Aerogenerador de eje vertical

Una turbina eólica de eje vertical ( VAWT ) es un tipo de turbina eólica donde el eje del rotor principal se coloca transversal al viento (pero no necesariamente verticalmente) mientras que los componentes principales se encuentran en la base de la turbina. Esta disposición permite que el generador y la caja de cambios se ubiquen cerca del suelo, lo que facilita el servicio y la reparación. Los VAWT no necesitan apuntar hacia el viento, [1] [2] lo que elimina la necesidad de mecanismos de detección y orientación del viento. Los principales inconvenientes de los primeros diseños ( Savonius , Darrieus y giromill ) incluían la significativa variación de par o " ondulación ""durante cada revolución y los grandes momentos de flexión en las palas. Los diseños posteriores abordaron el problema de la ondulación del par al barrer las palas en forma helicoidal ( tipo Gorlov ). [3] Las turbinas eólicas de eje vertical Savonius (VAWT) no están muy extendidas, pero su simplicidad y un mejor rendimiento en campos de flujo perturbados, en comparación con las pequeñas turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT), las convierten en una buena alternativa para los dispositivos de generación distribuida en entornos urbanos. [4]

La turbina eólica de eje vertical más alta del mundo, en Cap-Chat, Quebec
Esquema de vórtice
Aerogenerador de eje vertical costa afuera

Una turbina eólica de eje vertical tiene su eje perpendicular a las líneas de corriente del viento y vertical al suelo. Un término más general que incluye esta opción es "aerogenerador de eje transversal" o "aerogenerador de flujo cruzado". Por ejemplo, la patente original de Darrieus, patente estadounidense 1835018, incluye ambas opciones.

Los VAWT de tipo de arrastre, como el rotor Savonius, generalmente operan a relaciones de velocidad de punta más bajas que los VAWT basados ​​en elevación, como los rotores Darrieus y las cicloturbinas .

Los modelos informáticos sugieren que los parques eólicos construidos con turbinas eólicas de eje vertical son un 15% más eficientes que las turbinas eólicas de eje horizontal convencionales, ya que generan menos turbulencias. [5] [6]

Las fuerzas y las velocidades que actúan en una turbina Darrieus se muestran en la figura 1. El vector de velocidad resultante, , es la suma vectorial de la velocidad del aire corriente arriba no perturbada, , y el vector de velocidad de la hoja que avanza, .

Fig1: Fuerzas y velocidades que actúan en una turbina Darrieus para varias posiciones azimutales
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Una turbina helicoidal Darrieus

Por tanto, la velocidad del fluido que se aproxima varía durante cada ciclo. La velocidad máxima se encuentra para y el mínimo se encuentra para , dónde es la posición azimutal u orbital de la hoja. El ángulo de ataque ,, es el ángulo entre la velocidad del aire que se aproxima, W, y la cuerda de la pala. El flujo de aire resultante crea un ángulo de ataque positivo y variable a la hoja en la zona aguas arriba de la máquina, cambiando el signo en la zona aguas abajo de la máquina.

De las consideraciones geométricas de la velocidad angular como se ve en la figura adjunta se deduce que:

y:

Resolviendo la velocidad relativa como la resultante de las componentes tangencial y normal, se obtiene:

[7]

Por lo tanto, combinando lo anterior con las definiciones de la relación de velocidad de la punta produce la siguiente expresión para la velocidad resultante:

[8]

El ángulo de ataque se resuelve como:

Lo cual al sustituir lo anterior arroja:

[9]

La fuerza aerodinámica resultante se resuelve en componentes de sustentación (L) - arrastre (D) o componentes normales (N) - tangenciales (T). Se considera que las fuerzas actúan en el punto de un cuarto de cuerda y se determina el momento de cabeceo para resolver las fuerzas aerodinámicas. Los términos aeronáuticos "elevación" y "arrastre" se refieren a las fuerzas a través (elevación) y a lo largo (arrastre) del flujo de aire relativo neto que se aproxima. La fuerza tangencial actúa a lo largo de la velocidad de la hoja, tirando de la hoja y la fuerza normal actúa radialmente, empujando contra los cojinetes del eje. La sustentación y la fuerza de arrastre son útiles cuando se trata de las fuerzas aerodinámicas alrededor de la pala, como la pérdida dinámica , la capa límite, etc .; mientras que cuando se trata de rendimiento global, cargas de fatiga, etc., es más conveniente tener un marco tangencial normal. Los coeficientes de sustentación y arrastre generalmente se normalizan por la presión dinámica del flujo de aire relativo, mientras que los coeficientes normal y tangencial generalmente se normalizan por la presión dinámica de la velocidad del fluido corriente arriba no perturbada.

