GENERADOR EOLICO EJE VERTICAL WM.

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1 GENERADOR EOLICO EJE VERTICAL WM. Autor: Ángel Suárez. ANIMACIONES Vista Superior Vista 3D Para mas información: ANTECEDENTES Tras un estudio en profundidad de la situación eólica actual, un grupo de técnicos españoles altamente cualificados estamos desarrollando un nuevo generador eólico de eje vertical que mejora ampliamente la eficiencia de los generadores de eje horizontal, así como de los existentes de eje vertical; abarcando rangos de velocidades del viento hasta ahora no aprovechados. DESCRIPCIÓN DEL MODELO Consiste en un molino provisto de brazos giratorios alrededor de un eje de giro con la particularidad de que a dichos brazos se unen articuladamente unas palas abatibles. Las palas abatibles ofrecen la máxima resistencia al viento cuando se sitúan en la zona de avance de giro y prácticamente nula resistencia al viento cuando están en la zona de retorno del generador.

2 VENTAJAS TECNOLÓGICAS POR QUÉ EJE VERTICAL? El sistema de giro de eje vertical permite aprovechar la fuerza directa del viento. Un sistema de eje horizontal ha de aprovechar la resultante de giro del viento, y su diseño ha de ser un compromiso entre ofrecer la máxima resistencia al viento y presentar una estructura resistente a la fuerza de empuje. En la navegación a vela diríamos que con el nuevo generador de eje vertical estaríamos navegando siempre con viento en popa, a favor del viento, mientras que un generador de eje horizontal ha de navegar ciñendo, orientado en la dirección del viento, pero con sus palas inclinadas un cierto ángulo para que pueda girar. Con nuestro velero de eje vertical siempre seríamos los campeones de la regata. MAYOR COEFICIENTE DE POTENCIA El aprovechamiento directo de la fuerza del viento con la prácticamente nula resistencia de retorno que ejercen las palas da como resultado un coeficiente de potencia muy superior a los generadores eólicos de eje horizontal, así como a los de eje vertical desarrollados hasta el momento. Los generadores eólicos de eje horizontal de última generación tienen un coeficiente de potencia cercano a 0,4; aún muy alejado del límite de Betz de 0,59. Nuestro diseño de generador eólico presenta unos coeficientes de potencia muy cercanos al límite teórico que nos imponen las leyes físicas. De esta manera, la conversión de la energía cinética del viento en energía mecánica en el rotor es máxima. CURVA DE POTENCIA El nuevo diseño que presenta este generador eólico ha dado en pruebas de campo resultados de potencia muy superiores y radicalmente revolucionarios: -La curva de potencia de un típico aerogenerador de eje horizontal se inicia a una velocidad del viento de unos 5 m/s, alcanza su máximo a unos 15 m/s, estabilizándose o descendiendo ligeramente hasta alcanzar los 25 m/s, cuando el aerogenerador es desconectado por no poder soportar velocidades superiores. -La curva de potencia del nuevo generador eólico se inicia a velocidades del viento inferiores y crece exponencialmente con la velocidad de este, guardando una

3 relación directa con la verdadera energía que contiene el viento y aprovechando las velocidades más energéticas; las que están por encima de 25 m/s. IDÓNEO PARA ALTAS VELOCIDADES DEL VIENTO El nuevo diseño del generador eólico de eje vertical complementa los rangos de velocidad del viento que no son abarcados por otro tipo de generadores. A bajas velocidades del viento se puede disponer de un modelo de gran superficie y bajo peso, ideal para zonas de vientos flojos o brisas. Cuando nos encontramos en zonas con vientos dominantes fuertes o que esporádicamente lo sean (temporales, vendavales, etc.), necesitamos una máquina con una estructura sólida y que a su vez sea capaz de funcionar generando energía en el momento en el que más potencial nos ofrece el viento. Recordemos que la energía del viento es una función cúbica de su velocidad. Si un generador tradicional nos da su máxima potencia a una velocidad del viento del orden de 15 m/s, cuando se duplica la velocidad a 30 m/s con este nuevo diseño podremos obtener 2 x 2 x 2 = 8 veces más energía. Los otros generadores están desconectados a esta velocidad. Los altos rangos de potencia a los que puede trabajar el nuevo generador lo convierten en ideal para acoplarle distintos mecanismos de transformación de esta energía mecánica en otro tipo de energía más directamente aprovechable o que se pueda acumular más fácilmente. Así podremos acoplar generadores eléctricos de gran potencia, generadores hidráulicos que transformen la energía mecánica en energía potencial para utilizarla cuando la necesitemos o sistemas oleohidráulicos de alta eficiencia y seguridad. NO NECESITA MECANISMO DE ORIENTACIÓN La particularidad de que las palas sobre las que ejerce su fuerza el viento sean abatibles, permite que se orienten para ejercer la mayor resistencia al viento cuando están en la zona de avance del generador y que se dispongan alineadas a la dirección del viento, sin oponer resistencia a éste, cuando están en la zona de retorno del generador. El movimiento que describen a lo largo de una revolución del generador eólico está controlado por la misma fuerza del viento, sin necesidad de mecanismos de giro u orientación especiales, lo que facilita su diseño, instalación y mantenimiento. NO NECESITA TORRE DE SUSTENTACIÓN Como todos los diseños de generadores de eje vertical presenta la ventaja de poder prescindir de una torre de sustentación, sin el inconveniente de que se le pueda acoplar cuando sea necesario.

