Estudio para el diseño aerodinámico de los aerogeneradores verticales tipo Giromill.

Cuando sepas una cosa sostén que la sabes; cuando no la sepas, admítelo. En eso está basado el verdadero conocimiento.

Confucio

Resumen

En el presente trabajo se realizó un estudio bibliográfico sobre el estado de la tecnología acerca de los aerogeneradores de eje vertical, con el fin de seleccionar un modelo teniendo en cuenta las posibilidades constructivas en empresas cubanas, las condiciones del viento en entornos urbanos y que a la vez sea un modelo diseñado a partir de las palas del primer rotor del aerogenerador CEETA-SOLAR que son tres palas del rotor trasero del helicóptero MI-24. Considerando dichas las características el modelo de aerogenerador seleccionado es del tipo Giromill o tipo H.

La metodología de cálculo que se desarrolla para determinar los diferentes parámetros de diseño está basada en la Teoría de Doble Disco Actuador, la cual permite analizar el rotor tanto la posición a barlovento como la de sotavento, mostrando como resultado el ángulo de ataque en diferentes momentos de funcionamiento del rotor, así como el coeficiente de potencia y el torque de la aeroturbina. Utilizando el software Autodesk Inventor Professional 2012 el autor propone un esquema, en 3D, a partir del cual que se debe diseñar el aerogenerador vertical en trabajos futuros.

Introducción

La utilización de los combustibles fósiles y nucleares como las vías más explotadas por el hombre para la obtención de energía eléctrica, ha causado serios problemas al medio ambiente. Esto se debe, tanto al agotamiento de las reservas de los combustibles fósiles, como a los efectos nocivos, que provocan la combustión de los mismos (Mandujano 2010). Además el uso de la energía nuclear, dados los peligros que representan su manipulación y el almacenamiento de sus desechos.

Esto hace que a finales del siglo XX el hombre pensara en cambiar el mundo rápidamente hacia una economía basada en energías limpias (Navasquillo 2004). Así comienza con la búsqueda de soluciones para producir energía, con el aprovechamiento de fuentes inagotables y disminuyendo al máximo la contaminación ambiental, y así garantizar la sustentabilidad del planeta.

Una de estas fuentes de energía renovable es la que se puede obtener del viento la cual es transformada mediante aerogeneradores de diferentes características, los cuales pueden ser clasificados según la posición de su eje principal en horizontales o verticales. El desarrollo e implantación de estas máquinas eólicas ha constituido desde entonces un punto clave para muchos países desarrollados y en vías de desarrollo (Navasquillo, 2004).

En Cuba se ha usado la energía del viento desde hace años a través de los molinos multipalas, básicamente, en regiones aisladas donde se hace necesario el bombeo de agua (Medina, 2006). Mientras que para la generación de electricidad existen varios parques eólicos con máquinas horizontales superiores a los 200kW las cuales se encuentran instaladas a la red. También se utilizan aerogeneradores de pequeña potencia formando parte de sistemas híbridos en zonas rurales donde se hace compleja la distribución de electricidad.

No obstante no se ha explotado el potencial eólico en regiones urbanas mediante las pequeñas turbinas eólicas (Moreno, 2010), que pueden ser de gran utilidad al instalarse en azoteas de edificios, centros comerciales, en el alumbrado de la ciudad, entre otras, ya que presentan características que la convierten en una opción muy interesante para la producción de energía eléctrica ya aplicada en países desarrollados como Japón, Inglaterra y Estados Unidos.

Según Fariñas (2011), para aprovechar el potencial del viento en las ciudades los aerogeneradores verticales presentan varias ventajas que le permiten ser los más apropiados para aplicaciones en ambientes urbanos como son:

La relativamente baja sensibilidad a la turbulencia, cambios de dirección de la velocidad del viento y el bajo costo de fabricación, hacen que estas máquinas resulten ventajosas para el ambiente urbano. El generador debajo del rotor, en vez de situarse detrás, ofrece ventajas para el montaje en techos y el acceso a los servicios de operación y mantenimiento, se evitan pérdidas en transporte, ya que la energía se producirá en el mismo lugar que se demanda, no requieren grandes espacios para su instalación y no precisan de grandes torres.

Desde el año 1998 el Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), perteneciente a la Universidad Central de Las Villas (UCLV), ha venido realizando varios trabajos de investigación que potencian el desarrollo de la energía eólica, ejemplos de ellos:

Diseño de un aerogenerador horizontal de imanes permanentes por Raidel (2002) y Waldy (2003), se puso en funcionamiento la máquina CEETA-SOLAR donada por CUBASOLAR (2004), Influencia de los coeficientes de sustentación y arrastre utilizados en los sistemas de orientación y protección por momento de cola en pequeñas aeroturbinas de eje horizontal por Fariñas (2008), Recuperación del aerogenerador CEETA-SOLAR por Cabeza (2010), entre otros.