A = Área de la pala (no confundir con el área de barrido, que es igual a la altura de la pala / rotor multiplicada por el diámetro del rotor), R = Radio de la turbina

La cantidad de energía, P, que puede absorber una turbina eólica:

Dónde es el coeficiente de potencia, es la densidad del aire, es el área barrida de la turbina, y es la velocidad del viento. [10]

Los VAWT ofrecen una serie de ventajas sobre las turbinas eólicas de eje horizontal tradicionales (HAWT):

  • Es posible que los VAWT omnidireccionales no necesiten seguir el viento. Esto significa que no requieren un mecanismo y motores complejos para guiñar el rotor y balancear las palas. [11]
  • El reemplazo y el mantenimiento de la caja de cambios son más simples y eficientes, porque la caja de cambios es accesible a nivel del suelo en lugar de requerir que el operador trabaje a cientos de pies en el aire. Las fallas del motor y la caja de engranajes generalmente son consideraciones importantes de operación y mantenimiento.
  • Algunos diseños pueden utilizar cimientos de pilotes de tornillo , lo que reduce el transporte de hormigón por carretera y el coste de instalación del carbono. Las pilas de tornillos se pueden reciclar por completo al final de su vida útil.
  • Los VAWT se pueden instalar en parques eólicos HAWT por debajo de los HAWT existentes, complementando la potencia de salida. [12]
  • Los VAWT pueden operar en condiciones inadecuadas para HAWT. Por ejemplo, el rotor Savonius , que puede funcionar en contextos irregulares a nivel del suelo con viento lento, se utiliza a menudo en ubicaciones remotas o desatendidas, aunque es el VAWT más "ineficaz", de tipo arrastre.

Los VAWT son menos confiables que los HAWT y menos eficientes para convertir el viento en electricidad. [13]

Los VAWT a menudo sufren un bloqueo dinámico de las palas ya que el ángulo de ataque varía rápidamente. [14] [15] [16]

Las palas de un VAWT son propensas a la fatiga debido a la amplia variación en las fuerzas aplicadas durante cada rotación. Esto puede superarse mediante el uso de materiales compuestos y mejoras en el diseño, incluido el uso de puntas de ala aerodinámicas que hacen que las conexiones del ala del esparcidor tengan una carga estática. Las cuchillas orientadas verticalmente pueden torcerse y doblarse durante cada giro, acortando su vida útil.

Aparte de los tipos de arrastre, los VAWT han demostrado ser menos confiables que los HAWT , [17] aunque los diseños modernos han superado muchos problemas iniciales. [18] [19]

Un estudio de 2021 simuló una configuración de VAWT que permitió a los VAWT superar una instalación HAWT comparable en un 15%. Una simulación de 11.500 horas demostró el aumento de la eficiencia, en parte mediante el uso de una formación de cuadrícula. Un efecto es evitar las turbulencias aguas abajo derivadas de los HAWT dispuestos en red que reducen la eficiencia. Otras optimizaciones incluyeron el ángulo de la matriz, la dirección de rotación, el espaciado de la turbina, el número de rotores. [20]

Aerogenerador de poste ligero

El Windspire, un pequeño VAWT diseñado para uso individual (hogar u oficina) fue desarrollado a principios de la década de 2000 por la empresa estadounidense Mariah Power. La empresa informó que en junio de 2008 se habían instalado varias unidades en los Estados Unidos. [21]

Arborwind, una empresa con sede en Ann-Arbor (Michigan, EE. UU.), Produce un pequeño VAWT patentado que se ha instalado en varias ubicaciones de EE. UU. A partir de 2013. [22]

En 2011, los investigadores de energía eólica de Sandia National Laboratories comenzaron un estudio de cinco años sobre la aplicación de la tecnología de diseño VAWT a parques eólicos marinos. [23] Los investigadores declararon: "La economía de la energía eólica marina es diferente de las turbinas terrestres, debido a los desafíos operativos y de instalación. Los VAWT ofrecen tres grandes ventajas que podrían reducir el costo de la energía eólica: un centro de gravedad de la turbina más bajo; complejidad de la máquina; y mejor escalabilidad a tamaños muy grandes. Un centro de gravedad más bajo significa una mejor estabilidad a flote y menores cargas de fatiga gravitacional. Además, la transmisión en un VAWT está en o cerca de la superficie, lo que potencialmente hace que el mantenimiento sea más fácil y menos tiempo. Menos piezas, cargas de fatiga más bajas y un mantenimiento más sencillo dan como resultado costos de mantenimiento reducidos ".

Una parcela de demostración VAWT de 24 unidades fue instalada en el sur de California a principios de la década de 2010 por el profesor de aeronáutica de Caltech , John Dabiri . Su diseño se incorporó en una granja de generación de 10 unidades instalada en 2013 en la aldea de Igiugig en Alaska. [24]

Dulas, Anglesey recibió permiso en marzo de 2014 para instalar un prototipo de VAWT en el rompeolas en la orilla de Port Talbot. La turbina es de nuevo diseño, suministrada por C-FEC (Swansea), con sede en Gales, [25] y se utilizará durante una prueba de dos años. [26] Este VAWT incorpora un parabrisas que bloquea el viento de las palas que avanzan y, por lo tanto, requiere un sensor de dirección del viento y un mecanismo de posicionamiento, a diferencia de los tipos de VAWT "batidores de huevos" discutidos anteriormente. [25]

Ryse Energy fabrica uno de los VAWT de mayor tamaño, una turbina eólica de 55 kW llamada N-55. [27]

El arquitecto Michael Reynolds (conocido por sus diseños de casas Earthship ) desarrolló una turbina eólica de eje vertical de cuarta generación llamada "Dynasphere". Tiene dos generadores de 1,5 KW y puede producir electricidad a velocidades muy bajas. [28]

  • Turbinas eólicas no convencionales

  1. ^ Jha, AR (2010). Tecnología de aerogeneradores . Boca Raton, FL: CRC Press.[ página necesaria ]
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  • Imagen de bodega del día Muestra un VAWT transversal al viento, pero con el eje horizontal, pero no permite que la máquina se llame HAWT.