M. Ing. Omar Guillén Solís

AntecedentesAntecedentes

Aunque la mayoría de los aerogeneradores en el mercado son de eje horizontal y tripala, se tienen algunas experiencias con las máquinas de eje vertical, lo que motiva su consideración en el proyecto MEM, dentro del abanico de opciones.

Se distinguen algunas ventajas de inicio:

• Funcionamiento del rotor para cualquier dirección de viento, lo cual elimina los dispositivos de orientación

• Transmisión más simple y directa de la energía de rotación al eje de la turbina

• En algunos casos, se permite situar el generador directamente sobre el suelo, con lo cual se baja el centro de gravedad y el sistema es más estable estructuralmente

AntecedentesAntecedentes

Los molinos más antiguos, pertenecientes a la civilización persa, eran de eje vertical y se utilizaban para la molienda y bombeo de agua

FundamentosFundamentosEstas máquinas son conceptualmente mas sencillas que las de eje horizontal y no necesitan de ningún sistema de orientación al viento ya que por simetría siempre lo están por lo que no es necesario un sistema de seguimiento del viento y en su funcionamiento tanto las palas , como los rodamientos y los ejes no están sometidos a grandes esfuerzos debidos a este cambio de orientación.

Son de fácil armado ya que se instalan a nivel del suelo y el generador de electricidad puede ser ubicado precisamente a ese nivel, lo que favorece y facilita su instalación y mantenimiento; presentan teóricamente menos problemas estructurales; pero tienen un rendimiento significativamente menor a los molinos de eje horizontal por lo que para producir la misma energía necesitarían de un tamaño mayor.

IntroducciIntroduccióónn

Los aerogeneradores de eje vertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección de viento

No precisan dispositivos de orientación; trabajan por la diferencia de coeficiente de arrastre entre las dos mitades de la sección expuesta al viento.

A excepción del rotor Darrieus, los aerogeneradores de eje vertical operan con vientos de baja velocidad donde difícilmente superan las 200 rpm.

Se emplean para generar potencias que van de los 200 W a los 4 MW.

En estricto rigor no necesitan de una torre. Generalmente se caracterizan por tener altos torques de partida. El Darrieus es la excepción a las características antes mencionadas.

SavoniusSavonius

El modelo de rotor Savonius es el más simple, creado por el ingeniero finlandés Sigurd Savonius en 1924. Consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual su dos mitades han sido desplazadas para convertirlas en una S. Las partes cóncavas de la S captan el viento, mientras que los reversos presentan una menor resistencia al viento, por lo que giran en el sentido que menos resistencia ofrezcan.

Debido a la gran resistencia al aire que ofrece este tipo de rotor, solo puede ser utilizado a bajas velocidades. El uso para generaciuso para generacióón de energn de energíía a elelééctricactrica precisaría de multiplicadores de giro, que reducirían el rendimiento. Es por tanto útil para aplicaciones de tipo mecánico, como el bombeo de agua.

Este sistema tiene el inconvenienteinconveniente de presentar una sobre-presión en el interior de las zonas cóncavas al no poder salir el aire, perjudicando el rendimiento; el sistema queda mejorado separando ambas palas y dejando un hueco entre ambas para que se exista un flujo de aire.

m/s

SobreSobre--presipresióónn

Darrieus (catenaria)Darrieus (catenaria)

Diseñado y patentado por el académico francés Georgge Darrieus en 1931, este modelo es el más popular de los aerogeneradores de eje vertical. Nace por la necesidad de evitar la construcción de hélices sofisticadas como las que se utilizan en los aerogeneradores de eje horizontal. Permite mayores velocidades que las del rotor Savonius, pero no alcanza a las de un rotor de eje horizontal. Fue redescubierto por los ingenieros en los años setenta por Laboratorios Sandia, quien construyó en 1974, un prototipo de 5 m de diámetro.

Consta de unas finas palas con forma de ala de avión simétricas, que están unidas al eje solo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje.

No necesita de un sistema de orientación; por lo que puede ser instalado en cualquier terreno sin necesidad de levantar altas torres, lo cual se traduce en un ahorro sustancial. Los alerones del Darrieus experimenten una fuerte fuerza centrífuga. Al trabajar en pura tensión hace que los alerones sean simples y económicos.

Este rotor presenta el problemaproblema que no puede arrancar por sí mismo, teniendo que emplearse un sistema de arranque secundario, aunque una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a la aerodinámica de sus palas. Muchas veces se aplica al diseño de este aerogenerador, rotores Savonius para facilitar su partida.

