Aerogenerador de eje vertical

Tipo de turbina eólica

La turbina eólica de eje vertical más alta del mundo, en Cap-Chat, Quebec

Esquema de vórtice

Aerogenerador de eje vertical en alta mar

Una turbina eólica de eje vertical ( VAWT ) es un tipo de turbina eólica en la que el eje del rotor principal se coloca transversal al viento mientras que los componentes principales están ubicados en la base de la turbina. Esta disposición permite que el generador y la caja de cambios estén ubicados cerca del suelo, lo que facilita el servicio y la reparación. No es necesario que los VAWT apunten hacia el viento, ^{[1] [2],} lo que elimina la necesidad de mecanismos de orientación y detección del viento. Los principales inconvenientes de los primeros diseños ( Savonius , Darrieus y giromill ) incluían la importante fluctuación del par durante cada revolución y los grandes momentos de flexión en las palas. Los diseños posteriores abordaron la ondulación del par barriendo las palas en forma helicoidal ( tipo Gorlov ). ^[3] Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) de Savonius no están muy extendidas, pero su simplicidad y su 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 un ambiente urbano. ^[4]

Un aerogenerador 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 "turbina eólica de eje transversal" o "turbina eólica de flujo cruzado". Por ejemplo, la patente original de Darrieus, patente estadounidense 1835018, incluye ambas opciones.

Los VAWT de tipo arrastre, como el rotor Savonius, normalmente funcionan con relaciones de velocidad punta más bajas que los VAWT de 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]}

Aerodinámica general

Las fuerzas y velocidades que actúan en una turbina Darrieus se representan en la figura 1. El vector de velocidad resultante, es la suma vectorial de la velocidad del aire aguas arriba sin perturbaciones, y el vector de velocidad de la pala que avanza ,. ${\displaystyle {\vec {W}}}$ ${\displaystyle {\vec {U}}}$ ${\displaystyle -{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}}$

${\displaystyle {\vec {W}}={\vec {U}}+\left(-{\vec {\omega }}\times {\vec {R}}\right)}$

Figura 1: Fuerzas y velocidades que actúan en una turbina Darrieus para varias posiciones azimutales

Una turbina helicoidal Darrieus

Por lo tanto, la velocidad del fluido entrante varía durante cada ciclo. La velocidad máxima se encuentra para y la mínima para , donde es la posición azimutal u orbital de la pala. 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 pala en la zona aguas arriba de la máquina, cambiando de señal en la zona aguas abajo de la máquina. ${\displaystyle \theta =0{}^{\circ }}$ ${\displaystyle \theta =180{}^{\circ }}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \alpha }$

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

${\displaystyle V_{t}=R\omega +U\cos(\theta )}$

y:

${\displaystyle V_{n}=U\sin(\theta )}$

Al resolver la velocidad relativa como resultante de las componentes tangencial y normal se obtiene:

${\displaystyle W={\sqrt {V_{t}^{2}+V_{n}^{2}}}}$ ^[7]

Por lo tanto, combinando lo anterior con las definiciones de la relación de velocidad punta se obtiene la siguiente expresión para la velocidad resultante: ${\displaystyle \lambda =(\omega R)/U}$

${\displaystyle W=U{\sqrt {1+2\lambda \cos \theta +\lambda ^{2}}}}$ ^[8]

El ángulo de ataque se resuelve como:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {V_{n}}{V_{t}}}\right)}$

Que al sustituir lo anterior se obtiene:

${\displaystyle \alpha =\tan ^{-1}\left({\frac {\sin \theta }{\cos \theta +\lambda }}\right)}$^[9]

La fuerza aerodinámica resultante se resuelve en componentes de sustentación (L) - resistencia (D) o componentes normales (N) - tangenciales (T). Se considera que las fuerzas actúan en el punto del cuarto de cuerda y se determina el momento de cabeceo para resolver las fuerzas aerodinámicas. Los términos aeronáuticos sustentación y resistencia 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 pala, tirando de ella, 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 fuerzas aerodinámicas alrededor de la pala, como pérdida dinámica , capa límite, etc.; mientras que cuando se trata de prestaciones globales, cargas de fatiga, etc., es más conveniente disponer de un marco normal-tangencial. Los coeficientes de sustentación y resistencia generalmente están normalizados por la presión dinámica del flujo de aire relativo, mientras que los coeficientes normal y tangencial generalmente están normalizados por la presión dinámica de la velocidad del fluido aguas arriba sin perturbaciones.

${\displaystyle C_{L}={\frac {F_{L}}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{D}={\frac {D}{{1}/{2}\;\rho AW^{2}}}{\text{ }};{\text{ }}C_{T}={\frac {T}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}R}}{\text{ }};{\text{ }}C_{N}={\frac {N}{{1}/{2}\;\rho AU^{2}}}}$

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

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

${\displaystyle P={\frac {1}{2}}C_{p}\rho A\nu ^{3}}$

Donde está el coeficiente de potencia, la densidad del aire, el área barrida de la turbina y la velocidad del viento. ^[10] ${\displaystyle C_{p}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \nu }$

Tipos

Hay dos tipos principales de aerogeneradores de eje vertical. Es decir, el aerogenerador Savonius y el aerogenerador Darrieus. El rotor Darrieus viene en varias subformas, incluido el rotor en forma de hélice, en forma de disco y el rotor en H con palas rectas. Estas turbinas suelen tener tres palas de rotor delgadas impulsadas por fuerzas de elevación, lo que les permite alcanzar altas velocidades.[1]

Pueden existir varios diseños simples para turbinas eólicas verticales, como se detalla a continuación. En la práctica, es posible encontrar una variedad de variaciones y combinaciones, y los desarrolladores frecuentemente demuestran su creatividad al crear diversas formas de turbinas eólicas verticales.

