Comparación de Aerogeneradores de Eje Horizontal y Vertical
Las turbinas eólicas varían en tamaño y diseño, donde la orientación del eje, horizontal o vertical, marca la diferencia del núcleo. Obviamente, en un aerogenerador de eje horizontal, una hélice vertical gira hacia el viento horizontalmente, mientras que en un aerogenerador de eje vertical las palas giran alrededor de un eje vertical hacia el viento verticalmente.
A través de años de explotación, quedó claro que las turbinas eólicas de eje horizontal, o HAWTs, funcionan bien en áreas abiertas, mientras que las VAWT tienen muchas menos restricciones y, por lo tanto, pueden montarse en colinas y tejados en áreas urbanas.
Descripción general de VAWT y HAWT
Para HAWTs la dirección del viento es importante, ya que las palas son más productivas cuando el viento fluye en ángulo recto. Además, por lo general tienen un accionamiento de rotación para ajustar las palas a la dirección del viento.
Por el contrario, un aerogenerador de eje vertical no depende tanto del ángulo del viento y puede funcionar a una velocidad de viento inferior a la de un HAWT promedio. Sin embargo, hay algunos diseños de aerogeneradores de eje horizontal, como un aerogenerador de TBHAWT Manufacturing, que logran escapar de la pérdida de eficiencia diseñada para mantenerse eficaz incluso a una velocidad del viento de 8 m/seg o menos.
Las turbinas eólicas de eje vertical se colocan vertical o perpendicularmente al suelo, convirtiendo el viento de los 360 grados a su alrededor. Como ajuste perfecto para áreas urbanas, las VAWT se pueden usar en lugares con vientos inconsistentes o áreas rurales complejas.
A pesar de estos hechos, las VAWT parecen menos productivas que las HAWT debido a la menor velocidad operativa y la productividad posterior, pero definitivamente son una opción perfecta para un hogar individual con vientos de alta turbulencia.
Las HAWT y las VAWT que producen electricidad de menos de 100 kW se consideran pequeñas y se utilizan principalmente a nivel local para satisfacer las necesidades de los hogares. Sin embargo, hay algunos diseños de HAWT con una producción de más de 50 kW que demostraron ser rentables debido a una buena combinación de rentabilidad y alcance al cliente.
Las turbinas eólicas pequeñas tienden a ser más populares, ya que tienen menos requisitos de tierra e inversión que las grandes. Los WT pequeños son especialmente aptos para áreas remotas y fuera de la red, y se pueden conectar o desconectar a líneas eléctricas nacionales.
Turbina eólica de eje horizontal
Las turbinas eólicas de eje horizontal utilizan energía eólica a través de palas dirigidas sobre un eje horizontal paralelo al suelo. HAWT se enfrenta perpendicularmente al viento, de modo que las palas de los aerogeneradores giran tras una elevación aerodinámica.
Los WT de eje horizontal prevalecen en el mercado de la energía eólica, ya que su diseño de construcción permite obtener más energía a través de la rotación completa de las palas en términos de flujo de viento constante. Además, las turbinas eólicas de eje horizontal son resistentes al retroceso, lo que también es beneficioso en este tipo de generación de energía.
Para alcanzar la máxima eficiencia, las turbinas eólicas de eje horizontal deben colocarse en la dirección del viento. Si la dirección del viento es versátil, la eficiencia de generación de energía puede disminuir significativamente a veces.
Sin embargo, este inconveniente se elimina cuando un parque de turbinas eólicas de eje horizontal se encuentra en un área seleccionada correctamente con un flujo de viento constante y en la misma dirección.
Una turbina de viento pequeña a menudo tiene una veleta para alinearse con la dirección del viento, mientras que las turbinas de viento grandes incluyen un medidor de guiñada para corregir la posición de la turbina de viento para mantenerse alineada con la corriente de viento. Es importante tener un flujo de viento constante y estable cuando un operador está buscando una solución rentable.
Turbina eólica de eje vertical
Las palas de la turbina eólica de eje vertical giran perpendicularmente al suelo y alrededor del eje vertical mediante el uso de efectos de arrastre y elevación para el funcionamiento. A pesar de la falta de popularidad en comparación con la HAWT, las VAWT pueden recibir y procesar el viento desde cualquier dirección para que se adapte perfectamente a las áreas urbanas y suburbanas con vientos turbulentos e inconsistentes.
