La turbina eólica Darrieus es un tipo de turbina eólica de eje vertical (VAWT) que se utiliza para generar electricidad a partir de la energía eólica . La turbina consta de una serie de palas aerodinámicas curvadas montadas 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 , un ingeniero aeronáutico francés ; la solicitud de patente se realizó el 1 de octubre de 1926. Existen grandes dificultades para proteger la turbina Darrieus de las condiciones de viento extremas y para hacer que arranque por sí sola.
En las versiones originales del diseño de Darrieus, los perfiles aerodinámicos están dispuestos de manera que sean simétricos y tengan un ángulo de montaje cero , es decir, el ángulo en el que se colocan los perfiles aerodinámicos con respecto a la estructura en la que están montados. Esta disposición es igualmente efectiva sin importar en qué dirección sople el viento, a diferencia del tipo convencional, que debe rotarse para que esté de cara al 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 ángulo de ataque positivo variable y pequeño con respecto 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, lo que le da 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 a los de los 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 no 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 resistencia son, en sentido estricto, fuerzas transversales y longitudinales al flujo de aire neto relativo que se aproxima, respectivamente, por lo que no son útiles en este caso. 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 se genera ninguna fuerza rotacional neta, incluso si la velocidad del viento aumenta bastante (el rotor ya debe estar girando para generar par). Por lo tanto, el diseño normalmente no se pone en marcha por sí solo. En raras ocasiones, los rotores Darrieus pueden ponerse en marcha por sí solos, por lo que se necesita algún tipo de freno para sujetarlos cuando están detenidos.
Un problema con el diseño es que el ángulo de ataque cambia a medida que gira la turbina, por lo que cada aspa genera su par máximo en dos puntos de su ciclo (delante y detrás 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 se produce a una frecuencia natural de las aspas que puede hacer 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 de tiempo.
Otro problema surge porque la mayor parte de la masa del mecanismo giratorio se encuentra en la periferia en lugar de en el eje, como ocurre con una hélice. Esto genera tensiones centrífugas muy altas en el mecanismo, que debe ser más fuerte y pesado que de otro modo para soportarlas. Un enfoque común para minimizar esto es curvar las alas en forma de "batidor de huevos" (esto se llama forma de " troposkein ", derivado del griego que significa "la forma de una cuerda hilada") de modo que sean autoportantes y no requieran soportes y montajes tan pesados. Ver Figura 1.
En esta configuración, el diseño Darrieus es teóricamente menos costoso que un tipo convencional, ya que la mayor parte de la tensión se encuentra 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 la cual se transmite a la parte inferior y la otra mitad se puede compensar fácilmente con cables tensores .
En cambio, en un diseño convencional, toda la fuerza del viento intenta empujar la torre hacia la parte superior, donde se encuentra el cojinete principal. Además, no es fácil utilizar cables tensores 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 drásticamente con el tamaño de la hélice. Los diseños modernos pueden compensar la mayoría de las cargas de la torre de esa velocidad y paso variables.
En comparación general, si bien el diseño de Darrieus tiene algunas ventajas, existen muchas más desventajas, especialmente en máquinas más grandes de la clase MW. El diseño de Darrieus utiliza materiales mucho más caros en las palas, mientras que la mayor parte de las palas están 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 ahora no se conoce ningún material (ni siquiera fibra de carbono ) que pueda cumplir con los requisitos de carga cíclica. [ cita requerida ]
La patente de Darrieus de 1927 también cubría prácticamente cualquier disposición posible que utilizara perfiles aerodinámicos verticales. Uno de los tipos más comunes es el rotor en H , [1] [2] [3] también llamado diseño de Giromill o de barra en H , en el que las palas largas en forma de "batidor de huevos" 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. [4] [5]
Otra variante del Giromill es la cicloturbina , en la que cada pala está montada de forma que pueda girar sobre su propio eje vertical. Esto permite que las palas se "inclinen" de forma que siempre tengan un cierto 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 energía. La cicloturbina también tiene la ventaja de poder arrancar por sí sola, inclinando la pala que se "mueve a favor del viento" de forma plana hacia el viento para generar resistencia y hacer que la turbina comience a girar 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.
Las palas de una turbina Darrieus pueden inclinarse formando una hélice, es decir, 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 hidráulicas de Gorlov) . Dado que el viento tira de cada pala tanto del lado de barlovento como del de sotavento de la turbina, esta característica distribuye el par de manera uniforme a lo largo de toda la revolución, lo que evita pulsaciones destructivas. Este diseño lo utilizan las marcas de turbinas eólicas Turby , Urban Green Energy , Enessere , Aerotecture y Quiet Revolution .
La velocidad relativa crea una fuerza sobre la pala. Esta fuerza se puede descomponer en una fuerza axial y una normal (Fig. 5). En el caso de una turbina Darrieus, la fuerza axial asociada al radio crea un par y la fuerza normal crea sobre el brazo una tensión que se alterna por cada media vuelta, una tensión de compresión y una tensión de extensión. Con un sistema de biela-manivela (Fig. 6), el principio de la turbina de elevación activa es transformar esta restricción alternativa en una recuperación de energía adicional. [6] [7]
Turbinas (Muce verticales) en el edificio MarineBoard
