turbina eólica de eje vertical

Una turbina eólica de eje vertical ( VAWT ) es un tipo de turbina eólica en la que el eje principal del rotor se coloca transversalmente al viento, mientras que los componentes principales se ubican en la base de la turbina. Esta disposición permite que el generador y la caja de engranajes se ubiquen cerca del suelo, facilitando el mantenimiento y la reparación. Las VAWT no necesitan estar orientadas hacia el viento, ^{[ 3 ] [ 4 ]} lo que elimina la necesidad de mecanismos de detección y orientación del viento. Los principales inconvenientes de los primeros diseños ( Savonius , Darrieus y giromill ) incluían la importante ondulación del par durante cada revolución y los grandes momentos flectores en las palas. Diseños posteriores abordaron la ondulación del par mediante el barrido helicoidal de las palas ( tipo Gorlov ). ^{[ 5 ]} Las turbinas eólicas de eje vertical Savonius (VAWT) no están muy extendidas, pero su simplicidad y mejor rendimiento en campos de flujo perturbados, en comparación con las pequeñas turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), las convierten en una buena alternativa para dispositivos de generación distribuida en un entorno urbano. ^{[ 6 ]}

Una turbina eólica de eje vertical tiene su eje perpendicular a las corrientes de viento y vertical al suelo. Un término más general que incluye esta opción es "turbina eólica de eje transversal" o "turbina eólica de flujo cruzado". Por ejemplo, la patente original de Darrieus, la patente estadounidense 1835018, incluye ambas opciones.

Las turbinas eólicas de eje vertical de tipo arrastre, como el rotor Savonius, suelen operar a relaciones de velocidad de punta más bajas que las turbinas eólicas de eje vertical basadas en sustentación, como los rotores Darrieus y las cicloturbinas .

Los modelos informáticos sugieren que las turbinas eólicas de eje vertical dispuestas en parques eólicos pueden generar más del 15 % más de energía por turbina que cuando funcionan de forma aislada. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Algunas, como el diseño del generador Airfoil, tienen muy poca turbulencia posterior a la turbina, lo que permite instalarlas más cerca unas de otras para un uso más eficiente del terreno. ^{[ 9 ]}

Las fuerzas y las velocidades que actúan en una turbina Darrieus se representan en la Figura 1. El vector de velocidad resultante,${\displaystyle {\vec {W}}}$, es la suma vectorial de la velocidad del aire aguas arriba no perturbada,${\displaystyle {\vec {U}}}$y el vector de velocidad de la pala que avanza,${\displaystyle -{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}}$.

${\displaystyle {\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)}$

Por lo tanto, la velocidad del fluido incidente varía durante cada ciclo. La velocidad máxima se encuentra para${\displaystyle \theta =0{}^{\circ }}$y se encuentra el mínimo para${\displaystyle \theta =180{}^{\circ }}$, dónde${\displaystyle \theta }$es la posición azimutal u orbital de la pala. El ángulo de ataque ,${\displaystyle \alpha }$, es el ángulo entre la velocidad del aire incidente, W, y la cuerda del álabe. El flujo de aire resultante crea un ángulo de ataque positivo y variable sobre el álabe en la zona aguas arriba de la máquina, cambiando de signo en la zona aguas abajo de la misma.

De las consideraciones geométricas de la velocidad angular, tal como se muestra en la figura adjunta, se deduce que:

${\displaystyle V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )}$

y:

${\displaystyle V_{n}=U\sin(\theta)}$

Al despejar la velocidad relativa como la resultante de las componentes tangencial y normal, se obtiene:

${\displaystyle W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}}$^{[ 10 ]}

Por lo tanto, combinando lo anterior con las definiciones para la relación de velocidad de punta${\displaystyle \lambda =(\omega R)/U}$da como resultado la siguiente expresión para la velocidad resultante:

${\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}}$^{[ 11 ]}

El ángulo de ataque se calcula de la siguiente manera:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)}$

Lo cual, al sustituir lo anterior, resulta en:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)}$^{[ 12 ]}

La fuerza aerodinámica resultante se descompone en componentes de sustentación (L) y resistencia (D), o en componentes normales (N) y tangenciales (T). Se considera que las fuerzas actúan en el punto de un cuarto de cuerda, y el momento de cabeceo se determina para descomponer las fuerzas aerodinámicas. Los términos aeronáuticos sustentación y resistencia se refieren a las fuerzas transversales (sustentación) y longitudinales (resistencia) al flujo de aire relativo neto incidente. La fuerza tangencial actúa a lo largo de la velocidad del álabe, tirando de él, y la fuerza normal actúa radialmente, empujando contra los cojinetes del eje. La fuerza de sustentación y la de resistencia son útiles al tratar las fuerzas aerodinámicas alrededor del álabe, como la entrada en pérdida dinámica , la capa límite, etc.; mientras que al tratar el rendimiento global, las cargas de fatiga, etc., es más conveniente tener un marco normal-tangencial. Los coeficientes de sustentación y resistencia generalmente se normalizan por la presión dinámica del flujo de aire relativo, mientras que la presión dinámica de la velocidad del fluido aguas arriba no perturbado generalmente normaliza los coeficientes normales y tangenciales.

