Turbinas Eólicas: Tipos, Beneficios y Aplicaciones

En mi artículo anterior se explicó que diferentes tipos de turbinas eólicas usan energía cinética del viento para generar potencia. De hecho, la energía eólica es la forma más limpia de generar energía mecánica y/o eléctrica. La energía obtenida se clasifica según cómo se cosecha: viento terrestre y marino. Lee el artículo para saber más.

Hoy conocerás los diferentes tipos de turbinas eólicas y sus ventajas y desventajas en diversas aplicaciones.

Tipos de turbina eólica

Turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT)

Las de eje horizontal son las más usadas hoy, aunque tienen limitaciones. Las palas estilo hélice giran alrededor de un eje horizontal. Componentes incluyen palas del rotor conectadas a eje, conectado a generador que produce energía eléctrica. Parecen hélice de avión montada sobre torre.

En estos tipos, un sensor de viento se monta en mecanismo de guiñada (nacelle) para alinear la turbina con dirección del viento. Así, distribución más efectiva de energía eólica sobre los rotores.

La estructura debe ser lo suficientemente fuerte para soportar peso de componentes: palas, caja de engranajes, generador, etc. La base debe resistir vientos fuertes. La nacelle contiene elemento de freno para detener palas inmediamente en vientos fuertes o incontrolados.

Entre todos los tipos, la turbina de eje horizontal tiene mayor eficiencia y generación de potencia. A menudo disponible en dos tipos: turbinas a favor del viento y a favor de la corriente.

Turbinas a favor del viento (Up-wind):

En turbina HAWT a favor del viento, el viento llega a rotores antes que a la torre, es decir, enfrenta el viento. Por eso rotores no sufren sombra eólica detrás de la torre, resultando en operación más eficiente. También el sistema es menos susceptible a desgaste. Sin embargo, el mecanismo de guiñada añade peso a la estructura.

En la mayoría de diseños, rotores a favor del viento no son flexibles para no doblarse o colisionar con la torre, lo que ocurre a alta velocidad de viento. Para evitarlo, el rotor se coloca a distancia de la torre. Por esto, dificultades de fabricación son altas. La inflexibilidad de palas requiere materiales más pesados.

Turbinas a favor de la corriente (Down-wind):

Menos comunes, pero diseño similar. Diferencia es ubicación del rotor, aguas abajo de la torre. El viento golpea la torre antes que las palas. El diseño permite más flexibilidad en palas, usando materiales más ligeros. Beneficios: menor peso estructural y mejor dinámica estructural al transferir carga de torre a palas.

Las turbinas de eje horizontal a favor de la corriente no necesitan mecanismo de guiñada. El rotor y carcasa diseñados para que la carcasa siga dirección del viento. Como el rotor está aguas abajo, sufre sombra eólica, fluctuando potencia generada. La sombra también puede causar fatiga en componentes.

Ventajas y desventajas de turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT)

Ventajas:

• Por torre alta, se accede a vientos más fuertes en sitios con cizalladura.
• Como palas se mueven perpendicular al viento, reciben potencia en toda la rotación. Mayor eficiencia.

Desventajas:

• Componentes pesados (palas, caja engranajes, generador) por construcción de torre masiva.
• Componentes deben izarse a posición.
• Altura las hace visiblemente intrusivas en grandes áreas. Alteran paisaje y pueden crear oposición local.
• Variante a favor de corriente sufre fatiga y fallo estructural por turbulencia al pasar pala por sombra de torre. Por eso mayoría usa diseño a favor del viento.
• Mecanismo de control de guiñada adicional requerido para orientar palas al viento.
• Freno requerido para detener turbina en vientos fuertes. Evita destrucción.
• Esfuerzos cíclicos y vibraciones al intentar orientarse al viento.

Turbinas eólicas de eje vertical (VAWT)

En turbinas de eje vertical, rotores giran eje instalado verticalmente. Diseño permite menos sensibilidad a dirección del viento, perfecto en granjas donde cambia frecuentemente. En otras palabras, sin importar dirección, palas se mueven y giran eje para producir potencia.

Tienen generador cerca del suelo. Alivia peso extra en rotor y hace diseño menos complejo. Mantenimiento más fácil que HAWT. Aunque VAWT tienen menor eficiencia por arrastre significativo en rotores. Menor potencia porque velocidad y flujo de viento a distancia del suelo son mayores y suaves que a nivel del suelo.

Basadas en arrastre, o turbina Savonius – rotores con álabes sólidos giran sobre eje vertical.

Basadas en sustentación, o turbina Darrieus – estilo aerofolio vertical alto, algunas forma batidor de huevos. Espira eólica es tipo sustentación, aunque en pruebas independientes.

Ventajas y desventajas de turbinas eólicas de eje vertical (VAWT)

Ventajas:

• Producen electricidad en cualquier dirección del viento.
• Torre de soporte fuerte no requerida; mayoría de componentes en suelo.
• Costo producción menor comparado con HAWT.
• Mecanismo de guiñada y paso eliminados; no necesita orientarse al viento.
• Instalación fácil
• Bajos costos de mantenimiento
• Fácil transporte
• Aptas para áreas con condiciones climáticas extremas.
• Instalables en áreas urbanas.
• Bajo riesgo para humanos y aves; palas se mueven a velocidades relativamente bajas.

Desventajas:

• Eficiencia baja porque solo una pala trabaja a la vez.
• Empuje inicial requerido para que palas comiencen a girar.
• Muy ineficientes por arrastre adicional al girar palas.
• Vibración relativamente alta por flujo turbulento cerca del suelo.
• Vibración aumenta desgaste de cojinetes, pudiendo aumentar costos de mantenimiento.
• Crean contaminación acústica.

Conclusión

Diferentes tipos de turbinas eólicas son adecuados por diversas razones. Las de eje horizontal son comunes por efectividad; las de eje vertical pueden usarse en cualquier zona geográfica por portabilidad. Esto es todo para este artículo, tipos de turbinas eólicas y sus ventajas y desventajas.

Espero que hayas aprendido mucho; si es así, compártelo con otros estudiantes. ¡Gracias por leer! Hasta la próxima.