4 Con este diseño, los restantes componentes del generador, como multiplicador, generador eléctrico, frenos, sistemas hidráulicos, sistemas electrónicos, etc., pueden situarse a nivel del suelo o soterrados, lo que facilita enormemente su instalación y mantenimiento. DISEÑO SENCILLO La aerodinámica no es un problema especial en este nuevo generador, aunque debe cumplir unos requisitos mínimos para su idóneo funcionamiento. Un diseño simple de pala recta ya cumple los requisitos de máxima resistencia al viento en orientación perpendicular a éste y mínima resistencia cuando se orienta en la dirección del flujo. La naturaleza de los componentes tampoco reviste grandes dificultades: no son necesarios materiales de aleaciones especiales pues las palas no sufren grandes fuerzas de torsión al tener múltiples puntos de apoyo y ser de reducidas dimensiones. El peso de los materiales es un factor a favor del generador eólico pues aumenta el momento angular del sistema facilitando el giro. VENTAJAS ECONÓMICAS MAYOR EFICIENCIA ENERGÉTICA El sistema de captación por eje vertical permite que la fuerza del viento se aplique directamente a producir el movimiento de giro del sistema, sin desperdiciar parte de esta fuerza en desestabilizar el generador. La fuerza directa aumenta considerablemente el par motor sobre el eje del generador aprovechando mayores rangos de potencia. No son necesarias estructuras tan rígidas para compensar la componente no deseada del viento y la aerodinámica de las palas es más sencilla, al no intervenir el fenómeno de la sustentación. A diferencia de otros generadores de eje vertical existentes, este modelo presenta una superficie de resistencia al viento mucho mayor ( la que genera el par motor de giro), mientras que la superficie que opone al viento cuando retorna es prácticamente nula, sin frenar el generador y por lo tanto manteniendo una alta eficiencia energética. MEJOR RELACIÓN SUPERFICIE / POTENCIA El aprovechamiento directo de la fuerza del viento tiene la consecuencia inmediata que a igualdad de superficie de captación, el nuevo generador eólico produce mayor potencia que los generadores de eje horizontal. Se pueden construir generadores pequeños, donde el problema de espacio es importante, que sin embargo nos ofrezcan grandes potencias de generación; y donde el espacio no

5 sea limitante, se pueden construir grandes generadores con potencias hasta ahora no imaginadas. COMPONENTES ESTÁNDAR Las palas no necesitan ser de aleaciones ligeras y a la vez muy resistentes. Este modelo presenta la ventaja de que el peso no es un problema sino que se comporta como masa de inercia. Existen materiales económicos que presentan alta resistencia, la cual se ve reforzada con múltiples puntos de apoyo. Para obtener un generador de gran superficie no son necesarias palas grandes, sino aumentar el número de ellas; esto simplifica su fabricación ante palas de grandes dimensiones. También será más fácil su montaje y mantenimiento. Los movimientos de las palas no son violentos ni sufren grandes golpes por lo que los materiales no sufren grandes fatigas y tienen larga durabilidad. MAYOR RANGO DE FUNCIONAMIENTO En la actualidad existen rangos de velocidad del viento no aprovechados energéticamente. A bajas velocidades del viento, la gran superficie que nos ofrece el nuevo diseño de generador unido a la mayor eficiencia energética y el gran par motor que produce la fuerza directa del viento, nos permite construir modelos que cubran este rango de velocidades. Pero donde de verdad encontramos interesante el generador eólico de eje vertical es a altas velocidades del viento, cuando otros generadores no pueden actuar por los riesgos que ello conlleva. Es a estas velocidades cuando la potencia eólica se nos manifiesta con toda su intensidad y donde de verdad está el gran filón de la energía eólica. El diseño y mecanismo de funcionamiento de este nuevo generador nos permite utilizar estructuras y materiales resistentes a grandes fuerzas del viento como son los huracanes. Manteniendo los generadores en funcionamiento durante estos cada vez más frecuentes fenómenos de la naturaleza, podremos obtener cantidades de energía tales que las crisis energéticas habrán pasado a la historia.

