Los aerogeneradores no convencionales son aquellos que se diferencian significativamente de los tipos más habituales en uso.
A partir de 2012 [actualizar], el tipo más común de turbina eólica es la turbina eólica de eje horizontal (HAWT) de tres palas contra el viento , donde el rotor de la turbina está en la parte delantera de la góndola y frente al viento aguas arriba de la torre de la turbina de soporte . Un segundo tipo de unidad importante es la turbina eólica de eje vertical (VAWT), con palas que se extienden hacia arriba y están sostenidas por una estructura giratoria.
Debido al gran crecimiento de la industria de la energía eólica , existen, están en desarrollo o se han propuesto muchos diseños de turbinas eólicas . La variedad de diseños refleja intereses comerciales, tecnológicos e inventivos continuos para aprovechar los recursos eólicos de manera más eficiente y en mayor volumen.
Algunos diseños no convencionales han entrado en uso comercial, mientras que otros sólo han sido demostrados o son sólo conceptos teóricos. Los diseños no convencionales cubren una amplia gama de innovaciones, incluidos diferentes tipos de rotores, funcionalidades básicas, estructuras de soporte y factores de forma.
Casi todas las turbinas eólicas modernas utilizan rotores de tres palas, pero algunas utilizan sólo dos palas. Este fue el tipo utilizado en Kaiser-Wilhelm-Koog , Alemania, donde una gran unidad experimental de dos palas, el GROWIAN o Große Windkraftanlage (gran turbina eólica), funcionó de 1983 a 1987. Otros prototipos y tipos de turbinas eólicas fueron fabricados por NedViento. El parque eólico Eemmeerdijk en Zeewolde, Países Bajos, utiliza únicamente turbinas de dos palas. Las turbinas eólicas de dos palas son fabricadas por Windflow Technology , Mingyang Wind Power , GC China Turbine Corp y Nordic Windpower . [1] Cada una de las turbinas eólicas de la NASA (1975-1996) tenía rotores de dos palas, lo que producía la misma energía a un costo menor que los diseños de rotor de tres palas.
Casi todos los aerogeneradores colocan el rotor delante de la góndola cuando sopla el viento (diseño contra el viento). Algunas turbinas colocan el rotor detrás de la góndola (diseño a favor del viento). Este diseño tiene la ventaja de que se puede hacer que la turbina se alinee pasivamente con el viento, lo que reduce el costo. El principal inconveniente es que la carga sobre las palas cambia a medida que pasan detrás de la torre, lo que aumenta la carga de fatiga y potencialmente excita las resonancias en otras estructuras de la turbina.
En un proyecto de investigación, [2] el rotor con conductos consiste en una turbina dentro de un conducto que se ensancha en la parte posterior. También se les conoce como turbinas eólicas con difusor aumentado (es decir, DAWT). Su principal ventaja es que puede operar en una amplia gama de vientos y generar una mayor potencia por unidad de área del rotor. Otra ventaja es que el generador opera a una alta velocidad de rotación, por lo que no requiere una caja de cambios voluminosa , lo que permite que la parte mecánica sea más pequeña y liviana. Una desventaja es que (aparte de la caja de cambios) es más complicado que el rotor sin conductos y el peso del conducto aumenta el peso de la torre. El Éolienne Bollée es un ejemplo de DAWT.
Se pueden montar dos o más rotores en un solo eje de transmisión, con su co-rotación combinada haciendo girar el mismo generador: el viento fresco llega a cada rotor mediante un espacio suficiente entre los rotores combinado con un ángulo de compensación (alfa) de la dirección del viento. La vorticidad de la estela se recupera cuando la parte superior de una estela golpea la parte inferior del siguiente rotor. La potencia se multiplicó varias veces utilizando rotores múltiples coaxiales en pruebas realizadas por el inventor e investigador Douglas Selsam en 2004. La primera turbina multirotor coaxial disponible comercialmente es la superturbina American Twin de doble rotor patentada de Selsam Innovations en California. con 2 hélices separadas por 12 pies. Es la turbina de 2,1 m (7 pies de diámetro) más potente disponible, debido a este rotor adicional. En 2015, los ingenieros aeroespaciales de la Universidad Estatal de Iowa, Hui Hu y Anupam Sharma, estaban optimizando diseños de sistemas multirrotor, incluido un modelo de doble rotor coaxial de eje horizontal. Además del rotor convencional de tres palas, tiene un rotor secundario de tres palas más pequeño, que cubre la región cercana al eje que normalmente se cosecha de manera ineficiente. Los resultados preliminares indicaron ganancias de entre el 10% y el 20%, menos eficiente de lo que afirman los diseños contrarrotativos existentes. [3]
Cuando un sistema expulsa o acelera masa en una dirección, la masa acelerada provoca una fuerza proporcional pero opuesta sobre ese sistema. La pala giratoria de una turbina eólica de un solo rotor provoca una cantidad significativa de flujo de aire tangencial o rotacional. La energía de este flujo de aire tangencial se desperdicia en un diseño de hélice de un solo rotor. Para aprovechar este esfuerzo desperdiciado, la colocación de un segundo rotor detrás del primero aprovecha el flujo de aire perturbado y puede obtener hasta un 40% más de energía de un área barrida determinada en comparación con un solo rotor. Otras ventajas de la contrarrotación incluyen la ausencia de cajas de cambios y el autocentrado con el viento (no se requieren motores ni mecanismos de guiñada). Existe una solicitud de patente fechada en 1992 basada en el trabajo realizado con Trimblemill. [4]
