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.