Su velocidad de rotación es muy elevada, lo que aumenta la potencia recuperable.

Darrieus (catenaria)Darrieus (catenaria)

Fue redescubierto por los ingenieros en los años setenta. Laboratorios Sandia fue el que más trabajo al respecto y construyó, en 1974, un primer prototipo de 5 m de diámetro.

También Canadá ha invertido en estos aerogeneradores. En los años 80s el más grande aerogenerador ahí era justamente uno de este tipo y fue construido en Québec en 1987 con 64 m de diámetro y una altura de 96 m, y una potencia nominal de 4 MW.

Fue el primer Darrieus en tener este orden de magnitud en potencia generada y tal como la turbinas hidroeléctricas no necesitaba de caja de cambio. El generador tenía 162 polos y globalmente otorgaba potencia a la red de Québec con un sistema AC-DC-AC. Para asegurar una vida útil más larga se le hizo trabajar a 2.5 MW. Actualmente no está en operación.

EolEoléé VAWT 4 MWVAWT 4 MW

DarrieusDarrieus tipo H o tipo H o GiromillGiromill (Ciclo(Ciclo--giro)giro)La patente de Darrieus también cubrió las turbinas con alerones verticales de eje recto llamadas Giromill. Un análisis del rendimiento de la máquina Darrieus mostró que la parte ecuatorial de las hojas contribuye mucho más a la potencia de salida que las próximas a los extremos, debido fundamentalmente a su mayor radio. Este modelo consta de 2 a 6 palas situadas verticalmente y unidas a su eje central.

El modelo Giromill (10-15 kW) alcanzó un amplio desarrollo en España, EE.UU., Dinamarca y Japón.

WindsideWindsideEs un prototipo concebido por la empresa finlandesa Windside, el cual entrega 50 kW y que tiene la tarea de climatizar un centro comercial en la ciudad finlandesa de Turku. Esta tecnología tiene rendimientos similares a las aerogeneradores de eje horizontal, y es aplicada para abastecer medianos y pequeños consumos.

TurbyTurby

Se trata de una máquina diseñada especialmente para entornos urbanos o urbanizados. Ideado por la empresa holandesa homónima. Potencia de 2.5 kW, instalable en tejados de viviendas. Dispone de 3 aletas helicoidales dispuestas a una distancia fija del eje. Pocas vibraciones, bajo nivel de ruidos y eficiencia razonable. Mástil de 5 m de altura.

TMA GLOBAL WIND ENERGY SYSTEMS

Cheyenne, Wyoming, U.S.A.Potencias instaladas 5 kW a 1 MW

Curva de Potencia Curva de Potencia -- comparacicomparacióónn

Esquemas de CertificaciEsquemas de Certificacióónn

Eje HorizontalEje Horizontal

IEC 61400 IEC 61400 –– internacional internacional ((IEC 61400IEC 61400--1 Wind Turbine Safety and Design)1 Wind Turbine Safety and Design)

GermanischerGermanischer LloydsLloyds rules rules -- AlemaniaAlemaniaTAPS 2000 TAPS 2000 -- IndiaIndia

Eje VerticalEje Vertical

??

Mapeo del recurso eMapeo del recurso eóólicolico

Chimenea solar (AG ciclChimenea solar (AG ciclóónico)nico)Consistente en la mezcla de unir sistemas eólicos y solares. Se compone de un inmenso invernadero con una chimenea central. El aire es calentado por efecto invernadero y asciende por la chimenea. Este aire ascendente mueve una serie de turbinas a lo largo de de la chimenea.

El aire bajo los cristales alcanza unos 70ºC. En lo alto de la chimenea la temperatura es de 20ºC. Resultado: una tremenda corriente de aire que mueve una turbina en la base de la chimenea de forma continua. También durante una parte de la noche gracias al calor acumulado por los cristales.

Un modelo real sugería 200 MW instalados (32 máquinas), 1000 m de altura y 170 m de diámetro.

Tiene su antecedente en 1903, con el Proyecto de motor solar presentado por el coronel de artillería español Isidoro Cabanyes.

En 1981 el Ministerio Alemán de investigación y Tecnología y la empresa española Unión Fenosa promueven y financian la construcción de un prototipo en la localidad manchega de Manzanares.

Especificaciones: Chimenea h = 195 m, d = 10 m y P = 200 ton. Colector solar de plástico en forma de invernadero, D = 240 m; a base de cuadros de 6 m de lado, columnas de soporte para dichos cuadros de 2 m sobre el suelo. Generador elGenerador elééctrico de 50 kW.ctrico de 50 kW.