Cuando las turbinas contrarrotativas están en el mismo lado de la torre, las palas delanteras están ligeramente inclinadas hacia adelante para evitar golpear las traseras. Si las palas de la turbina están en lados opuestos de la torre, es mejor que las palas de la parte trasera sean más pequeñas que las de la parte delantera y estén configuradas para entrar en pérdida a una velocidad del viento más alta. Esto permite que el generador funcione en un rango de velocidad del viento más amplio que un generador de turbina única para una torre determinada. Para reducir las vibraciones simpáticas , las dos turbinas deben girar a velocidades con pocos múltiplos comunes, por ejemplo, una relación de velocidad de 7:3. [ cita necesaria ]
Cuando el área terrestre o marítima para una segunda turbina eólica no tiene un costo elevado, la ganancia del 40% con un segundo rotor debe compararse con una ganancia del 100% a través del gasto de una base separada y una torre con cableado para la segunda turbina. El coeficiente de potencia global de una turbina eólica contrarrotante de eje horizontal puede depender del desplazamiento axial y radial de los rotores [5] y del tamaño de los rotores. [6] A partir de 2005 [actualizar], no se venden comercialmente HAWT grandes contrarrotativos.
Además de las palas de paso variable, las colas enrollables y las palas giratorias son otras mejoras de las turbinas eólicas. Al igual que las aspas de paso variable, también pueden aumentar considerablemente la eficiencia y usarse en construcciones "hágalo usted mismo" [7]
De Nolet es un aerogenerador en Schiedam disfrazado de molino de viento .
En lugar de palas de ala inspiradas en los aviones, el diseño se inspira en la turbina de tornillo de Arquímedes , una tubería con forma de hélice utilizada en la antigua Grecia para bombear agua desde una fuente más profunda. [8] [9]
La capa límite o turbina Tesla utiliza capas límite en lugar de palas.
Una versión moderna es la turbina Fuller. [10] El concepto es similar a una pila de discos en un eje central, separados por un pequeño espacio de aire. La tensión superficial del aire en los pequeños espacios crea fricción, haciendo girar los discos alrededor del eje. Las paletas dirigen el aire para mejorar el rendimiento, por lo que no es estrictamente sin aspas.
Un generador eólico de iones sin paletas es un dispositivo teórico que produce energía eléctrica utilizando el viento para mover la carga eléctrica de un electrodo a otro.
Las turbinas eólicas piezoeléctricas funcionan flexionando cristales piezoeléctricos mientras giran, lo suficiente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. Operan con diámetros en la escala de 10 centímetros. [11]
Las turbinas eólicas se pueden utilizar junto con un colector solar para extraer energía del aire calentado por el sol y que se eleva a través de una gran torre de corriente ascendente vertical.
El dispositivo Vortex Bladeless maximiza la generación de vórtices , utilizando la vorticidad del viento para agitar un poste vertical liviano, que entrega esa energía a un generador en la parte inferior del poste. [12] [13] [14] [15] El diseño ha sido criticado por su eficiencia del 40%, en comparación con el 70% de los diseños convencionales. [16] Sin embargo, los polos individuales se pueden colocar más juntos, compensando las pérdidas. El diseño evita componentes mecánicos, abaratando costes. El sistema tampoco pone en peligro la vida de las aves y funciona de forma silenciosa. [17]
El diseño saphoniano utiliza un plato oscilante para impulsar un pistón, que luego se conecta a un generador. [18] [19]
El generador Windbeam consta de una viga suspendida mediante resortes dentro de un marco exterior. El haz oscila rápidamente cuando se expone al flujo de aire debido a múltiples fenómenos de flujo de fluido. Un alternador lineal convierte el movimiento del haz. La ausencia de cojinetes y engranajes elimina las ineficiencias por fricción y el ruido. El generador puede funcionar en entornos con poca luz no adecuados para paneles solares (por ejemplo, conductos HVAC ). Los costos son bajos debido a los componentes de bajo costo y la construcción simple. [20]
Windbelt es un cinturón flexible y tensado que vibra con el paso del flujo de aire, debido al aleteo aeroelástico. Un imán, montado en un extremo de la correa, oscila dentro y fuera de los devanados, produciendo electricidad. El inventor es Shawn Frayne. [21] [22]
Las turbinas eólicas aerotransportadas pueden funcionar en altitudes bajas o altas; Forman parte de una clase más amplia de sistemas de energía eólica aerotransportados (AWES) abordados por la energía eólica a gran altitud y la energía de cometas con viento cruzado . Las turbinas eólicas podrían funcionar con vientos de alta velocidad utilizando tácticas de energía eólica a gran altitud , aprovechando los vientos de gran altitud.