6 SIN MECANISMO DE ORIENTACIÓN La dirección del viento no influye para nada en el funcionamiento del nuevo generador eólico. El problema será únicamente para los ingenieros a la hora de elegir el emplazamiento del generador, pues si está situado en una zona sin abrigo en los alrededores, este modelo aprovecha el viento venga de donde venga sin necesidad de orientarse y sin verse afectado por los cambios de dirección que se produzcan. El mismo flujo del viento es el encargado de colocar las palas de la forma más idónea para su funcionamiento, presentando la mayor superficie de la pala perpendicular a la dirección del viento para producir el giro y orientando la pala en la dirección del flujo durante el retorno del giro para no ofrecer resistencia. SIN TORRE DE SUSTENTACIÓN El no necesitar una torre de sustentación es una ventaja común con el resto de generadores de eje vertical. Al no construir la torre no sólo nos ahorramos el dinero, sino que el montaje de la estructura es más sencillo, no se necesitan grandes grúas; los mecanismos de generación pueden colocarse a nivel de suelo o soterrados, lo que facilitará su mantenimiento; aumenta la seguridad para la maquinaria y las personas. Por otro lado, que la torre no sea necesaria no implica que no la podamos construir si el emplazamiento así lo requiere, para emplazar el generador sobre obstáculos presentes en el terreno. Esta torre podría desplazar el rotor verticalmente y así situarlo a la altura más idónea. FÁCIL MONTAJE Y MANTENIMIENTO Nuestro diseño de generador eólico de eje vertical permite construir grandes generadores de grandes superficies que generen grandes potencias, pero pueden ser construidos a partir de estructuras y componentes de reducidas dimensiones, ensamblando unas con otras. No será necesario habilitar grandes infraestructuras para el montaje de un parque eólico, no serán necesarios grandes medios de transporte, ni serán necesarias grandes grúas para manipular las estructuras. Unos pocos operarios serán capaces de construir grandes generadores eólicos. Durante el mantenimiento será más económico reemplazar pequeñas piezas estándar de materiales comunes que no una gran pala de diseño sofisticado, materiales costosos y transporte complicado. Ya hemos visto muchos generadores actuales fuera de funcionamiento porque resulta más caro repararlos que la rentabilidad que van a generar. A su vez, la fácil reparación de este nuevo generador alargará su vida media útil.

7 APROVECHAMIENTO DEL TERRENO La distribución de los aerogeneradores en un parque eólico depende de la dirección del viento dominante y del apantallamiento o estela que provocan al incidir el viento sobre ellos. Los generadores no pueden colocarse muy juntos unos de otros pues se interfieren en el flujo del viento y a su vez no pueden colocarse muy separados por problemas de espacio. El nuevo diseño permite disponer generadores más cercanos unos a otros debido a la conmutación del sistema de giro. Unos generadores pueden girar en el sentido de las agujas del reloj y otros en sentido inverso alternándose sobre el terreno y de esta forma aprovechar mejor el flujo del viento sobre la superficie disponible. También la posibilidad de situar los generadores a diferentes alturas aprovecharía el espacio en sus tres dimensiones. VENTAJAS EN SEGURIDAD RESISTENCIA A VIBRACIONES Cuando un sistema mecánico está sometido a altas velocidades y al impulso del flujo del viento es susceptible de generar vibraciones no deseadas que provocan ruidos molestos, malfuncionamiento del sistema y en el peor de los casos rotura de los componentes, con el consiguiente riesgo para las personas y construcciones. En los extremos de las palas de los grandes aerogeneradores de eje horizontal se producen grandes velocidades lineales pues tienen que recorrer un gran perímetro en un corto periodo de tiempo. Estas velocidades los hacen propensos a sufrir vibraciones no deseadas en las palas, lo cual acorta el tiempo de funcionamiento de las mismas. En el nuevo diseño de aerogenerador las palas son de reducidas dimensiones y están dispuestas de tal forma que no se ven sometidas a elevadas velocidades lineales; sus movimientos son más suaves y controlados, lo que evita las vibraciones y por lo tanto alarga la vida media de las mismas.

