Las turbinas eólicas no convencionales son aquellas que difieren significativamente de los tipos más comunes en uso.
A partir de 2012 [actualizar], el tipo más común de turbina eólica es la turbina eólica de eje horizontal de tres palas orientada hacia el viento (HAWT), donde el rotor de la turbina se encuentra en la parte delantera de la góndola y enfrenta el viento aguas arriba de su torre de turbina de soporte . Un segundo tipo de unidad importante es la turbina eólica de eje vertical (VAWT), con palas que se extienden hacia arriba, sostenidas por un marco giratorio.
Debido al gran crecimiento de la industria de la energía eólica , existen muchos diseños de turbinas eólicas , están en desarrollo o se han propuesto. La variedad de diseños refleja los intereses comerciales, tecnológicos e inventivos actuales en la recolección de recursos eólicos de manera más eficiente y en mayor volumen.
Algunos diseños no convencionales han entrado en uso comercial, mientras que otros solo han sido demostrados o son solo 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 con tres palas, pero algunas utilizan solo dos palas. Este fue el tipo utilizado en Kaiser-Wilhelm-Koog , Alemania, donde una gran unidad experimental de dos palas, la GROWIAN , o Große Windkraftanlage (turbina eólica grande), funcionó entre 1983 y 1987. Otros prototipos y tipos de turbinas eólicas fueron fabricados por NedWind. El parque eólico Eemmeerdijk en Zeewolde, Países Bajos, utiliza solo turbinas de dos palas. Las turbinas eólicas con dos palas son fabricadas por Windflow Technology , Mingyang Wind Power , GC China Turbine Corp y Nordic Windpower . [1] Las turbinas eólicas de la NASA (1975-1996) tenían cada una rotores de 2 palas, produciendo la misma energía a un menor costo que los diseños de rotor de tres palas.
Casi todas las turbinas eólicas 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 la turbina se puede alinear 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 puede provocar resonancias en otras estructuras de la turbina.
Un proyecto de investigación, [2] el rotor entubado consiste en una turbina dentro de un conducto que se ensancha en la parte posterior. También se conocen como turbinas eólicas aumentadas por difusor (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 tasa 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 conducto y el peso del conducto aumenta el peso de la torre. El Éolienne Bollée es un ejemplo de DAWT.
Dos o más rotores pueden montarse en un solo eje de transmisión, con su co-rotación combinada haciendo girar juntos el mismo generador: el viento fresco se lleva a cada rotor mediante un espaciamiento suficiente entre rotores combinado con un ángulo de compensación (alfa) con respecto a 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 coaxiales múltiples en pruebas realizadas por el inventor e investigador Douglas Selsam en 2004. La primera turbina coaxial multirotor disponible comercialmente es la American Twin Superturbine de doble rotor patentada de Selsam Innovations en California, con 2 hélices separadas por 12 pies. Es la turbina de 7 pies de diámetro (2,1 m) 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 multirotor, incluido un modelo coaxial de doble rotor de eje horizontal. Además de un 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 eficientes que 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 en 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 utilizar 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 dada en comparación con un solo rotor. Otras ventajas de la contrarrotación incluyen la ausencia de cajas de engranajes y el autocentrado en el viento (no se requieren motores/mecanismos de guiñada). Existe una solicitud de patente con fecha de 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 delante para evitar golpear las traseras. Si las palas de la turbina están en lados opuestos de la torre, es mejor que las palas traseras sean más pequeñas que las delanteras y que se configuren para detenerse 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 una sola turbina 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 requerida ]
Cuando la superficie terrestre o marítima para una segunda turbina eólica no es un lujo, la ganancia del 40% con un segundo rotor debe compararse con una ganancia del 100% a través del gasto de una base y una torre separadas con cableado para la segunda turbina. El coeficiente de potencia general de una turbina eólica de eje horizontal contrarrotante 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 grandes turbinas eólicas de eje horizontal contrarrotantes.
Además de las palas de paso variable, las colas enrollables y las palas en espiral son otras mejoras de las turbinas eólicas. Al igual que las palas de paso variable, también pueden aumentar considerablemente la eficiencia y utilizarse en construcciones "hágalo usted mismo". [7]
De Nolet es un aerogenerador en Schiedam disfrazado de molino de viento .
En lugar de palas de alas inspiradas en los aviones, el diseño se inspira en la turbina de tornillo de Arquímedes , una tubería con patrón 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 al de una pila de discos sobre 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. Los álabes dirigen el aire para mejorar el rendimiento, por lo que no es estrictamente sin aspas.
Un generador de viento iónico sin paletas es un dispositivo teórico que produce energía eléctrica utilizando el viento para mover carga eléctrica de un electrodo a otro.
Las turbinas eólicas piezoeléctricas funcionan flexionando cristales piezoeléctricos a medida que giran, lo suficiente para alimentar pequeños dispositivos electrónicos. Operan con diámetros del orden de 10 centímetros. [11]
Las turbinas eólicas pueden utilizarse junto con un colector solar para extraer energía del aire calentado por el sol y que sube a través de una gran torre vertical de corriente ascendente.