Cuando el generador está en tierra, entonces la aeronave amarrada no necesita transportar la masa del generador ni tener una correa conductora. Cuando el generador está en el aire, se usaría una correa conductora para transmitir energía al suelo o se usaría en el aire o se transmitiría a receptores mediante microondas o láser.
Por ejemplo, un sistema de cometas atadas [23] podría capturar energía de los vientos a gran altitud. Otro concepto utiliza un globo de helio con velas adjuntas para generar presión e impulsar la rotación alrededor de un eje horizontal. El movimiento circular de las cuerdas transfiere energía cinética al generador terrestre. [24]
La turbina helicoidal Gorlov (GHT) es una modificación del diseño de la turbina Darrieus que utiliza palas/láminas helicoidales . [25] [26]
Un diseño utiliza muchas hojas de nailon para hacer funcionar un generador. Sus imanes permanentes se encuentran en las puntas de las palas, mientras que el estator es un anillo fuera de las palas. [27]
El giromill es una turbina de eje vertical que hace girar una pala en una dirección mientras que otra se mueve en la dirección opuesta. En consecuencia, sólo funciona una cuchilla a la vez. Su eficiencia es baja. [28]
Las turbinas eólicas de ala giratoria o turbinas eólicas de ala giratoria son una nueva categoría de turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) de tipo elevación que utilizan 1 perfil aerodinámico no helicoidal verticalmente para generar una rotación de 360 grados alrededor de un eje vertical que pasa por el centro del superficie sustentadora.
Una turbina omnidireccional que utiliza el principio de Bernoulli para generar energía utilizando el viento desde cualquier dirección. El diseño es esférico con varios conductos a lo largo de la superficie, una diferencia de presión provoca la rotación. El diseño ganó el premio James Dyson 2018. [29] [30]
Airloom está desarrollando una turbina que utiliza palas verticales que se mueven alrededor de una pista ovalada. El sistema tiene 25 metros de altura. El sistema es modular: se pueden agregar hojas y ajustar la longitud de la pista en consecuencia. El proveedor afirmó que el coste normalizado de la electricidad es un tercio del de las turbinas convencionales. El diseño es un equivalente terrestre de una turbina aérea cuya trayectoria es fija. Un sistema puede instalarse y ponerse en funcionamiento en un día. [31]
La tecnología INVELOX de SheerWind fue desarrollada por el Dr. Daryoush Allaei. La invención captura y entrega viento a una turbina. En cierto sentido, INVELOX es un sistema de inyección de viento, muy parecido a un sistema de inyección de combustible para automóviles. Funciona acelerando el viento. Una gran entrada captura el viento y lo canaliza hacia un concentrador que termina en una sección Venturi y finalmente el viento sale por un difusor. Las turbinas se colocan dentro de la sección Venturi del INVELOX. Dentro del Venturi la presión dinámica es alta mientras que la presión estática es baja. La turbina convierte la presión dinámica o la energía cinética en rotación mecánica y, por tanto, en energía eléctrica mediante un generador. [32] [33] El dispositivo ha sido construido y probado, pero ha sido criticado por su falta de eficiencia. [34] A partir de 2017 [actualizar], se están instalando prototipos. [35] [36]
Se pueden instalar turbinas eólicas en los tejados de los edificios. Los ejemplos incluyen Marthalen Landi-Silo en Suiza, Council House 2 en Melbourne , Australia . Ridgeblade en el Reino Unido es una turbina eólica vertical montada de lado en el vértice de un techo inclinado. Otro ejemplo instalado en Francia es el Aeolta AeroCube. Discovery Tower es un edificio de oficinas en Houston , Texas , que incorpora 10 turbinas eólicas.
El Museo de Ciencias de Boston, Massachusetts, comenzó a construir un laboratorio de turbinas eólicas en la azotea en 2009. [37] El laboratorio está probando nueve turbinas eólicas de cinco fabricantes diferentes. Las turbinas eólicas de tejado pueden sufrir turbulencias, especialmente en las ciudades, lo que reduce la producción de energía y acelera el desgaste de las turbinas. [38] El laboratorio busca abordar la falta general de datos de rendimiento de las turbinas eólicas urbanas. [37]
Debido a las limitaciones estructurales de los edificios, el espacio limitado en las áreas urbanas y consideraciones de seguridad, las turbinas de los edificios suelen ser pequeñas (con capacidades de pocos kilovatios ). Una excepción es el World Trade Center de Bahréin, con tres turbinas eólicas de 225 kW montadas entre dos rascacielos gemelos.
Las propuestas exigen generar energía a partir de la energía del tiro creado por el tráfico. [39] [40]
Algunas instalaciones han instalado centros de visitantes sobre bases de turbinas o proporcionando áreas de visualización. [41] Las propias turbinas eólicas son generalmente de diseño convencional, aunque cumplen funciones no convencionales de demostración de tecnología, relaciones públicas y educación.