Es apreciable que los trabajos de investigación antes referidos han sido sobre aerogeneradores horizontales, los cuales han presentado problemas con el mecanismo de orientación debido al viento en rachas que inciden sobre emplazamiento de la turbina eólica existente en la Facultad, lo que ha provocado el deterioro de los diferentes rotores que se han instalados.

El autor realiza en este trabajo un estudio bibliográfico de los aerogeneradores verticales, con el fin de diseñar uno como banco de ensayos y pruebas para la aplicación de estas tecnologías en entornos urbanos donde existe turbulencia del viento, ya que sus características antes expresadas demuestran que para zonas urbanas trabajan mejor que el horizontal.

La situación problemática anteriormente expresada demuestra la importancia y la necesidad de investigar en esta temática, y se convierte en un problema científico que se puede describir de la siguiente manera:

-Desarrollar una metodología de cálculo para el diseño aerodinámico de aerogeneradores verticales tipo H, a partir de palas conocidas y de un generador de imanes permanentes que actualmente es desechado al sistema empresarial de materias primas.

Para dar solución al problema científico se parte de la siguiente hipótesis de investigación:

–Es posible desarrollar una metodología de cálculo que permita el diseño aerodinámico de aerogeneradores verticales tipo H, a partir de palas conocidas y generadores de imanes permanentes radiales.

Para darle respuesta al problema planteado se establece el siguiente objetivo general:

-Desarrollar un método de los cálculos que permita diseñar aerogeneradores verticales tipo H.

Para dar cumplimiento al objetivo general se definen los siguientes objetivos específicos:

-Estudiar las diferentes variantes de aerogeneradores verticales ensayados o en diferentes etapas desarrollo o comercialización.

-Desarrollar la metodología de cálculo aerodinámico para el prototipo de aerogenerador vertical seleccionado.

-Proponer el esquema para el modelo de aerogenerador vertical tipo H calculado en la metodología.

Antecedentes, características generales y principales tecnologías de los aerogeneradores verticales

1.1-Introducción

En esta sección se abordarán las principales tecnologías de pequeños aerogeneradores verticales, ya que a diferencia de las turbinas de eje horizontal, las cuales aprovechan el flujo del viento en forma axial, las de eje vertical reciben el flujo del viento tangencial, permitiendo que el rotor gire con viento en cualquier dirección.

Se define los mejores aerogeneradores verticales y sus características y cuáles son los de posible construcción en Cuba para construcción de la máquina vertical más adecuada a diseñar dependiendo de las palas y del generador que se desee instalar, así como de las posibilidades de la empresa metal mecánica del país que se le encargue la fabricación de los aerogeneradores.

1.2- Breve historia de los aerogeneradores

La historia de los aerogeneradores es bastante difusa en sus orígenes por lo que no se puede determinar el lugar donde surgen por primera vez estas máquinas. Lo cierto es que sus antecedentes fueron los llamados molinos que se utilizaban para el bombeo de agua y la molienda de cereales, estos molinos eran de eje vertical y tenían entre 2 y 6 palas.

Según Navasquillo (2004), con el decursar de los años el hombre se dedicó a estudiar cómo adaptar los antiguos molinos de bombeo como aerogeneradores, siendo así reconocido como pionero de estas pequeñas máquinas el construido por Marcellus Jacobs en los años veinte del pasado siglo. Años en que la teoría de la aerodinámica se desarrolla, permitiendo comprender la naturaleza y el comportamiento de las fuerzas que actúan alrededor de las palas de las turbinas. Los mismos científicos que la desarrollaron para usos aeronáuticos Joukowski, Drzewiechy y Sabinin en Rusia; Prandtl y Betz en Alemania; Constantin y Enfield en Francia, etc. Establecen los criterios básicos que debían cumplir las nuevas generaciones de turbinas eólicas.

Mientras que la industria de la energía eólica en tiempos modernos comenzó en 1979 con la producción en serie de turbinas de viento por los fabricantes Kuriant, Vestas, Nordtank, y Bonus, los diseños continuaron en desarrollo y a comienzos de 1980 fueron construidas las primeras turbinas eólicas modernas. Aquellas turbinas eran pequeñas para los estándares actuales, con capacidades de 20 a 30 kW cada una.

