Tipos de turbinas eólicas HAWT, VAWT y más explicados

La gran mayoría de aerogeneradores Los diseños estándar de tres aspas que se ven en los parques eólicos (tanto terrestres como marinos) son los que se ven en todo el condado. Sin embargo, existen distintos estilos y tipos de turbinas y la forma en que aprovechan la energía cinética del viento es bastante diferente.

Los dos tipos principales de turbinas eólicas son de eje horizontal y de eje vertical. Aerogeneradores de eje horizontal Tienen el eje de rotación orientado horizontalmente. Por lo general, tienen 3 aspas y están diseñadas para enfrentarse al viento. Las turbinas eólicas de eje vertical tienen el eje de rotación alineado verticalmente y están diseñadas para aprovechar la energía cinética en la dirección opuesta.

Además de las turbinas eólicas de eje horizontal y de eje vertical, hay otras iteraciones de la turbina que vale la pena explorar.

El tipo más común de turbina eólica es la "turbina eólica de eje horizontal". Se la denomina de eje horizontal porque el eje de rotación se encuentra en posición horizontal (consulte el diagrama a continuación).

Las turbinas eólicas de eje horizontal deben apuntar directamente hacia el viento para funcionar con la máxima eficiencia, y todo el cabezal está diseñado para girar de cara al viento. A medida que el viento cambia de dirección, el cabezal debe girar (o "guiñar") para seguir apuntando hacia el viento.

Las turbinas eólicas de eje horizontal se eligen para parques eólicos marinos y terrestres donde el terreno es en gran parte plano y abierto, porque funcionan de manera más eficiente que las turbinas de eje vertical en áreas donde el viento no es turbulento.

Diseñado para el tamaño

Si bien existen muchas turbinas eólicas de eje horizontal a pequeña escala disponibles comercialmente para propietarios de viviendas conscientes del consumo de energía, una de sus grandes ventajas es que se pueden escalar bien para su fabricación y se pueden construir en tamaños MUY GRANDES. Esta es otra razón por la que se utilizan en parques eólicos. Es mucho más rentable construir y operar una turbina de 10 megavatios (MW) que cinco turbinas de 2 MW.

La turbina eólica más grande del mundo (a fecha de verano de 2021) es la Vestas V236, con una potencia nominal de 15 megavatios (MW). Tiene un diámetro de rotor de 236 m, ¡más del doble de la altura de la Estatua de la Libertad! Una sola rotación de sus aspas proporcionará suficiente electricidad para hacer funcionar un hogar medio durante un día.

Aerogeneradores de eje vertical

Una turbina menos eficiente y menos común es la "turbina eólica de eje vertical". Se la denomina de eje vertical porque el eje de rotación está alineado verticalmente hacia arriba.

No es posible construir turbinas de eje vertical a la gran escala que vemos en los parques eólicos con turbinas de eje horizontal. La turbina eólica de eje vertical más grande jamás construida fue la turbina “ÉOLE” de 110 m de altura y 3.8 MW en Quebec, Canadá. Sin embargo, el cojinete del rotor falló en 1993 bajo el peso de 880 toneladas que tenía que soportar. Ha estado fuera de servicio desde entonces y ahora es una curiosidad para los turistas. Es muy poco probable que alguien intente construir una turbina de eje vertical más grande que esta debido a los problemas de ingeniería asociados con el soporte directo de pesos tan pesados ​​en un solo cojinete.

Construido para la flexibilidad

Aunque son más pequeñas, la principal ventaja que tienen las turbinas eólicas de eje vertical sobre las de eje horizontal es que no necesitan girar. Recogen la energía eólica de todas las direcciones todo el tiempo. Debido a la forma en que están diseñadas las aspas, siempre giran en la misma dirección, sin importar de dónde provenga el viento.

Esto hace que las turbinas eólicas de eje vertical sean mejores para capturar la energía eólica en los tejados de las ciudades y en áreas edificadas donde el viento turbulento cambia de dirección todo el tiempo.

Aerogeneradores de eje vertical ocupan menos espacio que una turbina de eje horizontal de potencia equivalente y a menudo se eligen para áreas donde el espacio es limitado.

Diferentes tipos de turbinas eólicas de eje vertical

Existen dos diseños principales de turbinas eólicas de eje vertical, denominadas Savonius y Darrieus. Estos diseños son bastante diferentes en la forma en que capturan la energía eólica.