El dispositivo Vortex Bladeless maximiza la liberación de vórtices , utilizando la vorticidad del viento para hacer vibrar 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 postes individuales se pueden colocar más cerca entre sí, compensando las pérdidas. El diseño evita los componentes mecánicos, lo que reduce los costos. El sistema tampoco amenaza la vida de las aves y funciona silenciosamente. [17]
El diseño safoniano utiliza un plato oscilante para impulsar un pistón, que luego se conecta a un generador. [18] [19]
El generador Windbeam consiste en una viga suspendida por resortes dentro de un marco exterior. La viga oscila rápidamente cuando se expone al flujo de aire debido a múltiples fenómenos de flujo de fluidos. Un alternador lineal convierte el movimiento de la viga. La ausencia de cojinetes y engranajes elimina las ineficiencias por fricción y el ruido. El generador puede funcionar en entornos con poca luz no aptos para paneles solares (por ejemplo, conductos de HVAC ). Los costos son bajos debido a los componentes de bajo costo y la construcción simple. [20]
Windbelt es una correa flexible y tensada que vibra con el paso del aire, debido a la vibración aeroelástica. Un imán, montado en un extremo de la correa, oscila dentro y fuera de bobinas en espiral, produciendo electricidad. El inventor es Shawn Frayne. [21] [22]
Las turbinas eólicas aerotransportadas pueden operar en altitudes bajas o altas; son parte de una clase más amplia de sistemas de energía eólica aerotransportada (AWES) abordados por la energía eólica de gran altitud y la energía de cometas con viento cruzado . Las turbinas eólicas podrían volar en vientos de alta velocidad utilizando tácticas de energía eólica de gran altitud, aprovechando los vientos de gran altitud.
Cuando el generador está en tierra, la aeronave atada no necesita transportar la masa del generador ni tener una atadura conductora. Cuando el generador está en el aire, se utilizaría una atadura conductora para transmitir energía al suelo o 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 de gran altitud. Otro concepto utiliza un globo de helio con velas adheridas para generar presión e impulsar la rotación alrededor de un eje horizontal. El movimiento circular de las cuerdas transfiere energía cinética a un generador terrestre. [24]
La turbina helicoidal de Gorlov (GHT) es una modificación del diseño de la turbina Darrieus que utiliza álabes o láminas helicoidales . [25] [26]
Un diseño utiliza muchas palas de nailon para hacer funcionar un generador. Sus imanes permanentes están 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 otra se mueve en la dirección opuesta. En consecuencia, solo funciona una pala a la vez. Su eficiencia es baja. [28]
Las turbinas eólicas de alas giratorias o turbinas eólicas de alas rotativas son una categoría de turbinas eólicas de eje vertical de tipo sustentador que utilizan un perfil aerodinámico vertical, no helicoidal, para generar una rotación de 360 grados alrededor de un eje vertical que atraviesa el centro del perfil aerodinámico.
Una turbina omnidireccional que utiliza el principio de Bernoulli para generar energía utilizando el viento desde cualquier dirección. El diseño es esférico con una serie de 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 aspas verticales que se mueven alrededor de una pista ovalada. El sistema tiene 25 metros de altura y es modular: se pueden añadir aspas y ajustar la longitud de la pista en consecuencia. El vendedor afirmó que el costo nivelado 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 se puede instalar y poner en funcionamiento en un día. [31]
La tecnología INVELOX de SheerWind fue desarrollada por Daryoush Allaei. La invención captura y entrega el 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. Una gran entrada captura el viento y lo canaliza hacia un concentrador que termina en una sección Venturi y finalmente el viento sale de 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 energía cinética en rotación mecánica y, por lo tanto, en energía eléctrica utilizando 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]
Las turbinas eólicas se pueden instalar en los tejados de los edificios. Entre los ejemplos se incluyen Marthalen Landi-Silo en Suiza y Council House 2 en Melbourne , Australia . Ridgeblade en el Reino Unido es una turbina eólica vertical montada de lado en el vértice de un tejado inclinado. Otro ejemplo instalado en Francia es el Aeolta AeroCube. Discovery Tower es un edificio de oficinas en Houston , Texas , que incorpora diez turbinas eólicas.
En 2009, el Museo de Ciencias de Boston (Massachusetts) comenzó a construir un laboratorio de turbinas eólicas en la azotea. [37] El laboratorio está probando nueve turbinas eólicas de cinco fabricantes diferentes. Las turbinas eólicas instaladas en los tejados 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 sobre el rendimiento de las turbinas eólicas urbanas. [37]
Debido a las limitaciones estructurales de los edificios, el espacio limitado en las zonas urbanas y las consideraciones de seguridad, las turbinas de los edificios suelen ser pequeñas (con capacidades de unos pocos kilovatios ). Una excepción es el Bahrain World Trade Centre, con tres turbinas eólicas de 225 kW montadas entre dos rascacielos gemelos.
Las propuestas piden generar energía a partir de la energía generada por el tráfico. [39] [40]
Algunas instalaciones han instalado centros de visitantes en las bases de las turbinas o han proporcionado áreas de observación. [41] Las turbinas eólicas en sí mismas son generalmente de diseño convencional, aunque cumplen funciones no convencionales de demostración de tecnología, relaciones públicas y educación.