Aerogenerador Darrieus

La turbina eólica Darrieus es un tipo de turbina eólica de eje vertical (VAWT) que se utiliza para generar electricidad a partir de energía eólica . La turbina consta de varias palas de perfil aerodinámico curvadas montadas en un eje o armazón giratorio. La curvatura de las cuchillas permite que la cuchilla se estire 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 , un ingeniero aeronáutico francés. ; la solicitud de la patente fue el 1 de octubre de 1926. Existen grandes dificultades para proteger la turbina Darrieus de condiciones extremas de viento y para que se encienda automáticamente.

Fig.1: Una turbina eólica Darrieus que alguna vez se usó para generar electricidad en las Islas Magdalen

Método de operación

Fig.2: Un aerogenerador Darrieus muy grande en la península de Gaspé , Quebec , Canadá

Generador combinado Darrieus- Savonius utilizado en Taiwán

Cómo funciona el aerogenerador Darrieus

En las versiones originales del diseño de Darrieus, los perfiles aerodinámicos están dispuestos de modo que sean simétricos y tengan un ángulo de aparejo cero , es decir, el ángulo en el que se establecen los perfiles aerodinámicos con respecto a la estructura en la que están montados. Esta disposición es igualmente eficaz 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 a través del 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 de ataque positivo variable hacia 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 pasando el eje de la turbina a una cierta distancia, dando un par positivo al eje, ayudándolo a rotar en la dirección en la que ya viaja. 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 aparejo 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 energía útil mediante el uso de un generador eléctrico .

Los términos aeronáuticos sustentación y arrastre son, estrictamente hablando, fuerzas a lo largo y ancho del flujo de aire relativo neto que se aproxima, respectivamente, por lo que no son útiles aquí. Las fuerzas en juego son la fuerza tangencial , que tira de la hoja, y la fuerza radial, que actúa contra los cojinetes.

Cuando el rotor está parado, no surge ninguna fuerza de rotación neta, incluso si la velocidad del viento aumenta bastante; el rotor ya debe estar girando para generar torque. Por lo tanto, el diseño normalmente no se inicia automáticamente. En raras condiciones, los rotores Darrieus pueden arrancar 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 energía sinusoidal (pulsante) que complica el diseño. En particular, casi todas las turbinas Darrieus tienen modos de resonancia en los que, a una velocidad de rotación particular, el pulso se produce a una frecuencia natural de las palas que puede hacer que se rompan (eventualmente). 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 y no en el cubo, como ocurre con una hélice. Esto conduce a tensiones centrífugas muy elevadas en el mecanismo, que deben ser más fuertes y pesadas que de otra manera para resistirlas. Un enfoque común para minimizar esto es curvar las alas en una forma de "batidor de huevos" (esto se llama forma de " troposkein ", derivado del griego para "la forma de una cuerda hilada") de modo que sean autoportantes y no requieren soportes y montajes tan pesados. 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 aprietan 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 hacer volar toda la turbina, la mitad de la cual se transmite a la inferior y la 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 en la parte superior, donde se encuentra el cojinete principal. Además, no se pueden utilizar 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 crezca 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 existen algunas ventajas en el diseño de Darrieus, existen muchas más desventajas, especialmente con máquinas más grandes en la clase MW. El diseño de Darrieus utiliza material mucho más caro en las hojas, mientras que la mayor parte de la hoja está demasiado cerca del suelo para proporcionar potencia real. Los diseños tradicionales asumen 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 ahora no se conoce ningún material (ni siquiera fibra de carbono ) que pueda cumplir con los requisitos de carga cíclica. ^{[ cita requerida ]}

Giromills

Fig 3: Un aerogenerador tipo Giromill

Turbinas MUCE instaladas en lo alto del Marine Board Building en Hobart, Australia

La patente de 1927 de Darrieus también cubría prácticamente cualquier disposición posible utilizando superficies aerodinámicas verticales. Uno de los tipos más comunes es el rotor H , ^{[1] [2] [3]} también llamado Giromill o diseño de barra H , en el que las palas largas "batidoras de huevos" del diseño Darrieus común se reemplazan por verticales rectas Secciones de pala unidas a la torre central con soportes horizontales. Este diseño es utilizado por MUCE con sede en Shanghai. ^{[4] [5]}

Cicloturbinas

Otra variación del Giromill es la Cicloturbina , en la que cada pala está montada para que pueda girar alrededor de su propio eje vertical. Esto permite "inclinar" las palas para que siempre tengan algún ángulo de ataque en relación con el 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 con tres o cuatro palas tiene un par bastante constante. En este rango de ángulos, el par en sí mismo está cerca del máximo posible, lo que significa que el sistema también genera más potencia. La cicloturbina también tiene la ventaja de ser capaz de arrancar automáticamente, al inclinar la pala de "movimiento a favor del viento" plana hacia el 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

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Una turbina helicoidal Darrieus en Hartnell College .