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 transversalmente al viento mientras que los componentes principales se ubican 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. Las VAWT no necesitan apuntar 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 ondulación de par durante cada revolución y los grandes momentos de flexión en las palas. Los diseños posteriores abordaron la ondulación de par barriendo las palas helicoidalmente ( tipo Gorlov ). ^[3] Las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) de Savonius no están muy extendidas, pero su simplicidad y 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 dispositivos de generación distribuida en un entorno urbano. ^[4]

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

Los aerogeneradores VAWT de tipo arrastre, como el de rotor Savonius, suelen funcionar a relaciones de velocidad en la punta más bajas que los aerogeneradores 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 turbulencia. ^{[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 ascendente no perturbado, , 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 Darrieus helicoidal

Por lo tanto, la velocidad del fluido entrante varía durante cada ciclo. La velocidad máxima se encuentra para y la mínima se encuentra para , donde es la posición azimutal u orbital de la pala. El ángulo de ataque , , es el ángulo entre la velocidad del aire entrante, W, y la cuerda de la pala. El flujo de aire resultante crea un ángulo de ataque positivo y variable hacia la pala en la zona ascendente de la máquina, que cambia de signo en la zona descendente 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:

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

Resolviendo la velocidad relativa como resultante de los componentes tangencial y normal obtenemos:

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

Por lo tanto, combinando lo anterior con las definiciones de la relación de velocidad de la 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 da como resultado:

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

La fuerza aerodinámica resultante se descompone en componentes de sustentación (L) - resistencia (D) o componentes normal (N) - tangencial (T). Las fuerzas se consideran actuando en el punto de cuarto de cuerda, y el momento de cabeceo se determina para resolver las fuerzas aerodinámicas. Los términos aeronáuticos sustentación y resistencia se refieren a las fuerzas a través (sustentación) y a lo largo (resistencia) del flujo de aire relativo neto que se aproxima. La fuerza tangencial actúa a lo largo de la velocidad de la pala, tirando de la pala, y la fuerza normal actúa radialmente, empujando contra los cojinetes del eje. La sustentación y la fuerza de resistencia son útiles cuando se trata de las fuerzas aerodinámicas alrededor de la pala, como pérdida dinámica , capa límite, etc.; mientras que cuando se trata de rendimiento global, cargas de fatiga, etc., es más conveniente tener un marco normal-tangencial. Los coeficientes de sustentación y resistencia 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 ascendente 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 es el coeficiente de potencia, es la densidad del aire, es el área barrida de la turbina y es la velocidad del viento. ^[10] ${\displaystyle C_{p}}$ ${\displaystyle \rho }$ ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \nu }$

Tipos

Existen dos tipos principales de turbinas eólicas de eje vertical: la turbina eólica Savonius y la turbina eólica Darrieus. El rotor Darrieus se presenta en varias subformas, incluidas las de forma helicoidal, 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 sustentación, lo que les permite alcanzar altas velocidades.[1]

Pueden existir varios diseños simples de turbinas eólicas verticales, como se detalla a continuación. En la práctica, puede encontrarse con una variedad de variaciones y combinaciones, y los desarrolladores con frecuencia 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.

La turbina eólica Savonius (SWT) es una turbina eólica de eje vertical de tipo arrastre. El diseño común incluye un eje giratorio con dos o tres palas que recogen el viento entrante. Debido a su diseño simplista y robusto y a su eficiencia relativamente baja, se utiliza siempre que la confiabilidad es más importante que la eficiencia. Una razón para la baja eficiencia de una turbina eólica Savonius es que aproximadamente solo la mitad de la turbina genera un par positivo, mientras que el otro lado se mueve contra el viento y, por lo tanto, produce un par negativo. Una variante de la turbina eólica 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

La turbina eólica Darrieus es una turbina eólica de eje vertical de tipo elevador. El diseño original incluía una serie de palas aerodinámicas curvas con las puntas unidas a un eje giratorio. Sin embargo, también existen diseños que utilizan palas aerodinámicas verticales rectas, conocidas como turbinas eólicas Darrieus de rotor en H o de Giromill. 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 de manera uniforme 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 rotatoria son una nueva categoría de turbinas eólicas de eje vertical tipo sustentador que utilizan un perfil aerodinámico no helicoidal colocado verticalmente para generar una rotación de 360 ​​grados alrededor de un eje vertical que atraviesa el centro del perfil aerodinámico.

Ventajas

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

• Es posible que las turbinas eólicas de eje vertical omnidireccionales no necesiten seguir el viento, lo que significa que no requieren un mecanismo complejo ni motores para hacer girar el rotor y orientar 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 de altura. Las fallas del motor y de la caja de cambios generalmente son consideraciones importantes de operación y mantenimiento.
• Algunos diseños pueden utilizar cimentaciones con pilotes helicoidales , lo que reduce el transporte de hormigón por carretera y el impacto ambiental de la instalación. Los pilotes helicoidales se pueden reciclar por completo al final de su vida útil.
• Las turbinas eólicas de eje vertical se pueden instalar en parques eólicos HAWT debajo de las turbinas eólicas HAWT existentes, complementando la producción de energía. ^[13]
• Las turbinas eólicas de eje vertical pueden funcionar en condiciones no aptas para turbinas eólicas de eje horizontal. Por ejemplo, el rotor Savonius , que puede funcionar en entornos irregulares, con vientos lentos y a nivel del suelo, se utiliza a menudo en lugares remotos o sin supervisión, aunque es la turbina eólica de eje vertical más "ineficiente", de tipo de arrastre.
• Ruido reducido en comparación con los HAWT ^[14]
• Peligro reducido para las aves ^[15]

Desventajas

Cuando la velocidad de una turbina eólica VAWT aumenta, también lo hace la potencia; sin embargo, en un punto pico determinado, la potencia disminuye progresivamente hasta cero, incluso cuando la velocidad de la turbina eólica está en su punto máximo. ^{[ 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. ^[16]

Los aerogeneradores de eje vertical suelen sufrir un bloqueo dinámico de las palas, ya que el ángulo de ataque varía rápidamente. ^{[17] [18] [19]}

Las palas de un aerogenerador de eje vertical son propensas a la fatiga debido a la amplia variación de las fuerzas aplicadas durante cada rotación. Las palas orientadas verticalmente pueden torcerse y doblarse durante cada giro, lo que acorta su vida útil.

