del eje vertical, lo que a su vez impulsa el generador para producir electricidad.

El plano del rotor de un AEV no necesita estar alineado con la dirección del viento porque puede capturar viento de cualquier dirección. Por lo tanto, un AEV no tiene un sistema de guiñada ni un sensor de viento. Sin embargo, un AEV puede tener un sistema de paso que cambia el ángulo de ataque de las aspas para controlar su velocidad de rotación y potencia de salida.

Las ventajas de los AEV son:

• Tienen costos de instalación y mantenimiento más bajos que los AEH porque tienen menos piezas móviles y componentes eléctricos.

• Tienen niveles de ruido más bajos que los AEH porque giran a velocidades más lentas.

• Pueden instalarse en techos o cerca de edificios porque tienen menores alturas y huellas más pequeñas que los AEH.

Las desventajas de los AEV son:

• Tienen menor eficiencia que los AEH porque tienen más resistencia y menos levantamiento.

• Tienen mayor fluctuación de par y estrés mecánico que los AEH porque tienen más cambios en las fuerzas aerodinámicas durante cada rotación.

• No pueden instalarse en alta mar porque son menos estables y duraderos que los AEH.

Tipos de Aerogeneradores de Eje Vertical

Existen dos tipos principales de AEV según su diseño de aspas: Darrieus y Savonius.

Aerogeneradores Darrieus

Los aerogeneradores Darrieus son AEV que tienen aspas curvas que se asemejan a un batidor de huevos o a una trocoide. Fueron inventados por el ingeniero francés Georges Darrieus en 1931. Los aerogeneradores Darrieus usan tanto levantamiento como resistencia para hacer girar sus aspas. Pueden alcanzar altas velocidades de rotación, pero requieren un mecanismo de arranque externo, como un motor eléctrico u otro aerogenerador, porque no pueden autostartearse.

Las ventajas de los aerogeneradores Darrieus son:

• Tienen un coeficiente de potencia más alto que los aerogeneradores Savonius porque usan tanto levantamiento como resistencia.

• Tienen una relación de solidez más baja que los aerogeneradores Savonius porque tienen menos aspas con mayores espacios entre ellas.

Las desventajas de los aerogeneradores Darrieus son:

• Requieren un mecanismo de arranque externo porque no pueden autostartearse.

• Tienen fuerzas centrífugas más altas que los aerogeneradores Savonius porque giran a velocidades más rápidas.