Aerogeneradores de eixo horizontal e vertical: unha comparación

A enerxía eólica é unha fonte renovable e limpa de enerxía que pode reducir as emisións de gases de efecto invernado e a dependencia dos combustibles fósiles. As turbinas eólicas son máquinas que converten a enerxía cinética do vento en enerxía eléctrica. Existen dous tipos principais de turbinas eólicas segundo a orientación do seu eixo: horizontal e vertical.

Qué é unha turbina eólica de eixo horizontal?

Unha turbina eólica de eixo horizontal (HAWT) defínese como unha turbina eólica que ten un eixo de rotación horizontal ou paralelo ao solo. As HAWTs son o tipo máis común de turbinas eólicas utilizadas para a xeración de electricidade a gran escala. Normalmente teñen tres pás que se asimilan ás hélices de avión, aínda que algúns poden ter dúas ou unha pá.

Os compoñentes principais dunha HAWT son:

• O rotor, que consiste nas pás e no hub que as conecta ao eixo.

• A nacele alberga o xerador, a caixa de velocidades, o freo, o sistema de giro e outros componentes mecánicos e eléctricos.

• A torre soporta a nacele e o rotor e os eleva por encima do solo para captar máis vento.

• A fundación ancla a torre ao solo e transmite as cargas da turbina eólica.

O principio de funcionamento dunha HAWT basease na sustentación, que é a forza que empuxa un obxecto cara arriba cando o aire fluye sobre a súa superficie. As pás dunha HAWT teñen forma de perfil aerodinámico, que crean unha diferenza de presión entre as súas superficies superior e inferior cando sopla o vento. Esta diferenza de presión fai que as pás rotem ao redor do eixo horizontal, o que, a súa vez, acciona o eixo e o xerador para producir electricidade.

O plano do rotor dunha HAWT debe estar alineado coa dirección do vento para maximizar a súa eficiencia. Polo tanto, unha HAWT ten un sensor de vento e un sistema de giro que axustan a orientación da nacele segundo a dirección do vento. Unha HAWT tamén ten un sistema de paso que cambia o ángulo de ataque das pás para controlar a súa velocidade de rotación e a potencia de saída.

As vantaxes das HAWTs son:

• Teñen maior eficiencia que as turbinas eólicas de eixo vertical (VAWTs) porque poden captar máis enerxía eólica con menos resistencia.

• Teñen menor ondulación de par e estrés mecánico que as VAWTs porque teñen menos cambios nas forzas aerodinámicas durante cada rotación.

• Poden instalarse offshore en plataformas flotantes ou fundamentos fixos, onde a velocidade do vento é maior e máis constante.

As desvantaxes das HAWTs son:

• Requirir unha torre alta e unha gran área de terra para evitar a turbulencia e a interferencia de estruturas ou terrenos próximos.

• Son máis caras e complexas de instalar e manter que as VAWTs porque teñen máis pezas móbeis e componentes eléctricos.

• Son máis susceptibles a fatiga e danos por ventos fortes, tormentas, raios, aves ou xeo.

Qué é unha turbina eólica de eixo vertical?

Unha turbina eólica de eixo vertical (VAWT) defínese como unha turbina eólica que ten un eixo de rotación vertical ou perpendicular ao solo. As VAWTs son menos comúns que as HAWTs, pero teñen algunhas vantaxes para aplicacións a pequena escala e urbanas. Xeralmente teñen dúas ou tres pás que son rectas ou curvadas.

Os compoñentes principais dunha VAWT son:

• O rotor, que consiste nas pás e no eixo vertical que as conecta ao xerador.

• O xerador, que converte a enerxía mecánica do rotor en enerxía eléctrica.

• A base, que soporta o rotor e o xerador e os conecta ao solo.

O principio de funcionamento dunha VAWT basease na resistencia, que é a forza que se opón ao movemento dun obxecto cando o aire fluye sobre a súa superficie. As pás dunha VAWT son simétricas ou asimétricas, que crean cantidades diferentes de resistencia cando se enfrentan ou se oponen á dirección do vento. Esta diferenza de resistencia fai que as pás rotem ao redor do eixo vertical, o que, a súa vez, acciona o xerador para producir electricidade.

O plano do rotor dunha VAWT non necesita estar alineado coa dirección do vento porque pode captar vento de calquera dirección. Polo tanto, unha VAWT non ten un sistema de giro nin un sensor de vento. No entanto, unha VAWT pode ter un sistema de paso que cambia o ángulo de ataque das pás para controlar a súa velocidade de rotación e a potencia de saída.

As vantaxes das VAWTs son:

• Teñen menores custos de instalación e mantemento que as HAWTs porque teñen menos pezas móbeis e componentes eléctricos.

• Teñen niveis de ruido máis baixos que as HAWTs porque rotem a velocidades máis lentas.

• Poden instalarse en tejados ou preto de edificios porque teñen menores alturas e menores pegadas que as HAWTs.

As desvantaxes das VAWTs son:

• Teñen menor eficiencia que as HAWTs porque teñen máis resistencia e menos sustentación.

• Teñen maior ondulación de par e estrés mecánico que as HAWTs porque teñen máis cambios nas forzas aerodinámicas durante cada rotación.

• Non poden instalarse offshore porque son menos estables e duradouras que as HAWTs.

Tipo de turbinas eólicas de eixo vertical

Existen dous tipos principais de VAWTs segundo o deseño das súas pás: Darrieus e Savonius.

Turbinas Darrieus

As turbinas Darrieus son VAWTs que teñen pás curvas que se asimilan a un batidor de ovos ou a un trocoide. Foron inventadas polo enxeñeiro francés Georges Darrieus en 1931. As turbinas Darrieus usan tanto sustentación como resistencia para facer rodar as súas pás. Poden lograr altas velocidades de rotación, pero requiren un mecanismo externo de arranque, como un motor eléctrico ou outra turbina, porque non poden iniciar por si mesmas.

As vantaxes das turbinas Darrieus son:

• Teñen un coeficiente de potencia máis alto que as turbinas Savonius porque usan tanto sustentación como resistencia.

• Teñen unha relación de solidez máis baixa que as turbinas Savonius porque teñen menos pás con maiores espazos entre elas.

As desvantaxes das turbinas Darrieus son:

• Requiren un mecanismo externo de arranque porque non poden iniciar por si mesmas.

• Teñen maiores forzas centrífugas que as turbinas Savonius porque rotem a velocidades máis rápidas.