${\displaystyle C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}}$

A = Área de la pala (que no debe confundirse con el área barrida, que es igual a la altura de la pala/rotor multiplicada por el diámetro del rotor), R = Radio de la turbina

La cantidad de potencia, P, que puede absorber una turbina eólica:

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}}$

Dónde${\displaystyle C_{p}}$es el coeficiente de potencia,${\displaystyle \rho }$es la densidad del aire,${\displaystyle A}$es el área barrida de la turbina, y${\displaystyle \nu }$es la velocidad del viento. ^{[ 13 ]}

Existen dos tipos principales de turbinas eólicas de eje vertical: la turbina Savonius y la turbina Darrieus. El rotor Darrieus se presenta en diversas variantes, como hélice, disco y rotor en H con palas rectas. Estas turbinas suelen tener tres palas delgadas impulsadas por fuerzas de sustentación, lo que les permite alcanzar altas velocidades.

Existen diversos diseños sencillos para aerogeneradores verticales, como se detalla a continuación. En la práctica, es común encontrar una amplia gama de variaciones y combinaciones, ya que los desarrolladores suelen demostrar su creatividad al crear diferentes tipos de aerogeneradores verticales.

Savonius

La turbina eólica Savonius (SWT) es una turbina eólica de eje vertical (VAWT) de tipo arrastre. Su diseño común incluye un eje giratorio con dos o tres palas que captan el viento incidente. Debido a su diseño sencillo y robusto, y a su eficiencia relativamente baja, se utiliza cuando la fiabilidad es más importante que la eficiencia. Una de las razones de la baja eficiencia de una turbina eólica Savonius es que aproximadamente solo la mitad de la turbina genera un par positivo, mientras que la otra mitad se mueve contra el viento y, por lo tanto, produce un par negativo. Una variante de la SWT es la turbina eólica Harmony ^{[ 14 ]} , con palas helicoidales y un mecanismo de enrollado automático para condiciones de viento de alta velocidad.

Las turbinas eólicas de eje vertical ( VAWT) ofrecen una serie de ventajas sobre las turbinas eólicas tradicionales de eje horizontal (HAWT):

• Es posible que las turbinas eólicas de eje vertical omnidireccionales no necesiten seguir la dirección del viento. Esto significa que no requieren un mecanismo complejo ni motores para orientar el rotor y ajustar el ángulo de las palas . ^{[ 16 ]}
• El reemplazo y el mantenimiento de la caja de engranajes son más sencillos y eficientes, ya que se puede acceder a ella a nivel del suelo en lugar de que el operario tenga que trabajar a cientos de metros de altura. Las fallas del motor y de la caja de engranajes suelen ser aspectos importantes a considerar en cuanto a la operación y el mantenimiento.
• Algunos diseños pueden utilizar cimentaciones con pilotes de tornillo , lo que reduce el transporte de hormigón por carretera y el impacto ambiental de la instalación. Los pilotes de tornillo se pueden reciclar completamente al final de su vida útil.
• Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) se pueden instalar en parques eólicos de turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) debajo de las HAWT existentes, complementando la producción de energía. ^{[ 17 ]}
• Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) pueden operar en condiciones inadecuadas para las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT). Por ejemplo, el rotor Savonius , que puede operar en condiciones de viento irregular y lento a nivel del suelo, se utiliza a menudo en ubicaciones remotas o sin supervisión, aunque es la VAWT de arrastre más "ineficiente".
• Ruido reducido en comparación con las turbinas eólicas de eje horizontal ^{[ 18 ]}
• Peligro reducido para las aves ^{[ 19 ]}

Algunos tipos de VAWT sufren de pérdida dinámica de las palas a medida que el ángulo de ataque varía rápidamente. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ]}

Las palas de una turbina eólica de eje vertical tipo Darrieus son propensas a la fatiga debido a la gran variación de las fuerzas aplicadas durante cada rotación. Las palas, orientadas verticalmente, pueden torcerse y doblarse en cada giro, lo que reduce su vida útil. La flexión de las palas es un problema menor en los tipos Airfoil y Savonius, donde las palas están soportadas a lo largo de toda su longitud.