En los últimos años se han podido construir aerogeneradores con potencias mayores, desarrollados por las grandes compañías de la industria aeronáutica, aumentando la fiabilidad de las máquinas y reduciendo sus costos, convergiendo hacia una nueva generación de aeroturbinas desde los 500 kW a 6 MW, lo que demuestra el alto grado de madurez alcanzado por esta tecnología. Llegar a los aerogeneradores actuales ha sido un camino largo y escabroso pero desde entonces, la talla de las turbinas ha crecido enormemente y la producción se ha expandido a muchos países ya que es una energía limpia que se puede consumir en cualquier nación (Wikipedia, 2008).

1.2.1- Antecedentes de los aerogeneradores en Cuba

Históricamente en Cuba se ha utilizado la energía del viento para mover aerobombas que permitan el suministro de agua para la ganadería y las viviendas, estas máquinas se han ido deteriorando con el decursar del tiempo. Después de ejecutarse una política de rescate en el año 2002 se han instalado más de 8000, en la mayoría de las provincias del país. Esto fue posible por el apoyo de la ONG Cubasolar, mediante la producción de aerobombas multipalas en la fábrica situada en la ciudad de Bayamo, provincia Granma (Moreno, 2005).

Actualmente varios son los centros de investigaciones del país que trabajan en el desarrollo y utilización del viento mediante aerogeneradores o aerobombas, ejemplo de ello: Centro Integrado de Tecnología Apropiada (CITA) de Camagüey; Centro de Investigaciones de Energía Solar (CIES) de Santiago de Cuba; Centro de Estudios de Energías Renovables (CETER), del Instituto Superior "José Antonio Echeverría" (ISPJAE); Grupo de Energía Solar de La Habana y el Centro de Estudios Energéticos y Tecnologías Ambientales (CEETA), de la Universidad Central de Las Villas (UCLV).

El estudio del viento de estas instituciones con fines energéticos continuó durante el resto de los años y se concibe:

La creación del primer parque eólico demostrativo en la Isla de Turiguanó con dos máquinas ECOTECNIA de 225 kW y una potencia instalada de 0,45 MW el 16 de abril de 1999. En el año 2007 se terminó un parque experimental en la Isla de la Juventud que cuenta con 6 aerogeneradores VERGNET de 275 kW y una potencia total de 1,65 MW, en 2008 se pone en marcha el Gibara1 en Holguín con 6 máquinas GAMESA de 850 kW y una potencia instalada de 5,1 MW y más tarde el Gibara 2 con 6 aerogeneradores GOLDWIND de 750 kW y potencia total de 4,5 MW. Todo esto como parte de un proyecto integral de desarrollo y aplicación de diferentes fuentes de energía renovable (Noda, 2005).

En un estudio efectuado por la Empresa de Ingeniería y Proyectos de la Electricidad (INEL) en los diferentes parques eólicos del país se recomendó, básicamente aumentar el número de estaciones en las zonas propuestas. Teniendo en cuenta las recomendaciones se propuso una nueva red optimizada de prospección eólica que sumará 51 estaciones, desglosadas en: 31 nuevas estaciones, 5 con torres de 100 m, 6 a reponer y 14 a mantener. De ellas en el Occidente-Centro se mantienen 7, se reponen 2 y se suman 8 nuevas y 2 de ellas a 100 m. En el Oriente se mantienen 7, se reponen 4 y se proponen 23 nuevas con 3 de 100 m (Noda, 2011).

Mientras que en las pequeñas máquinas las empresa Ecosol Solar en conjunto con la ONG Cubasolar, son quienes mayores logros han alcanzado. Hasta el momento estas instalaciones son a partir de máquinas eólicas adquiridas en firmas comerciales extranjeras y son mayormente utilizados fuera de la red eléctrica nacional como respaldo de estaciones de radio, instalaciones de telecomunicaciones de difícil acceso, también en estaciones marinas, guarda fronteras o localidades aisladas.

Debido a que los pequeños aerogeneradores han dado una buena respuesta en las aplicaciones antes mencionadas la demanda ha crecido. En este sentido varios departamentos de investigación cubanos desarrollan experiencias que tienen por finalidad llegar a producir una pequeña máquina eólica (Fariñas, 2008).

1.3- Características generales de los aerogeneradores

1.3.1- Características generales

Un aerogenerador es un dispositivo mecánico que convierte la energía del viento en electricidad. En este caso, la energía eólica, en realidad la energía cinética del aire en movimiento, mueve la hélice y, a través de un sistema mecánico de engranajes, hace girar el rotor de un generador, normalmente un alternador trifásico, que convierte la energía mecánica rotacional en energía eléctrica.

