Introducción: Por qué las ciudades necesitan energía eólica

Los centros urbanos consumen más de dos tercios de la energía global y producen una parte correspondiente de las emisiones de carbono. Como las ciudades se comprometen a objetivos netos y mandatos de energía renovable, se ha intensificado la búsqueda de tecnologías de generación descentralizadas y apropiadas para el sitio. Los paneles solares en las azoteas se han convertido en un lugar común, pero la energía eólica sigue subutilizada en entornos urbanos densos.

A diferencia de las turbinas de eje horizontal de tres colores que dominan las fincas eólicas en entornos rurales y offshore, VAWTs presenta una filosofía de ingeniería fundamentalmente diferente. Su eje de rotor vertical permite que acepten viento desde cualquier dirección sin mecanismos de yaw, y su diseño compacto, a menudo visualmente más bajo, se puede integrar en la arquitectura de construcción en lugar de requerir grandes instalaciones separadas.

¿Qué son las Turbinas Viento del Eje Vertical?

Una Turbina Viento Axis Vertical es un convertidor de energía eólica en el que el eje principal del rotor se orienta verticalmente, perpendicular al suelo. Esta configuración significa que las cuchillas giratorias barren un plano vertical, y el generador, la caja de cambios y otros componentes de transmisión pueden ser ubicados a nivel de tierra o en la base de la estructura, en lugar de una gón en la parte superior de una torre.

VAWTs tiene una historia más larga que muchos se dan cuenta. Las primeras turbinas de viento conocidas, como los molinos de viento persas del siglo IX, fueron máquinas de eje vertical utilizadas para moler granos. En la era moderna, la investigación en VAWTs acelerada durante los años 70 y 1980 como parte de una exploración de energía renovable más amplia.

Variaciones de diseño clave

Los VAWT modernos se clasifican en dos categorías primarias basadas en el principio aerodinámico que utilizan para generar par:

  • Turbinas de color:] Se denominan después del inventor francés Georges Darrieus, estas turbinas utilizan las fuerzas de elevación generadas por las cuchillas en forma de aire. El diseño clásico Darrieus se asemeja a un besater o un aro curvado, pero las variantes incluyen diseños de aro de color rojo claro (también llamado configuración de giro de acús)
  • Turbinas de Savonius: Estos son dispositivos basados en arrastre, normalmente construidos de dos o tres cucharas dispuestos en una forma S. Las turbinas de Savonius producen un par de arranque alto, funcionan bien a velocidades de viento bajas, y son mecánicamente simples y robustas. Su eficiencia es menor que los diseños de Darrieus, pero se destacan en condiciones de viento variable
  • Diseños híbridos y novedosos: Muchos fabricantes contemporáneos combinan elementos de diseños de elevación y arrastrar, o incorporan características tales como hojas helicales, tono variable o enrutamiento para mejorar el rendimiento, reducir el ruido o mejorar la integridad estructural. Algunos diseños utilizan un giro helicoidal para la producción de potencia lisa y reducir la carga cíclica que puede causar fatiga en rotores de color azulado.

Cómo se diferencian los VAWT de las Turbinas de eje horizontal

La diferencia fundamental entre VAWT y las Turbinas de Viento Horizontal Axis (HAWT) más comunes radica en la orientación del eje rotor. Esta diferencia aparentemente simple cascadas en una gama de distinciones operativas y prácticas:

  • Aceptación: Los HAWT deben andar para enfrentar la dirección del viento; VAWT aceptan viento desde cualquier dirección sin ajuste. En entornos urbanos donde la dirección del viento cambia rápidamente debido a los efectos de construcción y canalización, esto elimina las pérdidas energéticas y el desgaste mecánico asociado con frecuentes correcciones de yaw.
  • ] Colocación obligatoria: Los HAWT colocan el generador, la caja de cambios y otros componentes pesados en una góndola en la parte superior de la torre, que requiere acceso a grúa para el mantenimiento. Los VAWT pueden localizar estos componentes a nivel de tierra, simplificando la instalación, inspección y reparación.
  • ]Carga estructural: Los HITS experimentan carga cíclica inducida por la gravedad en cuchillas mientras giran a través del plano vertical, lo que contribuye a la fatiga. Las cuchillas VAWT, girando en un plano horizontal, no experimentan este ciclo de gravedad de la misma manera, aunque se enfrentan a la carga aerodinámica periódica a medida que cada cuchilla pasa por diferentes condiciones de viento.
  • Perfil de ruido: Los VAWT generalmente operan con una velocidad de punta inferior a los HAWTs, lo que significa que las puntas de la hoja se mueven más lentamente a través del aire. Esto reduce el ruido aerodinámico de la turbulencia del borde de seguimiento y la rotura de vórtice. Además, la ausencia de una caja de cambios en muchas fuentes de VAWT de transmisión directa elimina el ruido mecánico.
  • ] Impacto visual: Los VAWT son a menudo más cortos y compactos que los HAWT de capacidad equivalente. Su forma vertical se puede percibir como menos intrusiva, y algunos diseños arquitectónicos los integran en fachadas de construcción o elementos estructurales.