La caja de cambios de la turbina eólica y algunos de sus equipos se pueden instalar más cerca del suelo. Al hacerlo, un usuario de turbina eólica puede reducir significativamente los gastos de mantenimiento, lo que, junto con una construcción menos ruidosa, crea mejores condiciones de convivencia.
Las turbinas eólicas de eje vertical son bastante sensibles al retroceso debido a que las palas giran a lo largo de la dirección del viento mientras necesitan viajar de regreso a la corriente de viento antes de ser empujadas hacia atrás.
Al final del día, nuevas investigaciones muestran que las turbinas eólicas de eje vertical no son muy diferentes de las de eje horizontal: la eficiencia de las turbinas eólicas depende en gran medida de las condiciones eólicas del área y del volumen de producción de generación de energía requerido.
Rotación
En la rotación, las cuchillas HAWT obtienen efectos de fuerza inercial cambiante y gravedad siempre estable. Debido a estas influencias, las cuchillas HAWT pasan por una carga alterna que es perjudicial para la resistencia a la fatiga de la cuchilla.
Durante la rotación, los efectos recibidos de la turbina eólica de eje vertical son más estables debido a la fuerza de inercia y la estabilización por gravedad. En este sentido, la carga es fija para que la longevidad de la fatiga de la VAWT sea más larga que la de la HAWT.
Velocidad del viento
Se ha convertido en un conocimiento común que las turbinas eólicas de eje horizontal muestran un gran rendimiento debido a una velocidad de arranque suficiente y flujos de viento consistentes. Sin embargo, cabe mencionar que la eficacia de los aerogeneradores depende en gran medida del diseño de la construcción.
Para apoyar esta idea, el Centro de Investigación y Desarrollo de Aerodinámica de China llevó a cabo un experimento con una pequeña turbina eólica de eje horizontal con una velocidad de arranque de alrededor de 5 m/s y una velocidad máxima recibida de 5,9 m/s.
El experimento demostró que esta velocidad de arranque es insuficiente para superar el consumo de energía de la turbina eólica y, por lo tanto, es insatisfactoria. Al mismo tiempo, otros aerogeneradores, con un mayor rango de velocidad del viento, como el WTW-55 de TBHAWT Manufacturing mencionado anteriormente, son un aerogenerador más prometedor en términos de uso comercial.
Las turbinas eólicas de eje vertical comienzan a una velocidad de viento más baja, lo que resulta en un rendimiento menos productivo. Para proporcionar un rendimiento razonable, se deben seleccionar turbinas eólicas de eje vertical de estructura en H; en este caso, un operador debe asegurarse de que el perfil aerodinámico y el ángulo de instalación óptimo se cumplan con precisión. De este modo, un aerogenerador con estructura en H comenzará con los inmejorables 2 m/s.
Eficiencia
Los aerogeneradores de eje horizontal prevalecen en el mercado de la energía eólica debido a su eficiencia mucho mayor en comparación con VAWT. A su vez, los HAWTs se dividen en turbinas eólicas grandes y pequeñas donde los grandes WT necesitan áreas abiertas espaciosas, idealmente con acceso a la playa para recibir más viento.
Las turbinas eólicas pequeñas tienen menos limitaciones y se pueden utilizar para hogares pequeños, así como para adquirir una comunidad o una ciudad. Sin duda, todo depende en gran medida del tamaño del parque eólico: cuanto más grande es, más hogares puede servir.
Cuando se trata de uso comercial, las turbinas eólicas de eje horizontal dejan a VAWT muy atrás en términos de aumento de escala y productividad. Al ser más grandes en tamaño, el mantenimiento de HAWT cuesta más, pero al mismo tiempo, producen diez veces más electricidad que un aerogenerador de eje vertical promedio.
Se debe recordar que las turbinas eólicas de eje vertical son notablemente ineficientes en los flujos de viento de alta velocidad debido a sus pares de arranque en última instancia bajos y problemas de estabilidad dinámica.
Los tipos de aerogeneradores de eje horizontal y vertical tienen ventajas e inconvenientes. Para obtener la mayor parte de ella, un desarrollador primero debe decidir si desea que una turbina eólica se compre por sí misma o monetizar la energía eólica, convirtiendo las turbinas eólicas en un ingreso estable a largo plazo.
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