Aerogenerador Darrieus
El aerogenerador Darrieus es un tipo de aerogenerador de eje vertical (VAWT) que se utiliza para generar electricidad a partir de la energía eólica. La turbina consta de una serie de álabes aerodinámicos curvos montados en un eje o estructura giratoria. La curvatura de las palas permite que la pala se esfuerce solo en tensión a altas velocidades de rotación. Hay varias turbinas eólicas estrechamente relacionadas que utilizan palas rectas. Este diseño de la turbina fue patentado por Georges Jean Marie Darrieus, ingeniero aeronáutico francés; la presentación de la patente fue el 1 de octubre de 1926. Existen grandes dificultades para proteger la turbina Darrieus de condiciones de viento extremo y hacer que arranque automáticamente.
Método de operación
En las versiones originales del diseño de Darrieus, los perfiles aerodinámicos están dispuestos de modo que sean simétricos y tengan un ángulo de suspensión cero, es decir, el ángulo en el que se establecen los perfiles aerodinámicos en relación con la estructura en la que están montados. Esta disposición es igualmente efectiva sin importar en qué dirección sople el viento, en contraste con el tipo convencional, que debe girarse para mirar hacia el viento.
Cuando el rotor Darrieus está girando, los perfiles aerodinámicos se mueven hacia adelante en el aire en una trayectoria circular. En relación con la pala, este flujo de aire que se aproxima se suma vectorialmente al viento, de modo que el flujo de aire resultante crea un pequeño ángulo positivo variable de ataque a la pala. Esto genera una fuerza neta que apunta oblicuamente hacia adelante a lo largo de una determinada "línea de acción". Esta fuerza se puede proyectar hacia adentro más allá del eje de la turbina a una cierta distancia, dando un par positivo al eje, ayudándolo así a girar en la dirección en la que ya se está desplazando. Los principios aerodinámicos que hacen girar el rotor son equivalentes a los de los autogiros., y helicópteros normales en autorrotación.
A medida que el perfil aerodinámico se mueve alrededor de la parte posterior del aparato, el ángulo de ataque cambia al signo opuesto, pero la fuerza generada sigue siendo oblicua en la dirección de rotación, porque las alas son simétricas y el ángulo de montaje es cero. El rotor gira a una velocidad que no está relacionada con la velocidad del viento y, por lo general, muchas veces más rápido. La energía que surge del par y la velocidad se puede extraer y convertir en potencia útil mediante el uso de un generador eléctrico.
Los términos aeronáuticos sustentación y arrastre son, estrictamente hablando, fuerzas a través y a lo largo del flujo de aire relativo neto que se aproxima, respectivamente, por lo que no son útiles aquí. Las fuerzas en juego son más bien la fuerza tangencial, que tira de la pala, y la fuerza radial, que actúa contra los cojinetes.
Cuando el rotor está estacionario, no surge ninguna fuerza de rotación neta, incluso si la velocidad del viento aumenta bastante; el rotor ya debe estar girando para generar un par. Por lo tanto, el diseño normalmente no se inicia automáticamente. En raras condiciones, los rotores Darrieus pueden iniciarse automáticamente, por lo que se requiere algún tipo de freno para sostenerlo cuando se detiene.
Un problema con el diseño es que el ángulo de ataque cambia a medida que gira la turbina, por lo que cada pala genera su par máximo en dos puntos de su ciclo (parte delantera y trasera de la turbina). Esto conduce a un ciclo de potencia sinusoidal (pulsante) que complica el diseño. En particular, casi todas las turbinas Darrieus tienen modos resonantes en los que, a una velocidad de rotación particular, la pulsación tiene una frecuencia natural de las palas que puede provocar que (eventualmente) se rompan. Por esta razón, la mayoría de las turbinas Darrieus tienen frenos mecánicos u otros dispositivos de control de velocidad para evitar que la turbina gire a estas velocidades durante un período de tiempo prolongado.
Otro problema surge porque la mayor parte de la masa del mecanismo giratorio está en la periferia en lugar de en el centro, como ocurre con una hélice. Esto conduce a tensiones centrífugas muy altas en el mecanismo, que debe ser más fuerte y más pesado que de otro modo para soportarlas. Un enfoque común para minimizar esto es curvar las alas en un "batidor de huevos" (esto se llama forma de "troposkein", derivado del griego para "la forma de una cuerda hilada") de tal manera que son autosuficientes y no requieren soportes tan pesados y montajes Ver. Figura 1.
