El aerogenerador Darrieus es un tipo de aerogenerador de eje vertical (VAWT) utilizado para generar electricidad a partir de energía eólica . La turbina consta de una serie de palas aerodinámicas curvas montadas sobre un eje o estructura giratoria. La curvatura de las palas permite que la pala se esfuerce sólo 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 solicitud de patente se realizó el 1 de octubre de 1926. Existen grandes dificultades para proteger la turbina Darrieus de condiciones extremas de viento y hacer que arranque sola.
En las versiones originales del diseño de Darrieus, los perfiles aerodinámicos están dispuestos de manera 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 sobre la que están montados. Esta disposición es igualmente eficaz sin importar en qué dirección sople el viento, a diferencia del tipo convencional, que debe girarse para mirar hacia el viento.
Cuando el rotor Darrieus gira, los perfiles aerodinámicos se mueven hacia adelante en el aire en una trayectoria circular. En relación con la pala, este flujo de aire entrante 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 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 aparejo es cero. El rotor gira a un ritmo no relacionado 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 resistencia 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 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 torque. Por lo tanto, el diseño normalmente no se inicia por sí solo. En raras condiciones, los rotores Darrieus pueden arrancar automáticamente, por lo que se requiere algún tipo de freno para mantenerlos detenidos.
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 (delante y detrás 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 resonantes en los que, a una velocidad de rotación particular, el pulso 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 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 provoca tensiones centrífugas muy elevadas en el mecanismo, que debe ser más fuerte y pesado que de otro modo para resistirlas. Un enfoque común para minimizar esto es curvar las alas en forma de "batidor de huevos" (esto se llama forma de " troposkein ", derivada del griego "la forma de una cuerda hilada") de modo que sean autoportantes. y no requieren soportes ni 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 recae en las palas que actúan contra el generador ubicado en la parte inferior de la turbina. Las únicas fuerzas que deben equilibrarse verticalmente son la carga de compresión debida 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 turbina. parte inferior y la otra mitad se puede compensar fácilmente con cables tensores .
Por el contrario, un diseño convencional tiene toda la fuerza del viento intentando empujar la torre hacia la parte superior, donde se encuentra el soporte principal. Además, no es fácil utilizar tirantes para compensar esta carga, porque la hélice gira tanto por encima como por debajo de la parte superior de la torre. Por tanto, el diseño convencional requiere una torre fuerte que crece espectacularmente con el tamaño de la hélice. Los diseños modernos pueden compensar la mayoría de las cargas de las torres con esa velocidad y paso variables.
En comparación general, si bien hay algunas ventajas en el diseño de Darrieus, hay muchas más desventajas, especialmente con máquinas más grandes de la clase MW. El diseño de Darrieus utiliza material mucho más caro en las palas, mientras que la mayor parte de la pala está demasiado cerca del suelo para proporcionar 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. [ cita necesaria ]
La patente de Darrieus de 1927 también cubría prácticamente cualquier disposición posible utilizando perfiles aerodinámicos verticales. Uno de los tipos más comunes es el rotor H , [1] [2] [3] también llamado diseño Giromill o barra H , en el que las largas palas "batidoras de huevos" del diseño común de Darrieus se reemplazan por cuchillas verticales rectas. Secciones de pala adosadas a la torre central mediante soportes horizontales. Este diseño es utilizado por MUCE, con sede en Shanghai. [4] [5]
Otra variación del Giromill es la cicloturbina , en la que cada pala está montada de modo que pueda girar alrededor de su propio eje vertical. Esto permite "inclinar" las palas para que siempre tengan algún ángulo de ataque con respecto 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 con 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 arrancar automáticamente, inclinando la pala "que se mueve a favor del viento" 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 aspas es complejo y generalmente pesado, y es necesario agregar algún tipo de sensor de dirección del viento para inclinar las aspas correctamente.
Las palas de una turbina Darrieus pueden inclinarse formando una hélice, por ejemplo, tres palas y una torsión 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 hidráulicas de Gorlov) . Dado que el viento mueve cada pala tanto en el lado de barlovento como en el de sotavento de la turbina, esta característica distribuye el par de manera uniforme durante toda la revolución, evitando así pulsaciones destructivas. Este diseño es utilizado por las marcas de aerogeneradores Turby , Urban Green Energy , Enessere , Aerotecture y Quiet Revolution .
La velocidad relativa crea una fuerza sobre la hoja. Esta fuerza se puede descomponer en fuerza axial y normal (Fig. 5). En el caso de una turbina Darrieus, la fuerza axial asociada al radio crea un par y la fuerza normal crea en el brazo una tensión alternativamente por cada media vuelta, una tensión de compresión y una tensión de extensión. Con un sistema de manivela (Fig. 6), el principio de la turbina de elevación activa es transformar esta restricción alternativa en una recuperación de energía adicional.
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Turbinas (Vertical Muce) en el edificio MarineBoard
