Tipos de aerogeneradores

En la actualidad existe una gran variedad de modelos de aerogeneradores, dependiendo de las características de los mismos estos se pueden clasificar tanto por la potencia proporcionada, como por el número de palas o incluso por la manera de producir energía eléctrica. Así, según la aplicación y situación se pueden distinguir entre varios criterios:

5.2.1 Por la posición del aerogenerador

5.2.1.1 Aerogeneradores de eje vertical

Los aerogeneradores de eje vertical (o “VAWT”, Vertical Axis Wind Turbine) son apenas capaces de mejorar la eficiencia de una turbina mediana de tipo hélice. La única turbina de eje vertical que ha sido comercialmente fabricada a todos los volúmenes es la máquina Darrieus. Esta debe su nombre al ingeniero francés Georges Darrieus, quien patentó el diseño en 1931. Normalmente se construye con dos o tres palas y no es imprescindible la construcción de una torre. Requiere vientos mínimos de 4 a 5 m/s. El diferente diseño de Darrieus tenía dos aspas de aluminio, las cuales estaban ensambladas por un tubo metálico por la parte inferior y superior de las aspas. Esto le daba un aspecto de batidora (de ahí otro de sus nombres). Varios modelos de este tipo fueron construidos en los años 80.

El rotor Savonius, es más simple, y consiste en un cilindro hueco partido por la mitad, en el cual sus 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 girarán en el sentido que menos resistencia ofrezcan. Debido a la gran resistencia al aire que ofrece este tipo de rotor, sólo puede ser utilizado a bajas velocidades. El uso para generación de energía eléctrica precisaría de multiplicadores de giro que reducirían el rendimiento. Es por tanto útil para aplicaciones de tipo mecánico, como el bombeo de agua.

Dentro del tipo Darrieus se encuentra el Giromill, compuesto normalmente de dos o más palas verticales, unidas al mástil central con soportes horizontales. Combina sobre un mismo eje un rotor Savonius para el arranque y un rotor Darrieus para generar la energía, ya que el Darrieus tiene mejor rendimiento que el Savonius pero arranca mal, y el Savonius se puede poner en funcionamiento con una pequeña brisa.

Los aerogeneradores de eje vertical tienen la ventaja de que funcionan con viento de cualquier dirección, y por tanto no necesitan sistemas de orientación adicionales. Otra ventaja que presentan es que, al tener colocado el generador en la base de la torre, las labores de mantenimiento son más fáciles. El inconveniente principal es que son diseños menos eficientes que los de eje horizontal, lo que se traduce en rotores más grandes y pesados para producir la misma energía.

Rotores de eje vertical: Darrieus, Savonius y Giromill

5.2.1.2 Aerogeneradores de eje horizontal

La mayor parte de la tecnología actual se refiere a aerogeneradores de eje horizontal (o “HAWT”, Horizontal Axis Wind Turbines). La razón por la cual todos lo aerogeneradores comerciales a la red se construyen actualmente con un rotor tipo hélice de eje horizontal, es que la potencia generada por estos es mayor que la generador por los de eje vertical. El movimiento de rotación se origina por la incidencia del viento sobre unas palas orientadas con un cierto ángulo respecto del aerogenerador. La fuerza del viento se descompone en dos vectores, uno axial que tiende a empujar al aerogenerador y otro tangencial que es el que hace girar el aerogenerador. Por supuesto, la finalidad del rotor es la de convertir el movimiento lineal del viento en energía rotacional que pueda ser utilizada para que funcione el generador. El mismo principio básico es el que se emplea en las modernas turbinas hidráulicas, en las que la corriente de agua es paralela al eje de rotación de los álabes de la turbina.

Entre sus ventajas esta el buen aprovechamiento de las corrientes de aire, debido a la altura que alcanza por estar situado encima de la torre. También cuenta con una mejor capacidad para adaptarse a diferentes potencias y presentan una eficacia muy alta. La principal desventaja es su dificultad de transporte, debido a las grandes dimensiones de las torres.

5.2.2 Por la posición del aerogenerador con respecto al viento

5.2.2.1 A barlovento

Las máquinas con rotor a barlovento tienen el rotor de cara al viento. La principal ventaja de los diseños corriente arriba es que se evita el abrigo del viento tras la torre. La gran mayoría de los aerogeneradores tienen este diseño. Por otro lado, también hay algo de abrigo enfrente de la torre, es decir, el viento empieza a desviarse de la torre antes de alcanzarla, incluso si la torre es redonda y lisa. Así pues, cada vez que el rotor pasa por la torre, la potencia del aerogenerador cae ligeramente.

El principal inconveniente de los diseños corriente arriba es que se necesita un rotor mas rígido y situado a cierta distancia de la torre. Además, una máquina corriente arriba necesita un mecanismo de orientación para mantener el rotor de cara al viento.

