¿Por qué las turbinas eólicas de eje vertical no son más populares?

Resumen: Las turbinas eólicas de eje vertical intercambian un conjunto de compromisos por otro. En este punto, nadie ha podido hacer que el equilibrio funcione a su favor, excepto en roles de nicho. Los VAWTS eficientes generalmente requieren el doble del área barrida y cuatro veces el material para generar la misma electricidad. Y, francamente, están resolviendo problemas inexistentes.

Para definir términos, aquí hay un par de ejemplos de turbinas eólicas de eje vertical (VAWT):

Sus características principales son las palas aerodinámicas que giran alrededor de un eje vertical.

Aquí, para comparar, hay un conjunto de turbinas de viento horizontales (HAWT) triblade altamente refinadas en alta mar:

Sus características principales son tres palas aerodinámicas enfrentadas al viento y girando alrededor de un eje horizontal.

La gente a menudo aplica mal el término VAWT a los molinos de viento horizontales como el molino de viento Savonius. La diferencia entre un molino de viento y una turbina eólica está en las palas aerodinámicas. Donde no hay una ventaja aerodinámica que agregue un vector adicional de generación de fuerza, solo se puede capturar la porción más pequeña de la energía del viento. Los ejemplos de molinos de viento horizontales incluyen:

Si se fabrican de manera barata con barriles y desechos viejos, son efectivos para bombear agua de riego, pero no mucho más en comparación con las alternativas.