Fin de la historia: en 1989 se derrumbó por una tormenta. Se debió a defectos de instalación de una riostra que debía asegurar su estabilidad.

No obstante, y aunque la parte crítica del diseño es la torre, la ingeniería estructural actual permite construir estructuras de varios cientos de metros.

NeoNeo--AeroDynamicAeroDynamic

Inventado por Phi Tran en California, EE.UU.. Neutraliza la turbulencia por sus sistema de palas móviles. 10 kW. Para utilizarse en ambientes urbanos. Patente en trámite

MultiMulti--AxisAxis TurbosystemTurbosystem

Esta máquina genera en múltiples potencias, hablando de costos de 2.5 centavos de US$ por kWh a 7 m/s. Puede trabajar inclusive a velocidades del orden de los 55 m/s y soportar sismos importantes.

Ideado por la empresa Mass Megawatts Wind Power, Inc. de EE.UU. Ya patentada. Los costos de operación se hayan en promedio por un 40% debajo de los aerogeneradores tradicionales, y compite directamente con centrales convencionales a base de hidrocarburos.

Potencias disponibles de 1.3, 4.4, 10 kW (800 kg) con máquinas síncronas; y 6, 19.3 y 36 kW en máquinas asíncronas (2500 kg). Obsérvese la curva de potencia de esta máquina francesa, distinta a las habituales. Puede trabajar a velocidades del orden de 40 m/s y mantenerse en piéen vientos de hasta 55 m/s. Produce en promedio un 30% más que una máquina de eje horizontal de su categoría.

StatoStato EolienEolien

SeaHawk 50 W y 1 kW. con baterías, fusibles, disipadores de carga

Empresa PacWind de EE.UU., incluye también la máquina de 7.5 kW Aeolian, para vientos moderados y aplicaciones urbanas y remotas para carga de baterías. Puede adicionarse de energía solar FV.

PacWindPacWind (1(1--2)2)

PacWindPacWind (2(2--2)2)

2 kW

Bajos niveles de ruido y vibraciones. Entornos urbanos y abiertos. 6 kW. Inglaterra

QuietQuiet RevolutionRevolution

EE. UU. Incrementa la velocidad del viento por sus aspas alabeadas, lo que permite a la máquina funcionar con la más suave brisa. Utiliza un efecto Venturi que elimina contra-presiones del lado del rotor que gira contra el viento, incrementando la eficiencia general.

V.A.W.TV.A.W.T. Industries. Industries

Modelo de la empresa de Nueva Zelanda. 5 kW, trabajando hasta los 27 m/s.

SolwindSolwind LtdLtd

Primera máquina de eje vertical diseñada para trabajar mar adentro o en tierra. Inclusive montable en chimeneas existentes, pudiendo tener hasta 10 MW instalados por máquina.

Costos de infraestructura como cimentaciones, torres de soporte y conexión a red similares a máquinas de eje horizontal.

EurowindEurowind DevelopmentsDevelopments

Transmisión directa especial de imanes permanentes en el generador.

Global Global WindWind TechnologyTechnology

Patente en trámite, en fase de experimentación, inventada por Dan Parker (EE.UU.), con expectativas de ir al mercado en 2008.

SpiralAirSpiralAir FoilFoil

Empresa de EE.UU. (California), años 70s, con máquinas de 15 m de alto y 500 kW con 6 multi-aspas.

Modelos también de 1500 y 3000 kW

WindWind HarvestHarvest

Desarrollada por el Dr. Prof. K. Seki, Universidad de Tokai , Japón, proyecto gubernamental desde hace unos 15 años.

Con un diseño especial de aspas del Dr. Seki, logrando mayor eficiencia.

EnecomEnecom

WindstorWindstor

Italia. Umbral de funcionamiento entre 2-3 m/s. No requiere de mantenimiento en el rotor. Hablan de generar en vientos mayores a 60 m/s.

RopatecRopatec

“Paredes de viento” para colocarse en sitios inusuales como plataformas petroleras.

GC GC PowerPower

Posee una serie de aspas “temporizadas”, las cuales se programan para ir adquiriendo paulatinamente el impulso del viento. Con sistema de frenos aerodinámicos, por lo que no requiere de mecánicos.

WindcrankWindcrank

Modelo mejorado del Savonius, el cual usa un escudo para cubrir las aspas vientos arriba y dirigir los vientos útiles al rotor.