A excepción de los modelos de arrastre, las turbinas eólicas de eje vertical han demostrado ser menos confiables que las turbinas eólicas de eje horizontal , ^[20] aunque los diseños modernos han superado muchos de los problemas iniciales. ^{[21] [22]}

Investigación

Un estudio de 2021 simuló una configuración de turbinas eólicas de eje vertical que permitió que las turbinas eólicas de eje vertical superaran a una instalación de turbinas eólicas de eje vertical comparable en un 15 %. Una simulación de 11 500 horas demostró el aumento de la eficiencia, en parte mediante el uso de una formación en rejilla. Uno de los efectos es evitar la turbulencia aguas abajo derivada de las turbinas eólicas de eje vertical dispuestas en rejilla 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 noruega World Wide Wind presentó turbinas eólicas de eje vertical flotantes con dos juegos de palas contrarrotativas. Los dos juegos 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 relativa entre sí en comparación con un estator estático. Afirmaron que duplicaban con creces la producción en comparación con las turbinas eólicas de eje vertical más grandes. Las turbinas eólicas de eje vertical requieren transmisiones pesadas, cajas de cambios, generadores y palas en la parte superior de la torre, lo que requiere contrapesos submarinos pesados. Las turbinas eólicas de eje vertical 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 sotavento de cada torre, lo que aumenta la densidad máxima de la torre. La empresa afirma que construirá una unidad de 400 m (1300 pies) de 40 megavatios. ^[24]

Aplicaciones

Turbina eólica con poste de luz

El Windspire, un pequeño generador de turbinas eólicas de eje vertical destinado a uso individual (en el hogar o en la 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 generador de turbina de eje vertical patentado que se ha instalado en varias ubicaciones de EE. UU. hasta 2013. ^[26]

En 2011, los investigadores de energía eólica de Sandia National Laboratories comenzaron un estudio de cinco años para aplicar la tecnología de diseño de turbinas eólicas de eje vertical a los parques eólicos marinos. ^[27] Los investigadores afirmaron: "La economía de la energía eólica marina es diferente a la de las turbinas terrestres, debido a los desafíos de instalación y operación. Las turbinas de eje vertical ofrecen tres grandes ventajas que podrían reducir el costo de la energía eólica: un centro de gravedad de la turbina más bajo; menor 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, el tren de transmisión en una turbina de eje vertical 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 simple conducen a menores costos de mantenimiento".

A principios de la década de 2010, el profesor de aeronáutica de Caltech John Dabiri instaló un parque de demostración de 24 unidades de turbinas eólicas de eje vertical en el sur de California . Su diseño se incorporó a un parque generador de 10 unidades instalado en 2013 en el pueblo de Igiugig, en Alaska. ^[28]

En marzo de 2014, Dulas, de Anglesey , recibió permiso para instalar un prototipo de turbina eólica de eje vertical en el rompeolas de la zona ribereña de Port Talbot. La turbina es de nuevo diseño, suministrada por C-FEC (Swansea), con sede en Gales, ^[29] y se utilizará durante un periodo de prueba de dos años. ^[30] Esta turbina eólica de eje vertical incorpora un paravientos que bloquea el paso del 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 turbinas eólicas de eje vertical "batidoras de huevos" que se han mencionado anteriormente. ^[29]

StrongWind, una empresa con sede en Canadá , produce un generador de turbina eólica urbano patentado que se ha instalado en varias ubicaciones canadienses e internacionales a partir de 2023. ^[31]

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. ^[32]

Véase también

• Aerogeneradores no convencionales
• Ventilador de flujo cruzado

Referencias

1. Jha, AR (2010). Tecnología de turbinas eólicas . Boca Raton, Florida, EE.UU.: 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. Código Bib :2011Ene....36.4919R. doi :10.1016/j.energy.2011.05.036.
3. Battisti, L.; Brighenti, A.; Benini, E.; Castelli, M. Raciti (septiembre de 2016). "Análisis de diferentes arquitecturas de cuchillas en el rendimiento de turbinas eólicas de eje vertical pequeñas". Journal of Physics: Conference Series . 753 (6): 062009. Bibcode :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) . Energías Renovables . 156 : 407–422. Código Bib : 2020REne..156..407L. doi :10.1016/j.renene.2020.03.101. hdl :11311/1136273. S2CID  219003726.
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6. Hansen, Joachim Toftegaard; Mahak, Mahak; Tzanakis, Iakovos (junio de 2021). "Modelado numérico y optimización de pares de turbinas eólicas de eje vertical: un enfoque de ampliación". Energía renovable . 171 : 1371–1381. Código Bibliográfico :2021REne..171.1371H. doi : 10.1016/j.renene.2021.03.001 .
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32. "Prototipo de generación de energía eólica con eje vertical". Earthship Biotecture. Archivado desde el original el 2022-06-11 . Consultado el 2015-09-18 .

Enlaces externos

• Imagen del día de la bodega Muestra un VAWT transversal al viento, pero con el eje horizontal, pero esto no permite que la máquina se denomine HAWT.