Los defensores de VAWT exageran las ventajas

Los parques eólicos a escala de servicios públicos se establecen donde los vientos son relativamente estables, por lo que atrapar el viento desde cualquier dirección no es una ventaja particular.
Los defensores e inventores afirman que los VAWT atrapan el viento desde cualquier ángulo, haciéndolos más efectivos que los HAWT. Capturar vientos y remolinos cambiantes desde cualquier dirección es solo una ventaja en situaciones de pequeña escala, como en entornos urbanos o en la azotea. Las turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT) se instalan en áreas con vientos constantes y las palas están muy por encima de la turbulencia del suelo que causa remolinos variables. La ventaja de VAWT es solo en entornos de nicho. [2]
Las palas VAWT rara vez se encuentran en un ángulo óptimo con respecto al viento o con aire limpio, por lo que nunca pueden ser tan eficientes en un HAWT triblade y no generarán más electricidad.
Los defensores e inventores afirman que los VAWT generan más electricidad que los HAWT. El punto 1 anterior disipa esto, pero ¿qué más entra en juego? La generación de energía es un factor del área de superficie de las palas expuestas al viento más la aerodinámica de las palas (más otros factores de rendimientos decrecientes). Los HAWTS de 4.5 MW tienen vanos masivos con gran cantidad de viento que atrapa la superficie de la pala, palas muy aerodinámicas (con paso variable y área de superficie a lo largo de su longitud para tener en cuenta las velocidades variables) y el estándar de tres palas permite que el aire relativamente limpio gire a medida que el viento lleva los remolinos de la pala a favor del viento antes de que la próxima cuchilla pase. Los VAWT, por otro lado, tienen dificultades extremas para lograr el mismo equilibrio de superficie, aerodinámica y aire ‘limpio’ para un mejor flujo laminar. La mayoría de las veces las aspas no presentan un área de superficie óptima para el viento que se aproxima, sino áreas de superficie muy subóptimas. Solo la cuchilla en el frente está en aire limpio; A medida que las aspas giran, pasan a un aire muy turbulento con una eficiencia aerodinámica mucho menor. Las probabilidades de que un VAWT de área equivalente genere tanta electricidad como un HAWT triblade son prácticamente nulas y, por lo general, utilizarán más material para generar menos electricidad, lo que generará un costo de electricidad aún menor en el ciclo de vida. [2], [5]
Los HAWT rara vez colapsan debido a la tensión lateral, y los VAWT suelen tener tensiones delanteras y traseras muy asimétricas en sus rodamientos.
Los defensores e inventores afirman que los VAWT producen menos estrés en el tallo. Esto es ingeniería y economía. Los HAWT colapsan extremadamente raramente; la ingeniería es muy sólida y los análisis de costos de ciclo de vida completo muestran que en realidad son la forma de recuperación eléctrica más rápida del mundo. En la actualidad, los VAWT no generan suficiente electricidad como para que la contabilidad del ciclo de vida completo muestre que son ventajosos en términos de costos o materiales sobre los HAWT. ¿Qué problema están resolviendo? [15]
Los HAWT se han vuelto más silenciosos a medida que crecen, y los parques eólicos modernos generan 10 veces la electricidad con menos ruido total que los parques eólicos más antiguos.
Los defensores e inventores afirman que los VAWT son más silenciosos. Esto no está probado en realidad. El primer prototipo VAWT de 2 MW a mayor escala está subiendo. Las características de ruido aún no están definidas. Y, por supuesto, los refinamientos de HAWT continúan manteniendo las emisiones de ruido al mismo nivel o menos a pesar de los aumentos masivos de tamaño; una turbina eólica de 4.5 MW es solo uno o dos dB más ruidosa que una turbina eólica de 1.5 MW, que es mucho más silenciosa que las turbinas eólicas antiguas de 600 kW. Y las turbinas eólicas de 4,5 MW están mucho más separadas que las turbinas eólicas más pequeñas, por lo que el ruido ambiental total es en realidad mucho menor para una producción de potencia significativamente mayor. La energía eólica es realmente notable porque es más silenciosa cuanto mayor es el factor de generación. Esto no es cierto para ningún otro de generación eléctrica. No se ha demostrado que los VAWT sean más silenciosos y están compitiendo con tecnología que ya es muy silenciosa. [3]
Para generar la misma electricidad, los VAWT tendrían que ser tan altos como los HAWT, por lo que el impacto visual será prácticamente idéntico.
Los defensores e inventores afirman que los VAWT tienen un menor impacto visual. Esto solo es cierto para los generadores eólicos más pequeños, más cerca del suelo, lo que también sería cierto para los HAWT más pequeños. Esto se está compensando, lo que lo hace menos visible por hacerlo menos productivo, lo que no es particularmente útil. Para hacerlos económicos para la generación a escala de red, tendrían que ser tan grandes que aún serían muy, muy visibles. Los VAWT solo reducen el impacto visual en algunos casos, ya que algunos diseños son objetos escultóricos que se mueven, pero este también es un punto muy subjetivo.
El parpadeo de las sombras es solo un problema al amanecer o al anochecer durante unos minutos, unas pocas semanas al año para cualquier hogar cerca de un parque eólico.
Los defensores e inventores afirman que los VAWT no generan parpadeo de sombras que es problemático, ya que es un factor del diseño de triblade. El parpadeo de las sombras es un problema enormemente exagerado. Solo ocurrirá durante unos minutos al amanecer o al atardecer durante una semana o dos dos veces al año. La rotación de HAWT es demasiado lenta para causar ataques epilépticos (y existen estudios de diseño y estándares para garantizar que esto sea cierto). Y los parques eólicos suelen tratar de evaluar su impacto en las viviendas locales y ajustarlas cuando sea posible, y las tres herramientas principales de ubicación de parques eólicos – WindPro, WindFarm y Windfarmer – incluyen el modelado de parpadeo de sombras. Los defensores de la lucha contra el viento lo estimulan, pero es casi necesario buscar cosas que odiar de las turbinas eólicas para pensar que es un problema. Los VAWT en escala suficiente para generar niveles de electricidad de servicios públicos seguirán siendo odiados por los NIMBY. [4], [8]
Si toda la generación de combustibles fósiles fuera reemplazada por parques eólicos HAWT, 14 millones menos de aves morirían anualmente
Los defensores e inventores afirman que los VAWT matarán menos pájaros que los HAWT. Dado que las tasas de mortalidad de aves HAWT suelen estar muy exageradas y son mucho menores que la generación de combustibles fósiles, ventanas iluminadas, gatos, líneas de transmisión, automóviles y muchas otras fuentes de mortalidad aviar, este es un argumento falso. A medida que los VAWT aumentaron la capacidad de generación de servicios públicos no se han construido o comparado para la mortalidad aviar, es un argumento sin fundamento sin mérito, similar al problema del ruido. [7]