EttridgeEttridge

Compuesto de dos aspas alabeadas de fibra de vidrio en color verde brillante, para bajas velocidades. Longitud de aspas de 1.0 m. Probado en la Portland State University (EE.UU.) para ubicarse en entornos urbanos.

HelyxHelyx WindWind GeneratorGenerator

4 aspas con 6.0 m de diámetro de rotor y torre de 18.0 m. 5 kW en corriente directa.

Rango de trabajo entre 1 y 3 m/s

EE.UU. Ideado por Frank Raymond

CrossCross--FlowFlow--BlowerBlower

Premio del Instituto Británico de Estandarización 2007 a Ben Storan por este modelo. 1 kW a 12 m/s de velocidad nominal, aunque se observó produce 40% de lo especificado.

Rotor vertical ultra-ligero, de muy fácil instalación en entornos urbanos.

StoranStoran

Mariah Power Inc. (EE.UU.) prueba este modelo, con 9 m de altura y 1 kW instalado.

WindspireWindspire

Modelo proveniente de la ex-Unión Soviética, del Centro de Cohetes de Makeyeven Miass, hoy Rusia. Con apoyo de los Laboratorios Nacionales Lawrence Berkeleyde EE. UU.

Modelos de 1 y 3 kW

WindWind SailSail

Con un alternador de flujo axial magnéticamente levitado, inventado en Canadá por Thomas Priest-Brown y Jim Rowan, cuyo diseño resuelve diversos problemas en la generación de las máquinas de eje vertical. Con sede en Texas (EE.UU.). 1.1 kW

MagMag--WindWind

De la empresa china IR WindPower, presenta este modelo con potencia instalada ya sea de 1, 3, 5 o 10 kW. Presenta un modelo a gran escala para generar 10 MW en un solo dispositivo. Sí posee un sistema de orientación tipo veleta y un concentrador a base de deflectores de viento.

TurboTurbo

Jet Wheel TurboJet Wheel TurboDe la empresa coreana KR WindPower, tiene esta máquina disponible en potencias instaladas de 10, 100, 750 o 2000 kW, con mamparas deflectoras y concentradoras del viento. Con un sistema doble de veletas concentradoras de viento, una de entrada, la cual minimiza el efecto de torque negativo en la generación y acelerando el viento entrante, y la otra lateral, recupera energía colectando corrientes de viento a las aspas del rotor nuevamente, que de otra manera no se aprovecharían. Reportan un aumento sustancial de la eficiencia de la máquina en 60% por el uso de ambas veletas.

Veleta de entradaVeleta lateral

FourFour SeasonsSeasonsEE.UU. Empresa con modelos de 200 W, 10 y 50 kW, 1 MW

ConclusionesConclusionesVentajasVentajas

Funcionamiento del rotor para cualquier dirección de viento, lo cual elimina los dispositivos de orientación, aunque algunos diseños poseen sistemas de orientación, lo que mejora sustancialmente su desempeño.

Transmisión más simple y directa de la energía de rotación al eje de la turbina

En algunos casos, se permite situar el generador directamente sobre el suelo, con lo cual se baja el centro de gravedad y el sistema es más estable estructuralmente

Fáciles de reparar pues todos los elementos de transformación de la energía del viento se encuentran a nivel de suelo.

Muchos modelos reportan su aplicabilidad en entornos urbanos.

Diversas novedades que permiten competir con máquinas de eje horizontal, como las máquinas mar adentro, sistemas multi-aspas ajustables, etc.

Gran oportunidad de innovación y mejoras en este sub-sector mercado de máquinas eoloeléctricas.

ConclusionesConclusionesDesventajasDesventajas

No se alcanzan tan altas potencias como en las máquinas de eje horizontal

El eje no se ubica a mucha altura y las velocidades del viento disminuyen al llegar al suelo por efecto de la rugosidad del mismo

Colocar un aerogenerador a más altura mediante una torre implica incurrir en costos adicionales ligados a la seguridad del soporte del aerogenerador.

La eficiencia promedio de estas máquinas no es tan alta.

La máquina no es de arranque automático (Darrieus)

La máquina puede necesitar cables tensores que la sujeten, aunque esta solución no es practicable en áreas muy cultivadas.

Para sustituir el cojinete principal del rotor se necesita desmontar el rotor, tanto en las máquinas de eje horizontal como en las de eje vertical. En el caso de las últimas, esto implica que toda la máquina deberá ser desmontada

Grado de madurez tecnológica menor a las máquinas de eje horizontal

No se identifican esquemas de estandarización y certificación de alcance internacional.