Rotor a barlovento

5.2.2.2 A sotavento

Las máquinas con rotor a sotavento tienen el rotor situado en la cara a sotavento de la torre. La ventaja teórica que tienen es que pueden ser construidos sin un mecanismo de orientación, si el rotor y la góndola tienen un diseño apropiado que hace que la góndola siga al viento pasivamente. Sin embargo, en grandes máquinas ésta es una ventaja algo dudosa, pues se necesitan cables para conducir la corriente fuera del generador. Si la máquina ha estado orientándose de forma pasiva en la misma dirección, durante un largo periodo de tiempo y no dispone de un mecanismo de orientación, los cables pueden llegar a sufrir una torsión excesiva.

Un aspecto más importante es que el rotor puede hacerse más flexible. Esto supone una ventaja tanto en cuestión de peso como de dinámica estructural de la máquina, es decir, las palas se curvarán a altas velocidades del viento, con lo que le quitarán parte de la carga a la torre.

La desventaja básica es la fluctuación de la potencia del viento al pasar el rotor por la sombra de la torre. Esto trae aparejado mayores cargas de fatiga sobre la misma turbina que un sistema a barlovento.

Rotor a sotavento

5.2.3 Según el número de palas

5.2.3.1 Aerogeneradores monopala

Los aerogeneradores monopala pese a ahorrar el coste de más palas, y a que idealmente, se obtendría mayor rendimiento cuanto menor fuera el número de palas. Esta comprobado que tienen muy poco par de arranque, y que presentan los mismos inconvenientes de los aerogeneradores bipala e incluso en mayor medida. Además de una mayor velocidad de giro, y de los problemas de ruido y de intrusión visual, necesitan un contrapeso en el lado del buje opuesto a la pala que equilibre el rotor. Obviamente, esto anula el ahorro de peso comparado con un diseño bipala.

5.2.3.2 Aerogeneradores bipala

Se evita el uso de este tipo de diseños por la poca estabilidad que presentan en grandes aerogeneradores. Un rotor con un número par de palas puede dar problemas de estabilidad en una máquina con una estructura rígida. La razón es que en el preciso instante en que la pala más alta se flexiona hacia atrás, debido a que obtiene la máxima potencia del viento, la pala más baja pasa por la sombra del viento de enfrente de la torre. A pesar de lo anterior, los diseños bipala de aerogeneradores tienen la ventaja de Ahorrar el coste de una pala además de tener menor peso. Sin embargo, suelen tener dificultades para penetrar en el mercado, en parte porque necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía de salida. Esto supone una desventaja, tanto en lo que respecta al ruido como en el aspecto visual.

Las máquinas bi y monopala requieren de un diseño más complejo, el rotor tiene que ser capaz de inclinarse, con el fin de evitar fuertes sacudidas en la turbina cada vez que una de las palas pasa por la torre.

Así pues el rotor está montado en el extremo de un eje perpendicular al eje principal, y que gira junto con el eje principal. Esta disposición puede necesitar de amortiguadores adicionales que eviten que las palas del rotor choquen contra la torre.

5.2.3.3 Aerogeneradores tripala

La mayoría de aerogeneradores modernos tienen diseños tripala, con el rotor a barlovento (rotor de cara al viento) al usar motores eléctricos en sus mecanismos de orientación. A este diseño se le suele llamar el clásico “concepto danés”, y tiende a imponerse como estándar gracias a la buena estabilidad y eficiencia de su estructura. La gran mayoría de las turbinas vendidas en los mercados mundiales poseen este tipo de forma. Además de los aerogeneradores tripala, existen también los de 4 aspas y multipala (mayores de 4 palas), que no son tan comerciales.

5.2.4 Según la forma de producir energía eléctrica

Se divide en dos: en conexión directa a la red de distribución convencional o de forma aislada.

Las aplicaciones aisladas por medio de pequeña o mediana potencia se utilizan para usos domésticos o agrícolas (iluminación, pequeños electrodomésticos, bombeo, irrigación, etc), incluso en instalaciones industriales para desalación, repetidores aislados de telefonía, TV, instalaciones turísticas y deportivas, etc. En caso de estar condicionadas por un horario o una continuidad, se precisa introducir sistemas de baterías de acumulación o combinaciones con otro tipo de generadores eléctricos (grupos diésel, placas solares fotovoltaicas, centrales minihidráulicas, etc).

También se utilizan aerogeneradores de gran potencia en instalaciones aisladas, desalinización de agua marina, producción de hidrógeno, etc.

La conexión directa a la red viene representada por la utilización de aerogeneradores de potencias grandes (más de 10 ó 100 kW). Aunque en determinados casos, y gracias al apoyo de los Estados a las energías renovables, es factible la conexión de modelos más pequeños, siempre teniendo en cuenta los costes de enganche a la red. La mayor rentabilidad se obtiene a través de agrupaciones de máquinas de potencia conectadas entre si y que vierten su energía conjuntamente a la red eléctrica. Dichos sistemas se denominan parques eólicos.

Se considera que el grado de penetración de la energía eólica en grandes redes de distribución eléctrica, puede alcanzar sin problemas del 15 al 20 % del total, sin especiales precauciones en la calidad del suministro, ni en la estabilidad de la red.