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Turbina eólica Savonius
Descripción breve
La turbina eólica Savonius es un aerogenerador de eje vertical (VAWT) basado en la fuerza de arrastre, inventado por el ingeniero finlandés Sigurd Johannes Savonius en 1922. Formada por dos o tres palas en forma de cazoleta semi-cilíndrica montadas sobre un eje vertical, gira bajo el efecto de arrastre aerodinámico independientemente de la dirección del viento. Debido a su extrema sencillez mecánica, su capacidad de autoarranque a bajas velocidades de viento y su elevado par a bajas revoluciones, la turbina Savonius es un dispositivo de tecnología apropiada fundamental para bombeo mecánico, ventilación y generación descentralizada de energía.
Uso / Función
- Bombeo mecánico de agua: Acciona directamente bombas de desplazamiento positivo o bombas de pistón de pozo profundo sin necesidad de multiplicadores de velocidad complejos.
- Generación eléctrica con viento suave: Hace girar alternadores o dinamos de imanes permanentes de baja velocidad en entornos con brisas suaves o turbulentas.
- Aireación y agitación: Impulsa agitadores mecánicos para compostaje, aireación de aguas residuales o mezclado de grano agrícola.
- Ventilación: Hace girar extractores de cubierta para evacuar aire caliente y gases en instalaciones agrícolas y talleres.
- Escala: Instalaciones domésticas o agrícolas pequeñas (equivalente mecánico o eléctrico de 50W a 1000W).
Principio de funcionamiento
El rotor Savonius funciona principalmente por arrastre aerodinámico diferencial combinado con flujo cruzado por impulso:
- Fuerza de arrastre diferencial: Cuando el viento incide perpendicularmente al eje vertical, choca tanto contra la cara cóncava como contra la cara convexa de las palas. La cara cóncava experimenta un alto coeficiente de arrastre aerodinámico ($C_d \approx 1,2$), mientras que la cara convexa ofrece un perfil aerodinámico suave con un arrastre sensiblemente menor ($C_d \approx 0,4$).
- Generación de par: La diferencia neta entre ambas fuerzas de arrastre genera un par de rotación sostenido alrededor del eje vertical central, permitiendo que la turbina arranque por sí sola incluso con brisas muy ligeras.
- Recirculación de flujo cruzado: El aire que choca contra la pala cóncava se canaliza por su curvatura interior y se redirige a través del espacio central hacia la pala opuesta, proporcionando un impulso adicional que mejora el rendimiento.
- Funcionamiento omnidireccional: Como las palas están dispuestas simétricamente respecto al eje vertical, la turbina opera con eficacia desde cualquier dirección del viento sin requerir veletas de orientación ni sistemas de guiñada.
Cómo crearla
Construcción del rotor vertical Savonius
- Fabricar las palas semicilíndricas: Cortar longitudinalmente por la mitad un bidón metálico o un tubo de PVC grueso, o bien curvar chapa metálica en dos cúpulas semicilíndricas.
- Preparar el eje y las tapas extremas: Cortar dos tapas circulares de madera gruesa (Madera) o placa de acero (Acero). Perforar un orificio central para el eje vertical.
- Montar las palas con solapamiento: Fijar las palas entre las tapas superior e inferior formando un perfil en “S” desfasado. Posicionarlas de forma que los bordes interiores se solapen entre un 15% y un 20% del diámetro de la pala, dejando una ranura central para la recirculación del aire.
- Construir la estructura de soporte y cojinetes: Montar el eje vertical sobre cojinetes de baja fricción superior e inferior anclados a una estructura resistente de madera (Madera) o acero (Acero). Colocar un cojinete de empuje axial en la base para soportar el peso total del rotor.
- Conectar la toma de fuerza: Acoplar una polea, piñón o conexión directa en la parte inferior del eje para accionar una bomba mecánica o un generador de imanes permanentes con núcleo de hierro (Hierro).
Materiales necesarios
- Palas y tapas extremas: Chapa metálica, bidones metálicos cortados o contrachapado de Madera para exteriores.
- Eje vertical: Barra maciza o tubo estructural de Acero.
- Estructura y cojinetes: Estructura de soporte de Hierro estructural o madera, rodamientos de bolas o casquillos de bronce.
- Herrajes: Tornillos, tuercas de seguridad, abrazaderas de fijación y correas/poleas de transmisión.
Variantes y mejoras
- Turbina Savonius helicoidal: Palas con torsión helicoidal (típicamente 90° de giro) que eliminan la fluctuación de par durante la rotación, proporcionando un funcionamiento suave y reduciendo las vibraciones.
- Savonius multietapa: Dos o más rotores Savonius superpuestos verticalmente en el mismo eje con un desfase de 90 grados para eliminar puntos muertos en el giro.
- Aumento por pantallas deflectoras: Deflectores de viento colocados aguas arriba para proteger la pala convexa que avanza contra el viento, aumentando sustancialmente el coeficiente de potencia ($C_p$).
Límites y riesgos
- Menor eficiencia aerodinámica: El coeficiente máximo de potencia ($C_p \approx 0,15 - 0,20$) es notablemente inferior al de las turbinas eólicas de eje horizontal basadas en sustentación ($C_p \approx 0,45$).
- Mayor masa de material por vatio generado: Requiere más material físico en comparación con las palas estilizadas de alta velocidad.
- Carga estructural por viento extremo: La gran superficie expuesta soporta intensas fuerzas aerodinámicas laterales durante tormentas severas, lo que exige un anclaje robusto y cables de vientos.