Estas máquinas se agrupan en parques eólicos distanciados unos de otros, en función del impacto ambiental y de las turbulencias generadas por el movimiento de las palas. Para aportar energía a la red eléctrica, los aerogeneradores deben de estar sincronizados para que la frecuencia de la corriente generada se mantenga perfectamente sincronizada con la frecuencia de la red.

En la práctica las turbinas eólicas se diseñan para trabajar dentro de ciertas velocidades de viento. La velocidad más baja, llamada velocidad de corte inferior que es generalmente de 4 a 5 m/s, por debajo de esta velocidad no hay suficiente energía como para superar las pérdidas del sistema. La velocidad de corte superior es determinada por la capacidad de una máquina en particular de soportar fuertes vientos.

La velocidad nominal es la velocidad del viento a la cual una máquina particular alcanza su máxima potencia nominal. Por arriba de esta velocidad, se puede contar con mecanismos que mantengan la potencia de salida en un valor constante con el aumento de la velocidad del viento (Coba, 2009).

Los elementos principales de un aerogenerador son:

Eje: Encargado de transmitir el movimiento rotatorio.

Caja de Engranajes o Multiplicadores: Encargados de cambiar la frecuencia de giro del eje para entregarle al generador una frecuencia apropiada para que este funcione.

Generador: Es donde el movimiento mecánico del rotor se transforma en energía eléctrica.

Además de estos componentes básicos se requieren otros componentes para el correcto funcionamiento:

Controlador electrónico: Permite el control de la correcta orientación de las palas del rotor.

Unidad de refrigeración: Encargada de mantener al generador a una temperatura adecuada.

Anemómetro y la Veleta: Cuya función están dedicadas a calcular la velocidad del viento y la dirección de este respectivamente.

En la actualidad existen dos tipos básicos de aerogeneradores, eje horizontal y eje vertical, el principio de operación es esencialmente el mismo ya que presentan características similares, no siendo así su clasificación ya que se cuenta con diversas configuraciones que se pueden clasificar de varias formas.

1.3.2- Clasificación

Dado el desarrollo científico–técnico alcanzado en el aprovechamiento de la energía eólica se cuentan con varios tipos de configuraciones para los aerogeneradores, lo cual da al traste con diferentes clasificaciones, de las cuales las más importantes son:

Por el tipo de posición:

Eje Vertical: Su característica principal es que el eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo. Existen tres tipos de estos aerogeneradores.

-Darrieus: Consisten en dos o tres arcos que giran alrededor de un eje. Emplean la sustentación de las palas y están caracterizados por débil par de arranque y velocidad de rotación elevada que permite la recuperación de una gran potencia.

-Sabonius: Dos o más filas de semicilindros colocados opuestamente que esencialmente utilizan el arrastre diferencial creado por las palas que pueden ser de diversas formas. El par de arrastre es elevado, pero la velocidad máxima es claramente inferior a la de los rotores de eje horizontal.

-Panemonas: Cuatro o más semicírculos unidos al eje central. Su rendimiento es bajo.

Eje Horizontal: Son los más habituales y en ellos se ha centrado la mayor parte de los diseños en los últimos tiempos.

Por la posición del equipo con respecto al viento:

-A barlovento: La máquina mantiene el rotor de frente al viento, la principal ventaja de este tipo de diseño es que evita el abrigo del viento detrás de la torre como inconveniente tiene que tener un sistema de orientación para mantener el rotor de cara al viento.

-A sotavento: Esta máquina tiene el rotor situado de cara a sotavento de la torre. Puede ser construida sin mecanismo de orientación.

Por el número de palas:

-De una pala: Precisan de un contrapeso en el otro extremo para lograr el equilibrio. Su velocidad es muy elevada. Su inconveniente es que introducen en el eje unos esfuerzos muy variables.

-De dos palas: Son diseños que tienen la ventaja de ahorrar el coste de una pala y su peso, pero tienen dificultades para entrar en el mercado ya que necesitan una mayor velocidad de giro para producir la misma energía.

-Tres palas: La mayoría de los diseños modernos tienen tres palas y son las más vendidas en el mercado ya que presentan suavidad durante el funcionamiento, reducen los niveles de ruido respecto a los monos y bipalas y disminuyen las vibraciones en la máquina.

-Multípalas: Se conocen como modelo americano y se usaron primeramente para la extracción de agua.