Las turbinas eólicas de eje horizontal tienen desventajas adicionales

Los VAWT generalmente no están lo suficientemente altos del suelo
La principal innovación que ha maximizado los factores de capacidad de la turbina eólica y la capacidad de generación es que se han vuelto más altos. La física del flujo laminar ralentiza el viento a medida que te acercas al suelo (lo que he experimentado visceralmente durante el parapente). Los diseños VAWT tienen las palas mucho más cerca del suelo que las HAWT, por lo que están perdiendo cantidades significativas de velocidad del viento. Para superar esto, tienen que estar mucho más arriba y perder la mayoría de sus supuestas ventajas. [2]
Los HAWT funcionan muy bien
Ha habido aerogeneradores de ejes verticales y horizontales durante décadas. Hay alrededor de 200,000 turbinas eólicas de eje horizontal que generan electricidad en el mundo hoy en día y ahora están operando con factores de capacidad del 35% al 47% porque son una tecnología probada, probada y constantemente refinada. [1], [6], [10]
Los HAWT tienen economías de escala
El corolario de que los HAWT son la tecnología ganadora por todas las razones enumeradas es que existen cadenas de suministro muy bien optimizadas e integradas que permiten la especialización para diferentes condiciones de viento y buenos precios. Si los VAWT realmente resolvieran un problema significativo, habría incentivos para crear subsidios para cambiar el mercado, pero en realidad no resuelven problemas suficientes para que valga la pena subsidiarlos. [1]

Hay un modelo de VAWT que tiene una ventaja específica alegada, ya que se detiene automáticamente a 27 metros por segundo, lo que permite su uso para la generación de pequeños vientos en áreas con vientos frecuentes muy fuertes. Por supuesto, los HAWT a escala de servicios públicos tienen sistemas de control que frenan y pliegan automáticamente las aspas en estas circunstancias sin ningún problema, pero los HAWT de viento pequeño generalmente no tienen estos sistemas de control. Un nicho, pero vale la pena considerar. [9]

Referencias
[5] ¿Cuáles son los parámetros involucrados en la fabricación de una pala de turbina eólica?
[6] ¿Cuánto tiempo tarda una turbina eólica típica en generar más energía de la que se usó para crearla?
[8] http://www.decc.gov.uk/assets/de…
[9] http://re-innovations.co.uk
[10] http://www.gwec.net/global-figur…

Ver también:

¿Son las turbinas eólicas en el aire una fuente plausible de energía limpia y barata?
¿Por qué la energía oceánica se usa tan raramente?
¿Por qué los parques eólicos de los tejados no son populares en ciudades con edificios altos como Nueva York?
Si la principal objeción a los parques eólicos es que estropean las hermosas vistas del campo, ¿por qué no construyen turbinas que solo salen después del anochecer?
http://www.motherearthnews.com/R…
http: //news.nationalgeographic.c…

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Aunque casi todas las turbinas eólicas a escala comercial actualmente en funcionamiento son de eje horizontal, con el advenimiento de las nuevas tecnologías, la turbina eólica de eje vertical puede ser una alternativa atractiva en el futuro. La diferencia principal de una turbina eólica de eje vertical con respecto a una de eje horizontal es que el eje del rotor primario se establece verticalmente mientras que todos los componentes de la generación principal se colocan en la base de la turbina. Actualmente existen tres diseños principales para aerogeneradores de eje vertical: el modelo savonius, el modelo darrieus y el modelo giromill.

La razón por la cual las turbinas eólicas de eje vertical son testigos de altos niveles de actividad de I + D en el pasado reciente son las ventajas definitivas que ofrecen sobre las turbinas convencionales de eje horizontal. Una de las principales ventajas es que la turbina eólica de eje vertical no requiere ningún mecanismo de detección u orientación del viento para generar electricidad.