Ventajas de los VAWT en los entornos urbanos

Las características de los VAWT se alinean con varios requisitos específicos de entornos urbanos, lo que los hace particularmente atractivos para la generación distribuida en las ciudades.

Capture de viento omnidireccional

Los patrones de viento urbanos son notablemente caóticos. Los edificios crean turbulencia, canalización y cambios direccionales que pueden ocurrir en cuestión de segundos. Una turbina que necesita para andar el viento se va a retrasar detrás de estos cambios, ya sea desgastar más lentamente que los cambios de viento o de necesidad de descatar rápidamente, consumir energía y aumentar el desgaste mecánico.

Diseño compacto y eficiente en el espacio

La construcción de turbina de altura es muy costosa y el espacio disponible para la generación de energía se limita a tejados, balcones, bordes de construcción y pequeños contratiempos. Algunos VAWT tienen una superficie de barrido más pequeña por unidad de capacidad instalada en comparación con HAWTs, y su orientación vertical significa que ocupan una huella de suelo más pequeña.

Operación más silenciosa

El ruido de la turbina tiene dos componentes: ruido mecánico del tren de transmisión (Gerebox, generador, ventiladores de refrigeración) y ruido aerodinámico de las cuchillas que se mueven a través del aire. VAWTs dirigen ambas fuentes favorablemente. Debido a que el generador y la caja de cambios pueden estar ubicados en el nivel de tierra y potencialmente aislados de la estructura, la transmisión mecánica del ruido en los espacios ocupados minimiza el funcionamiento de punta

Mantenimiento simplificado

La accesibilidad de los componentes de transmisión a nivel de tierra o cerca de él es una ventaja operacional significativa. Para los HAWTs, cada operación de servicio importante requiere una grúa o escalada de la torre, ambos costosos y conllevan riesgos de seguridad. El mantenimiento VAWT puede ser realizado a menudo por un técnico que se encuentra en el techo o en la base de la estructura, utilizando herramientas estándar y sin equipo pesado de elevación.

Mejora de la seguridad para la vida silvestre

Las colisiones de aves y murciélagos con cuchillas de turbina son una preocupación por cualquier proyecto de energía eólica, especialmente en zonas urbanas y periurbanas donde los corredores de vida silvestre puedan interseccionar con zonas desarrolladas. Las aves de tuerca, con su área de barrido grande y velocidades de punta alta, pueden plantear un riesgo de colisión más lento.

Desafíos y consideraciones para el despliegue urbano de VAWT

A pesar de sus ventajas, los VAWT no son una solución universal para la energía eólica urbana. Hay que abordar varios retos técnicos, económicos y prácticos para realizar su potencial.

Turbulencia y patrones de viento en las ciudades

El mismo entorno de viento turbulento que los VAWT manejan con más gracia que los HAWTs también imponen sanciones. La turbulencia reduce la eficiencia de cualquier turbina de viento porque causa cargas fluctuantes y obliga a la turbina a operar más frecuentemente con su relación óptima de velocidad de punta.

Energía y eficiencia

VAWTs normalmente tiene un coeficiente de potencia inferior (la fracción de energía cinética del viento convertido a la energía mecánica) que HAWTs de tamaño equivalente. La máxima eficiencia teórica de cualquier turbina del viento es el límite Betz del 59.3%. Los HAWTs modernos de escala de utilidades logran eficiencias prácticas del 40-50%, mientras que los VAWT generalmente alcanzan el 30-40%, con diseños de Savonius

Limitaciones estructurales e de instalación

El montaje de un VAWT en un edificio introduce cargas estructurales que el edificio debe acomodar. Incluye cargas estáticas (el peso de la turbina y su estructura de soporte), cargas dinámicas (vibraciones y fuerzas transmitidas durante el funcionamiento), y efectos resonantes (si la frecuencia de rotación de la turbina coincide con la frecuencia natural del edificio).

Factores económicos y períodos de devolución

Los costos de la energía eléctrica en los edificios urbanos de VAWT son difíciles. El costo por kilovatio de la capacidad instalada para VAWTs es generalmente más alto que para HAWTs de calificación similar, en parte porque la fabricación de VAWT no se ha beneficiado de las mismas economías de escala. Los costos de mantenimiento pueden ser más bajos, pero los ingresos de generación de electricidad también son menores debido a la menor escala y a factores de capacidad propios del viento urbano.

Cientos regulatorios y permisivos

Las turbinas eólicas urbanas se enfrentan a un complejo paisaje regulatorio. Los códigos de construcción pueden no tener disposiciones específicas para las turbinas eólicas, lo que exige que los desarrolladores de proyectos trabajen a través de procesos de varianza o que se basen en juicios de ingeniería que puedan ser costosos y de consumo de tiempo. Las normas de zozobra pueden restringir la altura de las estructuras, establecer requisitos de retrocesos o limitar el impacto visual de los equipos de energía renovables.