Por la manera de orientación del equipo a la dirección del viento en todo momento.

-El mecanismo de orientación de un aerogenerador es utilizado para girar el rotor de la turbina en contra del viento. Se dice que la turbina tiene un error de orientación si el rotor no está perpendicular al viento.

Por la manera de producir energía eléctrica.

-Se dividen en dos: De forma directa a la red eléctrica y de forma aislada.

-De forma aislada se utilizan para usos domésticos o agrícolas para bombeo de agua y se acumula a través de baterías.

-De forma directa a la red se utilizan los aerogeneradores de grandes potencias más de (10 o 100) kW agrupados en parques eólicos y representan en grandes redes un 15 o 20 por ciento de penetración de electricidad a la red (Coba, 2009).

Luego de ver estos aspectos generales de las máquinas eólicas a continuación se muestran las características de los aerogeneradores verticales, así como sus diferentes modelos, atendiendo a que el objetivo de este trabajo es el diseño de un prototipo de aerogenerador de este tipo de eje.

1.4- Características de los Aerogeneradores de eje Vertical

1.4.1- Características de los Aerogeneradores Verticales

Considerando las publicaciones de Leal y Cuesta (2008) y Paraschivoiu (2009), los aerogeneradores de eje vertical son presumiblemente, las primeras máquinas que se utilizaron para la captación de energía eólica, son conceptualmente más sencillas que las de eje horizontal. En funcionamiento, las palas, los rodamientos y los ejes, no están sometidos a esfuerzos importantes por cambios de orientación.

Estas máquinas de eje vertical tienen la ventaja de adaptarse a cualquier dirección de viento y por ello se les llama panemonos (todos los vientos). No precisan dispositivos de orientación; trabajan por la diferencia de coeficiente de arrastre entre las dos mitades de la sección expuesta al viento. Esta diferencia de resistencia al viento hace que el rotor sea propenso a girar sobre su eje en una dirección específica.

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

El Darrieus es la excepción a las características antes mencionadas ya que requiere para un correcto funcionamiento, vientos de 4 a 5 metros por segundo como mínimo, manteniendo grandes velocidades de giro y un buen rendimiento (Paraschivoiu, 2009); se construyen con 2 ó 3 hojas que pueden ser en forma de curda de saltar simétricas o helicoidales. La tecnología de estos aerogeneradores ha tenido un avance significativo en los últimos años y autores como Moreno (2010), Fernández (2008), Paraschivoiu (2009) y Medina (2006), entre otros sugieren que son las más adecuadas para el entorno urbano, ya que tienen un mejor desempeño en condiciones de viento turbulento.

1.4.2- Tipos de Aerogeneradores Verticales

Considerando el hecho que el aerogenerador a desarrollar en este trabajo es de tipo vertical, se presenta a continuación una panorámica de los distintos modelos de estas máquinas eólicas.

1.4.2.1-Savonius

El modelo de rotor Savonius es el más simple. 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 giraran en el sentido que menos resistencia ofrezcan.

Figura 1.1 Rotor Savonius

Este sistema tiene el inconveniente 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 exista un flujo de aire.

Debido a la gran resistencia al viento que ofrece este tipo de rotor, presenta una velocidad de giro pequeña y su rendimiento es bajo. El uso para generación de energía eléctrica precisará de multiplicadores lo que provoca pérdidas mecánicas y afecta considerablemente el rendimiento. Es por tanto útil para ser empleado en aplicaciones que requieren potencias pequeñas como es el caso de los extractores de aire en grandes edificios industriales o depósitos, en bombeo de agua y molienda de granos (Leal, 2008).

También existe una variante del rotor Savonius que incluye un mecanismo difusor de álabes fijos, que a su vez se pueden orientar como conjunto mediante una aleta de cola (figura 1.3). Esto permite dirigir el viento hacia un rotor con varias aspas, 10 o más, provocando su giro sin apenas efectos de frenado y mejorando por lo tanto su rendimiento (Leal, 2008).

Figura 1.3 Savonius con difusor

Otra modelo de estos aerogeneradores es la turbina cónica, la cual incorpora 3 velas en espiral evolvente en una configuración que utiliza el impulso de masa del viento para hacer girar las velas alrededor de un mástil central aprovechando la fuerza de arrastre (Dobson, 2011). La fuerza se aplica a las velas por el viento al entrar y salir de la turbina, permitiendo la extracción máxima de energía del viento.