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Sin resultados de prueba y estadísticas altamente positivas, es poco probable que los fabricantes de aerogeneradores de eje vertical puedan comenzar la fabricación a gran escala. Sin beneficios significativos de economías de escala, no es factible instalar una turbina eólica de eje vertical a escala de servicio público ya que el costo de generación sería relativamente mayor en comparación con las turbinas de eje horizontal de varios megavatios existentes. La mayor parte del despliegue de aerogeneradores de eje vertical que podemos esperar dentro del horizonte de pronóstico probablemente sea en forma de pequeños proyectos piloto y para aplicaciones descentralizadas.

Ganesh Rajput

He estado mirando VAWT en las últimas semanas.
Para uso comercial, debo estar de acuerdo con Michael Barnard
Pero los estoy mirando con la posible intención de agregar un pequeño generador de viento o dos al techo de un hotel.

Atrapan el viento que viene de cualquier dirección, por lo que no tienen que girar para enfrentar el viento y pueden trabajar en vientos más aleatorios.
Realidad: esto es solo una ventaja en situaciones de pequeña escala, como en entornos urbanos o en la azotea.
Bien, eso es exactamente lo que quiero.

Hay afirmaciones de que son más silenciosos.
Realidad: esto no está probado en realidad.
Pequeña escala (<1KW): las pruebas muestran que la mayoría son considerablemente más silenciosas que las HAWT.
De nuevo esto me queda bien.

El principal problema que he encontrado con los VAWT es muy simple: por la cantidad generada son muy caros en comparación con el HAWT de potencia equivalente a pesar de ser mecánicamente menos complicado.

Para ser honesto, no estoy demasiado preocupado por la eficiencia comercial, sino más bien una forma de reducir los costos recurrentes para el futuro.

Paul Cline

Michael Barnard presenta un caso fuerte. La respuesta básica es que el VAWT generalmente produce menos energía para el capital necesario para desplegar la tecnología que el HAWT en este momento. En áreas de nicho que voltea. Aquí hay algunas investigaciones interesantes que pueden expandir los nichos para VAWT.

La colocación de turbinas eólicas produce un aumento de potencia diez veces mayor, dicen los investigadores de Caltech [ http://media.caltech.edu/press_r… ]
Diseño de parque eólico inspirado en el banco de peces [ http://www.futurity.org/earth-en …]
Cómo los bancos de peces pueden conducir a parques eólicos más eficientes [ http://www.fastcompany.com/17721 …]

Brian Chibueze Okoro

Obtener una alta eficiencia de VAWT a pequeña escala es difícil. Esto se debe a que el rendimiento de VAWT es muy sensible a la relación de elevación / arrastre de la cuchilla y no es bueno en la condición de bajo número de Reynolds de aplicaciones pequeñas.

Otro factor es su curva de potencia máxima (relación potencia / velocidad de punta). Debido a su pico estrecho, mantener el punto óptimo es difícil para un VAWT pequeño en un área urbana donde la fluctuación del viento es significativa. En muchos casos, la salida promedio de un VAWT es menor que la de HAWT con la misma potencia nominal.

VAWT no es tan competitivo en turbinas pequeñas a medianas. Sin embargo, tiene oportunidades en grandes aplicaciones flotantes en alta mar. La posición del centro de gravedad bajo y su mecanismo simple (sin control de guiñada) reducen el tamaño del flotador y el costoso trabajo de mantenimiento en alta mar, respectivamente.

Por otro lado, HAWT tiene algunas dificultades que serán cada vez más difíciles de resolver con su tamaño cada vez mayor. Para un HAWT de 7MW, el peso de una cuchilla es similar al de un vagón de tren. Imagínese, tres autos están girando alrededor de un eje a 100 m de altitud. El soporte de la cuchilla tiene el estilo de voladizo y su control de inclinación está en su raíz, donde el momento de flexión es máximo. El conjunto del rotor y la góndola pesa alrededor de 600 toneladas (rotor 300 toneladas + góndola 300 toneladas) y está en un cojinete de control de guiñada en la parte superior de la torre de 1000 toneladas. Aunque los HAWT de trabajo se ven elegantes, sus componentes sufren una carga mecánica que aumenta rápidamente con el tamaño. Con la creciente demanda de grandes turbinas flotantes, los VAWT flotantes pueden ser económicamente más competitivos que los HAW flotantes.