En esta configuración, el diseño de Darrieus es teóricamente menos costoso que un tipo convencional, ya que la mayor parte de la tensión está en las palas que se torsionan contra el generador ubicado en la parte inferior de la turbina. Las únicas fuerzas que deben equilibrarse verticalmente son la carga de compresión debido a que las palas se flexionan hacia afuera (intentando así 'apretar' la torre), y la fuerza del viento que intenta derribar toda la turbina, la mitad de que se transmite al fondo y cuya otra mitad se puede compensar fácilmente con cables de sujeción.
Por el contrario, un diseño convencional tiene toda la fuerza del viento que intenta empujar la torre hacia arriba, donde se encuentra el cojinete principal. Además, no se pueden usar fácilmente cables de sujeción para compensar esta carga, porque la hélice gira tanto por encima como por debajo de la parte superior de la torre. Por lo tanto, el diseño convencional requiere una torre fuerte que crece dramáticamente con el tamaño de la hélice. Los diseños modernos pueden compensar la mayoría de las cargas de torre de esa velocidad variable y paso variable.
En comparación general, aunque hay algunas ventajas en el diseño de Darrieus, hay muchas más desventajas, especialmente con máquinas más grandes en la clase MW. El diseño de Darrieus utiliza un material mucho más caro en las hojas, mientras que la mayor parte de la hoja está demasiado cerca del suelo para dar potencia real. Los diseños tradicionales suponen que la punta del ala está al menos a 40 m del suelo en el punto más bajo para maximizar la producción de energía y la vida útil. Hasta el momento no se conoce ningún material (ni siquiera fibra de carbono) que pueda cumplir con los requisitos de carga cíclica.
Giromolinos
La patente de Darrieus de 1927 también cubría prácticamente cualquier arreglo posible utilizando superficies aerodinámicas verticales. Uno de los tipos más comunes es el rotor H, también llamado diseño Giromill o H-bar, en el que el largo "batidor de huevos" las palas del diseño común de Darrieus se reemplazan con secciones de palas verticales rectas unidas a la torre central con soportes horizontales. Este diseño es utilizado por MUCE con sede en Shanghái.
Cicloturbinas
Otra variación del Giromill es la cicloturbina, en la que cada pala está montada de manera que pueda girar alrededor de su propio eje vertical. Esto permite que las palas se "inclinen" para que siempre tengan algún ángulo de ataque relativo al viento. La principal ventaja de este diseño es que el par generado permanece casi constante en un ángulo bastante amplio, por lo que una Cicloturbina de tres o cuatro palas tiene un par bastante constante. En este rango de ángulos, el par en sí está cerca del máximo posible, lo que significa que el sistema también genera más potencia. La Cicloturbina también tiene la ventaja de poder iniciarse automáticamente, al lanzar el "movimiento a favor del viento" aspa plana al viento para generar resistencia y hacer que la turbina gire a baja velocidad. En el lado negativo, el mecanismo de inclinación de las palas es complejo y generalmente pesado, y es necesario agregar algún tipo de sensor de dirección del viento para inclinar las palas correctamente.
Palas helicoidales
Las palas de una turbina Darrieus se pueden inclinar en una hélice, p. tres palas y un giro helicoidal de 60 grados. El diseñador original de la turbina helicoidal es Ulrich Stampa (patente alemana DE2948060A1, 1979). A. Gorlov propuso un diseño similar en 1995 (turbinas de agua de Gorlov). Dado que el viento tira de cada aspa tanto en el lado de barlovento como en el de sotavento de la turbina, esta función distribuye el par uniformemente durante toda la revolución, evitando así las pulsaciones destructivas. Este diseño es utilizado por las marcas de turbinas eólicas Turby, Urban Green Energy, Enessere, Aerotecture y Quiet Revolution.
Turbina de elevación activa
La velocidad relativa crea una fuerza en la cuchilla. Esta fuerza se puede descomponer en una fuerza axial y normal (Fig. 5). En el caso de una turbina Darrieus, la fuerza axial asociada con el radio crea un par y la fuerza normal crea en el brazo una tensión alternativamente para cada media vuelta, una tensión de compresión y una tensión de extensión. Con un sistema de biela (Fig. 6), el principio de Active Lift Turbine es transformar esta restricción alternativa en una recuperación de energía adicional.
Contenido relacionado
EEI
Seguimiento de la fuente
Telecomunicaciones en las Islas Malvinas