¿Qué es más eficiente, las turbinas eólicas de eje vertical o de eje horizontal?

En la actualidad, la eficiencia de las turbinas eólicas convencionales de eje horizontal de tres palas es mucho mayor que la de las turbinas eólicas de eje vertical.

Esta diferencia de eficiencia es fundamental. El indicador clave para medir la eficiencia es el coeficiente de utilización de la energía eólica, que representa cuánta energía puede capturar una turbina eólica del viento. Los modernos aerogeneradores de eje horizontal de gran tamaño pueden alcanzar una eficiencia del 45 % al 50 %, cercana al límite teórico (59,3 %, conocido como límite de Bez). En cambio, la eficiencia de los aerogeneradores de eje vertical es mucho menor, generalmente solo del 15 % al 40 %, según su diseño.

¿Por qué es tan alta la eficiencia de los ventiladores de eje horizontal?

Esto se debe principalmente a su principio de funcionamiento:

Todas las aspas cortan el viento simultáneamente con el ángulo óptimo: las aspas de un ventilador de eje horizontal están diseñadas para asemejarse a las alas de un avión (perfil aerodinámico). Cuando sopla el viento, genera una gran fuerza de sustentación, que es la principal fuerza motriz para la rotación de las aspas. Debido a que las aspas giran siempre en la misma dirección, la mayor parte de la superficie del aspa puede capturar la energía eólica de forma continua y eficiente.

Alta velocidad: Los ventiladores de eje horizontal pueden alcanzar velocidades muy altas, lo que los hace muy eficientes para accionar el generador y producir electricidad.

¿Por qué es menor la eficiencia de los ventiladores de eje vertical?

El modo de funcionamiento de los ventiladores de eje vertical (principalmente del tipo "Dario", que se parece a una batidora de huevos) es diferente:

Las aspas se mueven de un lado a otro con el viento: al girar a diferentes posiciones, su ángulo con respecto a la dirección del viento cambia constantemente. Solo en ciertos ángulos específicos las aspas pueden capturar eficientemente la energía eólica; sin embargo, en otras posiciones (como al girar hacia el lado de barlovento), generan resistencia. Esta característica de «competencia consigo misma» limita fundamentalmente su eficiencia.

Rendimiento de arranque deficiente: Muchos ventiladores de eje vertical no pueden arrancar por sí solos y requieren asistencia externa.

Si bien la diferencia en eficiencia es considerable, los ventiladores de eje vertical no carecen de ventajas. Poseen una serie de características únicas que los hacen insustituibles en ciertos escenarios específicos.

Ventajas y desventajas de los ventiladores de eje horizontal:

Ventajas:

Ventajas principales: eficiencia extremadamente alta y la mejor viabilidad económica para la generación de energía a gran escala.

Desventajas:

Necesidad de alinearse con la dirección del viento: Es necesario equipar un complejo "sistema de guiñada" para ajustar constantemente la cabina y alinearla con la dirección del viento, como si fuera un indicador de dirección del viento.

Estructura compleja y altos costos de mantenimiento: Los pesados ​​generadores y cajas de cambios están instalados en la parte superior de torres de decenas o incluso cientos de metros de altura, lo que hace que el mantenimiento y la reparación sean muy difíciles y costosos.

Ruido intenso: La punta de la cuchilla giratoria de alta velocidad producirá mucho ruido.

Requisitos exigentes para el entorno de instalación: se necesitan condiciones de viento estables y suaves, lo que puede impedir un buen rendimiento en ciudades con vientos turbulentos y agitados.

Ventajas y desventajas de los ventiladores de eje vertical:

Ventajas:

No necesita viento: el viento de cualquier dirección puede hacerlo girar, eliminando la necesidad de un sistema de guiñada.

Estructura simple y fácil mantenimiento: Los equipos principales, como el generador y la caja de cambios, están instalados en la parte inferior del terreno, y el personal de mantenimiento no necesita subir a gran altura, lo que resulta en bajos costos de mantenimiento.

Bajo nivel de ruido: La velocidad suele ser más lenta y el funcionamiento más silencioso.

Adaptación a condiciones de viento complejas: Es muy adecuado para entornos urbanos con direcciones de viento variables y turbulencias, y puede instalarse en azoteas.

Baja velocidad del viento para el arranque: Algunos tipos (como el tipo S) pueden arrancar con una brisa suave.

Desventajas:

Desventaja principal: Baja eficiencia.

Existe un riesgo estructural: algunos diseños experimentan una alta tensión en la raíz de las palas durante la rotación a alta velocidad, lo que puede provocar fácilmente problemas.

Por lo tanto, la conclusión final es:

Si se desea construir un gran parque eólico y maximizar la generación de energía y los beneficios económicos, las turbinas eólicas de eje horizontal de alta eficiencia son la única opción viable. Por eso, casi todos los aerogeneradores que vemos en la naturaleza tienen ejes horizontales.

Pero si necesita un generador "poco exigente y fácil de mantener" para escenarios distribuidos, como el suministro de energía a farolas, edificios, estaciones base remotas, especialmente en ciudades con direcciones de viento inestables, entonces un ventilador de eje vertical "de baja eficiencia pero robusto y duradero" puede ser una opción más adecuada.

En resumen, el eje horizontal representa a los estudiantes más destacados que buscan el máximo rendimiento y la expansión, mientras que el eje vertical representa a los estudiantes con talento que se adaptan a entornos específicos. En términos de eficiencia pura, los estudiantes con un perfil más orientado al eje horizontal obtienen mejores resultados.