Turbinas eólicas de eje vertical Savonius

Las turbinas eólicas de eje vertical de estilo Savonius utilizan el principio de resistencia para convertir la energía eólica en energía mecánica rotacional. Funcionan como una pala, con una forma que atrapa el viento que entra en la turbina, creando resistencia y obligándola a girar (ver diagrama a continuación). No importa de qué dirección provenga el viento, siempre golpeará tanto la parte delantera como la trasera de la pala, pero la parte trasera redondeada de la pala crea menos resistencia, lo que permite que la turbina gire. Sin embargo, esto significa que una turbina eólica de eje vertical Savonius solo puede convertir, como máximo, el 15 % de la energía eólica en energía mecánica rotacional.

Turbinas eólicas de eje vertical Darrieus

Las turbinas eólicas de eje vertical Darrieus utilizan el principio de sustentación para convertir la energía eólica en energía mecánica rotacional y son más eficientes que las turbinas de eje vertical de estilo Savonius. Las turbinas eólicas de eje vertical Darrieus utilizan aspas que tienen una sección transversal con forma de ala de avión. A medida que el viento pasa sobre las aspas, el efecto aerodinámico crea sustentación, que es lo que hace girar la turbina (ver diagrama a continuación).

Las palas aerodinámicas de una turbina Darrieus pueden tener forma recta, curva o helicoidal (ver diagrama a continuación).

Todas estas son turbinas Darrieus: las palas del rotor son todas las mismas superficies aerodinámicas generadoras de sustentación, pero en diferentes configuraciones.

La configuración helicoidal es quizás la más interesante, ya que permite que una pala aerodinámica más larga quede contenida dentro de la misma área de rotación que una turbina de palas rectas, capturando así más viento y aumentando la eficiencia. 

Otros diseños de turbinas

Si bien la mayoría de las turbinas eólicas caen dentro de estas dos categorías principales (eje vertical y eje horizontal), ha habido varios diseños experimentales que se alejan de la configuración normal de estos dos diseños.

El árbol del viento

El 'Árbol del Viento', construido por la empresa parisina New World Wind, está basado en una turbina eólica de eje vertical Savonius, pero es novedoso porque utiliza muchas turbinas pequeñas dispuestas de forma que parezcan hojas de un árbol para crear un elemento urbano decorativo.

Vórtice sin hoja

Vortex Bladeless es una empresa española que ha utilizado un método completamente diferente para extraer energía cinética del viento. Su “turbina” no se parece en nada a una turbina convencional, ya que no gira.

El sistema Vortex Bladeless utiliza un mástil alto con forma de pilar que extrae energía del viento mediante una técnica llamada resonancia inducida por vórtices. A medida que el viento pasa por el pilar, provoca turbulencias detrás de él, lo que hace que el pilar oscile o "vibre" hacia adelante y hacia atrás, y es esta energía mecánica la que impulsa un alternador lineal, generando así una corriente eléctrica.

Como no tienen aspas giratorias, este estilo de generador eólico no representa un peligro para las aves migratorias ni para la vida silvestre.

Turbinas impulsadas por vehículos

Varias empresas han comenzado a desarrollar turbinas eólicas de eje vertical a pequeña escala que se pueden colocar en las medianas de las autopistas y autovías. En lugar de ser impulsadas por el viento "natural", es la turbulencia causada por el flujo constante de vehículos que pasan a alta velocidad lo que hace girar estas turbinas. Por lo tanto, aunque todavía son turbinas eólicas de eje vertical convencionales, es la situación en la que se están aplicando lo que es novedoso.

Turbina eólica de eje transversal (CAWT)

La turbina eólica de eje transversal es un diseño experimental de turbina de eje vertical que utiliza aspas de turbina horizontales y verticales en una novedosa configuración reticulada. Con tres aspas verticales y seis aspas horizontales, puede capturar la energía eólica proveniente tanto de direcciones horizontales como verticales. Los estudios demostraron que era 2.5 veces más eficiente que una turbina de eje vertical convencional en las mismas condiciones de viento.

Turbina de corriente ascendente de torre de enfriamiento

Este diseño propone una configuración novedosa de un aerogenerador de eje vertical Darrieus, orientado horizontalmente y situado en la parte superior de torres de refrigeración. La corriente ascendente del flujo de aire de escape de la torre, en lugar de desperdiciarse en la atmósfera, se utiliza para impulsar la turbina.