Aparte de los de tipo arrastre, las VAWT han demostrado ser menos fiables que las HAWT , ^{[ 23 ]} aunque los diseños modernos han superado muchos problemas iniciales. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

Un estudio de 2021 simuló una configuración de VAWT que permitió que las VAWT superaran en un 15 % la eficiencia de una instalación de HAWT comparable. Una simulación de 11 500 horas demostró el aumento de eficiencia, en parte gracias al uso de una disposición en cuadrícula. Uno de los efectos es evitar la turbulencia aguas abajo derivada de las HAWT dispuestas en cuadrícula, que reduce la eficiencia. Otras optimizaciones incluyeron el ángulo de la matriz, la dirección de rotación, el espaciamiento entre turbinas y el número de rotores. ^{[ 26 ]}

En 2022, la empresa noruega World Wide Wind presentó turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) flotantes con dos conjuntos de palas contrarrotatorias. Ambos conjuntos están fijados a ejes concéntricos. Cada conjunto cuenta con una turbina acoplada: una al rotor y la otra al estator . Esto duplica su velocidad relativa en comparación con un estator estático. Afirmaron que la producción se duplicaba con creces en comparación con las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) más grandes. Las HAWT requieren sistemas de transmisión, cajas de engranajes, generadores y palas pesadas en la parte superior de la torre, lo que exige contrapesos submarinos pesados. Las VAWT ubican la mayoría de los componentes pesados ​​en la base de la torre, reduciendo la necesidad de contrapesos. Las palas barren un área cónica, lo que ayuda a reducir la turbulencia a sotavento de cada torre, aumentando la densidad máxima de la misma. La empresa afirma que construirá una unidad de 400 m (1300 pies) y 40 megavatios. ^{[ 27 ]}  

En 2024, el NREL llevó a cabo un estudio sobre el diseño del generador de perfil aerodinámico . Como resultado, se formó una alianza estratégica entre tres empresas del Medio Oeste para construir el primer prototipo a escala real de un generador de perfil aerodinámico. ^{[ 28 ]} La construcción continuará hasta 2026, y la primera operación está programada para septiembre de 2027.

El Windspire, un pequeño aerogenerador de eje vertical (VAWT) diseñado para uso individual (hogar u oficina), fue desarrollado a principios de la década de 2000 por la empresa estadounidense Mariah Power. La empresa informó que se habían instalado varias unidades en todo Estados Unidos para junio de 2008. ^{[ 29 ]}

Arborwind, una empresa con sede en Ann Arbor, Michigan , produce una pequeña turbina eólica de eje vertical patentada que se ha instalado en varias ubicaciones de EE. UU. desde 2013. ^{[ 30 ]}

En 2011, investigadores de energía eólica de los Laboratorios Nacionales Sandia iniciaron un estudio de cinco años sobre la aplicación de la tecnología de diseño de turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) a parques eólicos marinos. ^{[ 31 ]} Los investigadores afirmaron: «La economía de la energía eólica marina difiere de la de las turbinas terrestres, debido a los desafíos de instalación y operación. Las VAWT ofrecen tres grandes ventajas que podrían reducir el costo de la energía eólica: un centro de gravedad más bajo de la turbina; menor complejidad de la máquina; y mejor escalabilidad a tamaños muy grandes. Un centro de gravedad más bajo significa mayor estabilidad en el agua y menores cargas de fatiga gravitacional. Además, el sistema de transmisión de una VAWT se encuentra en la superficie o cerca de ella, lo que potencialmente facilita el mantenimiento y reduce el tiempo necesario. Menos piezas, menores cargas de fatiga y un mantenimiento más sencillo conllevan una reducción de los costos de mantenimiento».

A principios de la década de 2010 , el profesor de aeronáutica de Caltech , John Dabiri , instaló una parcela de demostración de 24 unidades de turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) en el sur de California . Su diseño se incorporó a un parque generador de 10 unidades instalado en 2013 en la aldea de Igiugig, Alaska. ^{[ 32 ]}

Dulas, Anglesey , recibió permiso en marzo de 2014 para instalar un prototipo de VAWT en el rompeolas del lado del agua de Port Talbot. La turbina es de nuevo diseño, suministrada por C-FEC (Swansea), con sede en Gales, ^{[ 33 ]} y se operará durante un período de prueba de dos años. ^{[ 34 ]} Esta VAWT incorpora un paravientos que bloquea el viento de las palas en avance y, por lo tanto, requiere un sensor de dirección del viento y un mecanismo de posicionamiento, a diferencia de los tipos de VAWT de "batidora de huevos" mencionados anteriormente. ^{[ 33 ]}

StrongWind, una empresa con sede en Canadá , produce una turbina eólica de eje vertical urbana patentada que se ha instalado en varias ubicaciones canadienses e internacionales hasta 2023. ^{[ 35 ]}

El arquitecto Michael Reynolds (conocido por sus diseños de casas Earthship ) desarrolló una turbina eólica de eje vertical de cuarta generación llamada Dynasphere . Tiene dos  generadores de 1,5 kW y puede producir electricidad a velocidades muy bajas. ^{[ 36 ]}

• Aerogeneradores no convencionales
• Ventilador de flujo cruzado

• La imagen del día de Cellar muestra una turbina eólica de eje vertical (VAWT) transversal al viento, pero con el eje horizontal, lo que impide que la máquina se denomine turbina eólica de eje horizontal (HAWT).