Esta turbina fue construida en una forma cónica en lugar de una forma cilíndrica por varias razones estructurales. La misma cantidad de material puede ser utilizado para crear tanto una sección transversal cilíndrica y una turbina cónica sección transversal. El cono tendrá una mayor sombra del viento, una mayor resistencia estructural de los materiales utilizados, sobre todo porque el mástil central y cables de tensión, se puede ajustar con precisión la alineación dinámica y rigidez.

Este aerogenerador vertical también se puede montar en la parte superior de un árbol, con 3 cables adicionales que sujetan el soporte triangular vertical. Cualquier vaivén del árbol en el viento también debe aumentar la velocidad de giro de la turbina, lo que amplifica el poder impartido en el generador. Esta turbina trabaja a bajas velocidades del viento y la potencia que genera oscila entre los (25 y 30) W, su uso más común es para cargar baterías para utilizarlas en las casas o alumbrado de carreteras. (Dobson, 2011)

Figura 1.4 Turbina cónica

Otro novedoso aerogenerador es el prototipo Windside, concebido por la empresa finlandesa Windside. Son diseños muy complejos capaces de entregar 50 kW. Es un sistema similar al rotor Savonius, en vez de la estructura cilíndrica para aprovechamiento del viento, consiste en un perfil alabeado con torsión que asciende por el eje vertical. Esta tecnología relativamente nueva y prometedora, con rendimientos similares a los aerogeneradores de eje horizontal.

El Windside es un aerogenerador vertical basado en principios de ingeniería de vela, la turbina gira mediante dos paletas en forma de espiral. Estas máquinas no precisan de multiplicadores para elevar la velocidad, utilizan generadores de imanes permanentes, trabajan con vientos variables que pueden oscilar entre (1,5 y 18) m/s y son utilizados para abastecer medianos y pequeños consumos (Cuesta, 2008).

Figura 1.5 tipo Windside

Otro modelo de este diseño son las pequeñas máquinas WS-0,15, las cuales presentan un área de barrido de 0,15 m² con peso de 38 kg, diseñadas para ambientes de alta velocidad de viento. Se utilizan en la medición de diferentes sistemas de control y como un generador de electricidad para los aparatos eléctricos pequeños. Se puede encontrar en las regiones montañosas, mar, glaciares y en los costados de las carreteras, son capaces de resistir las tormentas, la corrosión, el hielo y la arena (Gutiérrez, 2011).

Figura 1.6 Windside tipo WS-0,15

1.4.2.2- Darrieus

Paraschivoiu (2009), afirma que este modelo es el más difundido de los aerogeneradores de eje vertical. Nace en 1931 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. A continuación se presentan varias configuraciones de estas máquinas

El rotor Darrieus modelo Troposkein consta de unas finas palas con forma de ala de avión simétricas, que están unidas al eje sólo por los dos extremos, con una curva especial diseñada que al poseer una forma parecida a una cuerda para saltar en pura tensión hace que los alerones del Darrieus experimenten una fuerte fuerza centrífuga para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje (Gutiérrez, 2011). No necesita de un sistema de orientación, esta característica de captación omnidireccional le permite ser instalado en cualquier terreno sin necesidad de levantar altas torres, lo que trae consigo un ahorro en el costo de la máquina.

Este rotor presenta el problema que no puede arrancar por sí mismo debido al gran torque que necesita, por lo que se emplea un sistema de arranque secundario, aunque una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a la aerodinámica de sus palas (Núñez, 2004).

Una forma de facilitar el arranque de esta máquina es utilizando, rotores Savonius. La otra forma es usar un sistema eléctrico. Usualmente se utiliza un generador de inducción conectado a la red. Una vez que el Troposkein se encuentra en velocidad de operación empieza a entregar potencia.

Figura 1.7 Darrieus tipo Troposkein

Otro modelo es el Quietrevolution, turbina eólica de eje vertical, diseñada específicamente para entornos urbanos, donde el viento suele ser más suave, la turbina funciona con corrientes de viento con una velocidad mayor de 5 metros por segundo. Se mueve independientemente de la dirección del viento y lo hace con la mayor suavidad reduciendo el ruido de la velocidad de punta de pala, permitiendo ser colocada en azoteas y cerca de viviendas. Puede generar hasta 8000 kWh al año y su configuración difiere de las comúnmente instaladas publicadas, característica que permite disminuir el impacto visual de la máquina (Coba, 2009).