Aplicaciones y estudios de casos en el mundo real

A pesar de los desafíos, los VAWT se han desplegado en entornos urbanos de todo el mundo, proporcionando datos y lecciones valiosas para futuras instalaciones.

Un ejemplo notable es el despliegue de turbinas de Darrieus helicales en el techo del Centro Comercial Mundial de Bahrein, que fue una de las primeras integraciones a gran escala de turbinas eólicas en un edificio comercial. Mientras que ese proyecto utiliza turbinas de eje horizontal, demostró la viabilidad de viento integrado por edificios de construcción. Más recientemente, las instalaciones de VAWT han aparecido en torres residenciales de Europa, en los polos de iluminación callejeras de edificios pilotos de edificios industriales en Japón, Escocia y Escocia

Un caso de uso particularmente interesante es la integración de VAWTs con sistemas fotovoltaicos solares en el mismo techo. Los perfiles de generación complementaria de solar (peak durante el día, verano) y viento (a menudo pico por la noche y en invierno) pueden aplanar la curva de generación agregada, reduciendo la necesidad de almacenamiento de baterías al mismo tiempo que aumenta la proporción de carga in situ que se encuentra en generación renovable.

Otra aplicación emergente es el uso de VAWTs para torres de telecomunicaciones fuera de la red, estaciones de control remotas y sistemas de energía de emergencia. En estas aplicaciones, la fiabilidad de capturar viento desde cualquier dirección, combinada con la capacidad de operar a velocidades de viento bajas, puede ser más importante que la máxima eficiencia. Las turbinas pueden ser implementadas en lugares donde la conexión de red es poco práctica o prohibitivamente costosa, y sus necesidades de mantenimiento hacen que sean adecuadas para instalaciones no tripuladas.

External resource:] La Oficina de Tecnologías de Energía eólica del Departamento de Energía de los Estados Unidos ofrece una visión útil de las tecnologías de viento distribuidas, incluyendo VAWTs, en energy.gov/eere/wind/distributed-wind.

El futuro de la energía eólica urbana con VAWTs

La trayectoria de los VAWT en entornos urbanos se basa en la investigación, la innovación tecnológica y los marcos de políticas en evolución, y varias tendencias apuntan a una mayor viabilidad y adopción.

Innovaciones tecnológicas

Los avances de la ciencia del material, incluido el uso de composites de fibra de carbono y aleaciones ligeras, están reduciendo el peso y el costo de las cuchillas de VAWT al tiempo que mejora su resistencia a la fatiga. Se está explorando la fabricación aditiva (3D) para producir geometrías complejas de cuchillas que optimizan el rendimiento aerodinámico para regímenes de viento específicos.

External resource:] El Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) ha publicado investigaciones sobre modelado y optimización aerodinámica VAWT, disponibles en nrel.gov/wind.

Integración con Smart Grids y Sistemas de Construcción

A medida que los edificios se vuelven más inteligentes y conectados, los VAWT pueden integrarse en sistemas de gestión de energía (BEMS) que optimizan la generación, almacenamiento y consumo en tiempo real. Un VAWT en la azotea combinado con paneles solares, almacenamiento de baterías y una estación de carga EV puede funcionar como microgrid, proporcionando energía durante las interrupciones de la red, reduciendo los costos de demanda y apoyando los servicios de red.

Apoyo a las políticas y planificación urbana

Las políticas municipales y nacionales pueden influir significativamente en la adopción de energía eólica urbana. Los aranceles alimentados, los créditos fiscales y los subsidios para sistemas de energía renovable distribuidos pueden mejorar la economía de las instalaciones de VAWT. Los procesos de zonificación simplificados permiten procesos, códigos de zonificación que abordan explícitamente las turbinas eólicas y actualizaciones de códigos de construcción que incluyen disposiciones de generación eólica pueden reducir los costos suaves del desarrollo de proyectos.

External resource: La Asociación de Energía Verde de la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos proporciona orientación sobre la adquisición de energía renovable, incluyendo viento distribuido, en epa.gov/greenpower].

Conclusión

Las turbinas Viento Axis ofrecen un conjunto único de capacidades que se alinean con las limitaciones y oportunidades de entornos urbanos. Su captura de viento omnidireccional, huella compacta, operación tranquila y mantenimiento accesible hacen de ellos una opción viable para la generación renovable in situ en ciudades donde no se pueden utilizar turbinas de eje horizontal convencional. Sin embargo, la menor eficiencia, mayor costo por kilovatio, retos de integración estructural y barreras regulatorias significan que VAWT

Para los urbanistas, propietarios de edificios y profesionales de la sostenibilidad, VAWT merecen consideración como parte de una cartera diversificada de energía renovable que incluye medidas de eficiencia solar, almacenamiento y energía. A medida que la tecnología sigue madurando y el entorno de políticas se vuelve más favorable, VAWTs probablemente jugará un papel cada vez mayor en los sistemas de energía descentralizados, resistentes y de bajo carbono de las ciudades futuras.

External resource:] La Asociación Mundial de Energía Eólica publica estadísticas de mercado e informes sobre viento pequeño y viento urbano en wwindea.org].