Tipos de turbinas eólicas de eje vertical

Savonio

Dibujo esquemático de una turbina Savonius de dos palas.

El aerogenerador Savonius (SWT) es un VAWT de tipo arrastre. El diseño común incluye un eje giratorio con dos o tres palas que atrapan el viento entrante. Debido a su diseño simplista y robusto y su eficiencia relativamente baja, se utiliza siempre que la confiabilidad es más importante que la eficiencia. Una de las razones de la baja eficiencia de una turbina eólica Savonius es que aproximadamente sólo la mitad de la turbina genera un par positivo, mientras que el otro lado se mueve contra el viento y, por tanto, produce un par negativo. Una variante de SWT es la turbina eólica Harmony ^[11] con palas en forma de hélice y un mecanismo de enrollado automático durante condiciones de viento de alta velocidad.

Darrieus

El aerogenerador Darrieus es un VAWT de tipo elevador. El diseño original incluía una serie de palas aerodinámicas curvas con las puntas unidas a un eje giratorio. Sin embargo, también hay diseños que utilizan perfiles aerodinámicos verticales rectos, conocidos como turbinas eólicas de rotor H o ​​Giromill Darrieus. Además, las palas de la turbina eólica Darrieus pueden tener forma de hélice para reducir el efecto dominó del par en la turbina al distribuir el par uniformemente a lo largo de la revolución.

Al ser dispositivos de tipo elevador, los aerogeneradores Darrieus pueden extraer más energía del viento que los aerogeneradores de tipo arrastre , como el aerogenerador Savonius.

ala giratoria

Las turbinas eólicas de ala giratoria o turbinas eólicas de ala giratoria son una nueva categoría de VAWT de tipo elevador que utilizan un perfil aerodinámico no helicoidal verticalmente para generar una rotación de 360 ​​grados alrededor de un eje vertical que pasa por el centro del perfil aerodinámico.

Ventajas

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

• Es posible que los VAWT omnidireccionales no necesiten seguir el viento. Esto significa que no requieren un mecanismo complejo ni motores para orientar el rotor e inclinar las palas . ^[12]
• El reemplazo y el mantenimiento de la caja de cambios son más simples y eficientes, porque se puede acceder a la caja de cambios desde el nivel del suelo en lugar de requerir que el operador trabaje a cientos de pies en el aire. Las fallas del motor y de la caja de cambios generalmente son consideraciones importantes de operación y mantenimiento.
• Algunos diseños pueden utilizar cimientos de pilotes atornillados , lo que reduce el transporte de hormigón por carretera y el impacto medioambiental de la instalación. Los pilotes de tornillos se pueden reciclar por completo al final de su vida útil.
• Los VAWT se pueden instalar en parques eólicos HAWT debajo de los HAWT existentes, complementando la producción de energía. ^[13]
• Los VAWT pueden funcionar en condiciones no adecuadas para los HAWT. Por ejemplo, el rotor Savonius , que puede funcionar en contextos de viento lento e irregular a nivel del suelo, se utiliza a menudo en ubicaciones remotas o desatendidas, aunque es el VAWT de tipo arrastre más "ineficiente".
• Ruido reducido en comparación con los HAWT ^[14]
• Peligro reducido para las aves ^[15]

Desventajas

Cuando la velocidad de una turbina eólica VAWT crece, también lo hace la potencia; sin embargo, en un cierto punto máximo, la potencia disminuye progresivamente hasta cero incluso cuando la velocidad de la turbina eólica es máxima. ^{[ aclaración necesaria ]} De modo que los frenos de disco se utilizan para reducir la velocidad de una turbina eólica en condiciones de viento fuerte. Sin embargo, a veces, debido al sobrecalentamiento de los frenos de disco, la turbina puede incendiarse. ^[dieciséis]

Los VAWT a menudo sufren una pérdida dinámica de las palas ya que el ángulo de ataque varía rápidamente. ^{[17] [18] [19]}

Las palas de un VAWT son propensas a fatigarse debido a la amplia variación en las fuerzas aplicadas durante cada rotación. Las hojas 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 , ^[20] aunque los diseños modernos han superado muchos de los problemas iniciales. ^{[21] [22]}

Investigación

Un estudio de 2021 simuló una configuración VAWT que permitió a los VAWT superar una instalación HAWT comparable en un 15 %. Una simulación de 11.500 horas demostró la mayor eficiencia, en parte mediante el uso de una formación de rejilla. 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 las turbinas y el número de rotores. ^[23]