Algunos enlaces a conceptos flotantes de VAWT:

Rotores innovadores de eje vertical offshore offshore
(Sandia National Laboratories, EE. UU.)

Viento nenuphar

DeepWind

SpinFloat

SeaTwirl

Aerogenerador de eje flotante

Simon Holmes à Court

Leí muchas de las respuestas a muchas preguntas dadas por Mike Barnard, y creo que en la mayoría de los casos estoy de acuerdo con su opinión, y sus hechos suelen ser claros.

Sin embargo, debo estar en desacuerdo con el punto 6 sobre el parpadeo de las sombras. Debo suponer que el Sr. Barnard analizó el efecto del parpadeo de la sombra en un nivel teórico, y no lo experimentó él mismo, o es mucho menos sensible que las personas en promedio.

Vivía en una casa no lejos de un parque eólico de 36MW con 18 turbinas Gamesa G90 de 2MW, ya que mi supervisor en ese momento era el CEO de la compañía responsable de la operación y mantenimiento del parque eólico. En las varias semanas que pasé allí no pude acostumbrarme al parpadeo de la sombra, su molestia era de aproximadamente 7-8 en una escala del 1 al 10. La casa estaba en cualquier lugar entre 500 y 1000 metros de la turbina eólica más cercana. No sé exactamente, pero todas las personas que trabajan o viven cerca estuvieron de acuerdo en que el parpadeo era muy molesto.

Excepto por eso, estoy de acuerdo con los comentarios del señor Barnard.

Miles Dolphin

La respuesta de Mike es extremadamente parcial, pero también lo será la mía. De hecho, los VAWT tienen una economía de escala más alta que los HAWT, ya que los diseñadores de parques eólicos necesitan separar los HAWT mucho más que los VAWT para no experimentar ineficiencias por la obstrucción del flujo del viento. No es tanto la ventaja de un solo VAWT frente a un solo VAWT sino la ventaja de que muchos VAWT trabajen juntos en una ubicación optimizada, como se ve en el artículo publicado de Dabiri. La mayoría de los ingenieros académicos argumentarían que los VAWT tienen ventajas teóricas inherentes en comparación con los HAWT (no solo el ruido y las aves, sino la capacidad de estar más cerca uno del otro, trabajar a velocidades de viento más bajas, barrer más volumen por revolución sin aumentar la altura, etc. ), pero las inversiones a gran escala en VAWT no se han producido en gran parte porque los diseños actuales cuestan demasiado para fabricar, instalar y especialmente reparar. Muchas compañías de VAWT ya se han declarado en bancarrota debido al modelo comercial de vender VAWT de uno o dos para uso personal o comercial que simplemente no valían la pena y solo resultaron en clientes insatisfechos. Sin embargo, una vez que se superen ciertos materiales y otros problemas de diseño y se abra la oportunidad correcta, creo que los VAWT rápidamente dominarán el mercado.

Simon Holmes à Court

La respuesta parece ser que los VAWT no son para áreas abiertas, en cuyo caso las preguntas que se deben hacer son sobre su valor en áreas cerradas y turbulentas: tiempos de recuperación, ubicaciones, etc.

Observo que los edificios ‘verdes’ ahora tienden a tener una gran cantidad de PV y algunos VAWT en el techo: ¿cuál es el valor agregado por los VAWT y hay desventajas, es decir, sombrear el PV?

Simon Holmes à Court

No creo que tengan una huella visual más pequeña, estoy tratando de imaginar el área barrida de un VAWT de 3.4 MW. Su camino describiría un cilindro masivo.

Simon Holmes à Court

HAWT mantiene el 100% de su área barrida en la corriente de viento. El área barrida se correlaciona con el poder.

Sin embargo, un VAWT depende de que la cuchilla realice un golpe de fuerza cuando se enfrenta al viento, luego debe atravesar la parte restante de su ciclo hasta que vuelva a enfrentar el viento.

Miles Dolphin

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