Figura 1.8 Turbina. Quietrevolution

Otra variante del Darrieus es la turbina Dermond fabricada para instalarse en los tejados de los edificios, en regiones costeras y en zonas que no estén conectadas a la red eléctrica. En la figura 1.8 se muestra un modelo del prototipo diseñado, el cual está compuesta por 3 cuchillas idénticas con una superficie de sustentación para las cuchillas y los puntales inclinados de perfil NACA 0018, con un diámetro de 17 m y altura de 11,9 m, un área de barrido de 169 m² y potencia de 100 kW. Tiene un cable tensor de 600 mm, los puntales horizontales son fabricados con acero tubular, la torre está fabricada con acero tubular y es de 1,5 metros de diámetro y tiene una longitud de 30 metros. El eje principal, situado en el centro de la turbina abarca el sistema de cojinetes, los frenos mecánicos, el acelerador de velocidad y el generador. La estructura general está diseñada para resistir una velocidad del viento de 200 km/h, los materiales empleados, incluyendo el eje principal, están diseñados para resistir la corrosión del viento marino y el tiempo de vida útil de la turbina es un mínimo de 20 años (Monteverde, 2004).

Figura 1.9 Darrieus tipo Dermond

Según Fernández (2008), un modelo bastante parecido al Quietrevolution es el Darrieus de 3 hojas torcidas helicoidalmente a 120 grados, el cual presenta gran aceptación para ser utilizado en las ciudades, debido a sus diseños que se prestan para ser instalados en postes de alumbrado, jardines, etc. La velocidad de funcionamiento de estas máquinas es entre (4,5 y 25) m/s y el rango de potencia de estos aerogeneradores depende de las dimensiones de diseño y las características del viento en el lugar donde se instale y oscilan entre los 500 W y 100 kW.

Figura 1.10 Darrieus de 3 hojas helicoidales

1.4.2.3- Darrieus tipo H o Giromill

La turbina Darrieus de hojas rectas, llamada también Giromill o tipo-H, fue investigada posteriormente en los años 1970 y 1980 por Peter Musgrove (Leal, 2008). Este tipo de generadores consisten en palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales, que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central.

Un ejemplo de este planteamiento es la turbina Urbangreen, la cual trabaja a velocidades del viento de (3 a 25) m/s. Son máquinas fabricadas para utilizarlas con fines domésticos, en los tejados de los supermercados para suministrar energía a pequeños equipos electrónicos ya que presentan potencias bajas 600 a 750 W.

Figura 1.11 Giromill tipo Urbangreen

Una variante del Giromill es la Cycloturbine con alerones orientados mecánicamente. A diferencia de otros aerogeneradores de eje vertical, este tipo de rotor tiene la ventaja de auto-reducir la resistencia de una de sus secciones gracias a la orientación autónoma de los alerones, los cuales están libres de girar sobre sus ejes.

En la sección contraria, se aprovecha esta misma característica no permitiendo a los alerones tomar una posición que minimice la resistencia y obligándolos a permanecer ortogonales al viento, maximizando la resistencia. Este diseño ha sido retomado por diversos fabricantes en las últimas décadas para el diseño de turbinas urbanas de baja escala (Prátula, 2009).

Figura 1.12 Alerones orientados mecánicamente

Otro modelo de estas turbinas es la Windspire fabricadas en Estados Unidos, las cuales son diseñadas para darle energía a hogares, pequeñas empresas, escuelas, museos, parques y edificios comerciales. Esta máquina genera electricidad cuando el viento sopla en contra de las alas verticales que las hacen girar a velocidades de viento medias de al menos 4,5 m/s, a pesar de que funcionan mejor cuando los vientos promedio superan los 5,4 m/s. Este modelo presenta 3 palas, un diámetro equivalente del rotor de 3,05 m con un área de barrido de 7,43 m², la altura del centro del rotor es de 6,10 m, el rotor gira a velocidades variables entre (0-500) rpm y su potencia eléctrica nominal es de 1kW (Huskey, 2010).

Figura 1.13 Turbina tipo Windspire

Dentro de esta gama también se encuentran los aerogeneradores PacWind se pueden instalar en hogares, barcos, edificios, en zonas alejadas, en fin en cualquier lugar que se necesite la energía. Según publicación de Medina (2006), el modelo PacWind se puede escalar hasta lograr potencia de 1 MW o más.