8 RESISTENCIA A LA FATIGA Las palas individuales del nuevo generador eólico son muy cortas, de reducidas dimensiones, de materiales resistentes y la fuerza de impacto del viento es soportada más uniformemente por toda la superficie de la pala. Esto hace que la flexión soportada por las palas sea mucho menor, haciéndolas más resistentes a la fatiga y prolongando el tiempo que pueden estar prestando servicio en el generador. Una pala más resistente a la fatiga será más resistente a las roturas y por lo tanto más segura. FRENADO RÁPIDO Ante una situación de emergencia en el generador eólico es de vital importancia que se puedan parar rápidamente el rotor y todas las partes de generación de energía. Un retardo o fallo en el sistema de frenado puede ser fatal para la integridad de la máquina y poner en peligro la vida de los operarios. En el nuevo diseño de generador de eje vertical el sistema de frenado es sumamente sencillo. Por liberación automática de las palas que impulsan el rotor se deja de actuar sobre el sistema de generación, el par motor será nulo y el sistema se puede parar fácilmente mediante un sencillo freno de no muy grandes dimensiones. TRABAJO A NIVEL DEL SUELO La posibilidad de situar toda la estructura y componentes de generación a nivel del suelo aumenta en gran medida la seguridad de los trabajadores. Un gran porcentaje de accidentes laborales se producen precisamente por trabajos realizados en altura. Los operarios estarán más seguros durante el montaje de cada generador eólico y durante el mantenimiento de los mismos. La facilidad de acceso a los componentes del generador impedirá que estén largos periodos fuera de servicio por no poder atenderlos. PROTECCIÓN DEL PERÍMETRO Como todas las máquinas en funcionamiento, los generadores eólicos conllevan un riesgo por el movimiento y dimensiones de sus componentes.

9 Este diseño que presentamos tiene la posibilidad de poder ser protegido en su perímetro por una malla metálica que no interferiría en su funcionamiento ni en el flujo de viento que pueda llegarle al aerogenerador. Esta protección sería eficaz tanto para personas como para los animales que vivan en los alrededores VENTAJAS MEDIOAMBIENTALES BAJO IMPACTO VISUAL El principal problema medioambiental que suelen tener los generadores eólicos actuales es el alto impacto visual y paisajístico que producen. Nuestro diseño minimiza este impacto al permitir aerogeneradores de menor tamaño para iguales o superiores potencias. La posibilidad de instalarlos a nivel del suelo disminuye el impacto visual. La estructura de este generador permite la colocación de una plataforma en la parte superior, que serviría de sustentación para objetos y composiciones de camuflaje en el entorno. BAJO IMPACTO SONORO Otro problema, aunque de menor magnitud es el ruido producido por los aerogeneradores. Las palas largas unidas a la alta velocidad lineal a la que giran sus extremos suele producir ruidos, que pueden llegar a ser molestos sobre todo si es un tono puro el que es emitido por la pala. Nuestro diseño también minimiza el nivel sonoro al presentar menores velocidades lineales por su menor tamaño y amortiguar el contacto entre los diferentes componentes mediante materiales absorbentes. BAJO IMPACTO EN LA FAUNA En cuanto al impacto sobre la fauna circundante al emplazamiento del aerogenerador se puede demostrar que este diseño es más fácilmente reconocido por las aves y otros animales, adaptándose más rápidamente a él sin que se produzcan colisiones u otros accidentes; que de todas formas pueden ser evitados con la instalación de una red de seguridad alrededor de la máquina.

10 Por otro lado, en la plataforma superior de la estructura del generador se pueden instalar refugios para animales y estructuras que permitan la anidación de aves (por ejemplo, cigüeñas), lo que facilitará su aceptación por la fauna circundante. El diseño de este generador de eje vertical permite la colocación de una plataforma superior sobre la que se puede instalar otro tipo de generación de energía (como pueden ser placas solares), aprovechando la superficie que ocupa el generador. El desarrollo de grandes potencias de generación con pequeños aparatos permitirá la autosuficiencia energética y la expansión de este tipo de energía renovable y limpia.