En 2022, la empresa noruega World Wide Wind introdujo VAWT flotantes con dos juegos de palas contrarrotativas. Los dos conjuntos están fijados a ejes concéntricos. Cada uno tiene una turbina adjunta. Uno está unido al rotor y el otro al estator . Esto tiene el efecto de duplicar su velocidad entre sí en comparación con un estator estático. Afirmaron tener más del doble de producción en comparación con los HAWT más grandes. Los HAWT requieren transmisiones, cajas de cambios, generadores y palas pesados ​​en la parte superior de la torre, lo que requiere contrapesos submarinos pesados. Los VAWT colocan la mayoría de los componentes pesados ​​en la parte inferior de la torre, lo que reduce la necesidad de contrapeso. Las palas barren un área cónica, lo que ayuda a reducir la turbulencia a favor del viento de cada torre, aumentando la densidad máxima de la torre. La empresa afirma que construirá una unidad de 40 megavatios de 400 m (1300 pies). ^[24]

Aplicaciones

Aerogenerador de poste de luz

El Windspire, un pequeño VAWT destinado a 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 todo Estados Unidos. ^[25]

Arborwind, una empresa con sede en Ann Arbor, Michigan , produce un pequeño VAWT patentado que se ha instalado en varios lugares de EE. UU. desde 2013. ^[26]

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. ^[27] Los investigadores declararon: "La economía de la energía eólica marina es diferente de la de las turbinas terrestres, debido a los desafíos operativos y de instalación. Las VAWT ofrecen tres grandes ventajas que podrían reducir el costo de la energía eólica: un centro de gravedad más bajo de la turbina; menor complejidad de la máquina y mejor escalabilidad a tamaños muy grandes. Un centro de gravedad más bajo significa una mayor estabilidad a flote y menores cargas de fatiga gravitacional. Además, la transmisión en un VAWT está en la superficie o cerca de ella, lo que potencialmente hace que el mantenimiento sea más fácil y requiera menos tiempo. Menos piezas, menores cargas de fatiga y un mantenimiento más sencillo conducen a una reducción de los costes de mantenimiento".

A principios de la década de 2010, el profesor de aeronáutica de Caltech, John Dabiri , instaló una parcela de demostración VAWT de 24 unidades en el sur de California . Su diseño se incorporó en una granja generadora de 10 unidades instalada en 2013 en el pueblo de Igiugig, en Alaska. ^[28]

Dulas, Anglesey , recibió permiso en marzo de 2014 para instalar un prototipo de VAWT en el rompeolas de la costa de Port Talbot. La turbina es un nuevo diseño, suministrada por C-FEC (Swansea), con sede en Gales, ^[29] y se utilizará durante una prueba de dos años. ^[30] Este VAWT incorpora un protector contra el viento 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. ^[29]

StrongWind, una empresa con sede en Canadá, produce un VAWT urbano patentado que se ha instalado en varios lugares canadienses e internacionales a partir de 2023. ^[31]

El arquitecto Michael Reynolds (conocido por sus diseños de casas Earthship ) desarrolló un VAWT de cuarta generación llamado Dynasphere . Tiene dos generadores de 1,5 kW y puede producir electricidad a velocidades muy bajas. ^[32]

Ver también

• Turbinas eólicas no convencionales
• ventilador de flujo cruzado

Referencias

1. Jha, AR (2010). Tecnología de turbinas eólicas . Boca Ratón, Florida, Estados Unidos: CRC Press .^{[ página necesaria ]}
2. Raciti Castelli, Marco; Englaro, Alessandro; Benini, Ernesto (2011). "El aerogenerador Darrieus: Propuesta de un nuevo modelo de predicción de rendimiento basado en CFD". Energía . 36 (8): 4919–4934. doi :10.1016/j.energy.2011.05.036.
3. Battisti, L.; Brigenti, A.; Benini, E.; Castelli, M. Raciti (septiembre de 2016). "Análisis de diferentes arquitecturas Blade en rendimiento VAWT pequeño". Revista de Física: Serie de conferencias . 753 (6): 062009. Código bibliográfico : 2016JPhCS.753f2009B. doi :10.1088/1742-6596/753/6/062009. hdl : 11572/152690 . S2CID  4880064.
4. Longo, Ricardo; Nicastro, Patricia; Natalini, Mateo; Schito, Paolo; Mereu, Ricardo; Parente, Alessandro (agosto de 2020). "Impacto del entorno urbano en el rendimiento de los aerogeneradores Savonius: una perspectiva numérica" ​​(PDF) . Energía renovable . 156 : 407–422. doi :10.1016/j.renene.2020.03.101. hdl :11311/1136273. S2CID  219003726.
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6. Hansen, Joaquín Toftegaard; Mahak, Mahak; Tzanakis, Iakovos (junio de 2021). "Modelado numérico y optimización de pares de aerogeneradores de eje vertical: un enfoque de ampliación". Energía renovable . 171 : 1371-1381. doi : 10.1016/j.renene.2021.03.001 .
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enlaces externos

• La imagen del sótano del día muestra una VAWT transversal al viento, pero con el eje horizontal, pero eso no permite que la máquina se llame HAWT.