Figura 1.14 Modelo PacWind

Actualmente PacWind ofrece 10 diseños que se extienden de 500 W a 60 kW (Medina, 2006). Entre ellos con gran éxito se encuentra el modelo SeaHawk, es la primera turbina pequeña de la serie que es capaz de producir 1 kW en su base y 3.4 kW en máxima potencia. El modelo SeaHawk incorpora un generador AC desarrollado a base de magnetos de última generación, únicos en la industria. Esto permite que logre generar más electricidad a bajas velocidades del viento comparado con las otras turbinas de eje vertical

Figura 1.15 Turbina tipo SeaHawk

La turbina eólica GEO4K, ha sido desarrollada y patentada por Geolica Innovations, laboratorio de Kliux Energies, fabricadas para fomentar la instalación de turbinas eólicas residenciales, esta máquina se encuentra en pruebas por lo que el prototipo de la figura 1.16 se instaló en cuatro emplazamientos diferentes para evaluar su rendimiento y poder desarrollar mejoras en el generador y demás componentes (Ecobusinesslinks, 2012).

Figura 1.16 Turbina tipo GEO4K

También podemos distinguir el diseño de la firma Ropatec, la cual es un aerogenerador fácil de construir que posee gran calidad para ser utilizado en pequeñas instalaciones aisladas a la red (Wikipedia, 2008). Estas aeroturbinas son de gran utilidad para apoyar los sistemas de calentamiento de agua para otros gastos de energía, entre otras opciones. En la figura 1.17 se muestra un diseño de Ropatec con potencia nominal de 1kW, diámetro de 1,8 m, altura de 1,15 m y trabajan a velocidades del viento bajas del orden de los 3m/s.

Figura 1.17 Giromill tipo Ropatec

1.5- Aerogenerador vertical de mayor rendimiento

El rendimiento de los aerogeneradores varía considerablemente ya que depende de las condiciones del terreno, la velocidad del viento, así como de los modelos de los aerogeneradores. Ninguna máquina eólica puede convertir toda la energía cinética del viento en energía mecánica rotacional. Este límite se ve disminuido por varios elementos que conllevan distintas pérdidas en el proceso de conversión de la energía eólica en energía eléctrico (Moreno, 2005). (Figura 1.18).

Figura 1.18 Curvas de varios aerogeneradores

Como se puede apreciar en las curvas de la figura 1.18 de coeficiente de potencia (Cp) vs velocidad especifica (TSR), el aerogenerador vertical de mayor coeficiente de potencia es el rotor Darrieus ya que alcanza una velocidad rotacional superior a la que impone el viento la cual se acerca bastante a los aerogeneradores de eje horizontal.

El Darrieus presenta varios modelos pero el de mayor eficiencia es el de dos finas palas con forma de ala de avión simétricas, dichas palas sólo están unidas al eje por los extremos, para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje.

Esta máquina puede ser instalada en cualquier terreno sin necesidad de levantar altas torres, lo que trae consigo un ahorro económico. El inconveniente para la instalación de esta máquina es que es muy cara debido a su geometría la cual es complicada a la hora de fabricar, también hay que instalar un motor eléctrico o agregarle un Savonius para facilitarle el arranque (Moreno, 2005). En la figura 1.19 se puede apreciar dicho aerogeneradores.

Fig. 1.19 Troposkein

1.6- Posibilidades constructivas en empresas cubanas

Para la producción en serie de aerogeneradores de gran escala con fines industriales se necesita de tecnología de punta ya que presentan características constructivas con geometrías complicadas que requieren de materiales costosos (Medina, 2006). No siendo así para las máquinas pequeñas ya que estas se pueden construir de manera artesanal, ejemplo de esto son las construidas por Félix Rodríguez (Felito), las cuales son muy rudimentarias pero sus palas poseen características aerodinámicas que le permiten el funcionamiento a las máquinas que construye, a pesar de que la geometría de su perfil aerodinámico puede diferir notablemente de los que generalmente son seleccionados para palas de generadores eólicos, sobre todo debido al método de construcción utilizado por el que no le deja posibilidades muy amplias.

No obstante O"Farril (2012), afirma que es posible la construcción de pequeños aerogeneradores en dicha empresa que no presenten diseños complicados, ya que Planta es el más importante complejo fabril de construcciones mecánicas en Cuba con experiencia en el mercado Nacional e Internacional. Cuenta con personal de alto nivel y especialización que desarrolla los procesos de ingeniería, fabricación, garantía de la calidad, montaje y servicios de posventa a los equipos que suministra.

El autor apoyándose en los criterios de las publicaciones de Medina (2006), Rodríguez (2008) y O"Farril (2012) considera que la fabricación de estas máquinas eólicas con una potencia superior a los 100 kW en Cuba es complicada y poco probable en las condiciones económicas actuales debido a las condiciones de las empresas que no presentan tecnología actualizada ni adecuada ya que cuentan con máquinas de herramientas muy atrasadas que dificultan la producción de estas turbinas eólicas.