turbina eólica Darrieus

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 varias palas aerodinámicas curvas montadas sobre un eje o estructura giratoria. La curvatura de las palas permite que estas solo se sometan a tensión a altas velocidades de rotación. Existen varias turbinas eólicas muy similares que utilizan palas rectas. Este diseño de turbina fue patentado por Georges Jean Marie Darrieus , un ingeniero aeronáutico francés ; la solicitud de patente se presentó el 1 de octubre de 1926. Existen importantes dificultades para proteger la turbina Darrieus de condiciones de viento extremas y para lograr su autoarranque.

En las versiones originales del diseño Darrieus, los perfiles aerodinámicos están dispuestos de forma simétrica y con un ángulo de inclinación cero , es decir, el ángulo que forman con respecto a la estructura sobre la que están montados. Esta disposición es igualmente eficaz independientemente de la dirección del viento, a diferencia del tipo convencional, que debe girarse para orientarse contra el viento.

Cuando el rotor Darrieus gira, los perfiles aerodinámicos se mueven hacia adelante a través del aire en una trayectoria circular. Con respecto a la pala, este flujo de aire incidente se suma vectorialmente al viento, de modo que el flujo de aire resultante crea un pequeño ángulo de ataque positivo variable sobre la pala. Esto genera una fuerza neta que apunta oblicuamente hacia adelante a lo largo de una determinada "línea de acción". Esta fuerza puede proyectarse hacia adentro más allá del eje de la turbina a cierta distancia, proporcionando un par positivo al eje, lo que ayuda a que gire en la dirección en la que ya se mueve. Los principios aerodinámicos que hacen girar el rotor son equivalentes a los de los autogiros y los helicópteros convencionales en autorrotación .

A medida que el perfil aerodinámico se desplaza por la parte posterior del aparato, el ángulo de ataque cambia de signo, pero la fuerza generada sigue actuando oblicuamente en la dirección de rotación, debido a la simetría de las alas y a que el ángulo de aparejo es cero. El rotor gira a una velocidad independiente de la velocidad del viento, y generalmente mucho mayor. La energía resultante del par y la velocidad puede extraerse y convertirse en energía útil mediante un generador eléctrico .

Los términos aeronáuticos sustentación y resistencia son, estrictamente hablando, fuerzas transversales y longitudinales al flujo de aire relativo neto incidente, respectivamente, por lo que no resultan útiles en este caso. Las fuerzas en juego son más bien la fuerza tangencial , que hace girar la pala, y la fuerza radial, que actúa contra los cojinetes.

Cuando el rotor está inmóvil, no se genera ninguna fuerza de rotación neta, incluso si la velocidad del viento aumenta considerablemente; el rotor debe estar girando para generar par motor. Por lo tanto, este diseño no suele ser autoarrancable. En raras ocasiones, los rotores Darrieus pueden autoarrancarse, por lo que se requiere algún tipo de freno para mantenerlo detenido.

Un problema del diseño radica en que el ángulo de ataque varía a medida que la turbina gira, por lo que cada pala genera su par máximo en dos puntos de su ciclo (parte delantera y trasera de la turbina). Esto da lugar a un ciclo de potencia sinusoidal (pulsante) que complica el diseño. En particular, casi todas las turbinas Darrieus presentan modos resonantes en los que, a una velocidad de rotación determinada, la pulsación se produce a una frecuencia natural de las palas que puede provocar su rotura (eventual). Por este motivo, la mayoría de las turbinas Darrieus incorporan frenos mecánicos u otros dispositivos de control de velocidad para evitar que la turbina gire a estas velocidades durante periodos prolongados.

Otro problema surge porque la mayor parte de la masa del mecanismo giratorio se concentra en la periferia, en lugar de en el centro, como ocurre con una hélice. Esto genera tensiones centrífugas muy elevadas en el mecanismo, que debe ser más resistente y pesado para soportarlas. Una solución común para minimizar este efecto consiste en curvar las aspas dándoles forma de batidora (denominada « troposkein », término griego que significa «cuerda hilada»), de modo que sean autoportantes y no requieran soportes ni fijaciones tan pesadas. Véase la 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 concentra en las palas que ejercen torsión 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 la flexión de las palas hacia afuera (que intentan "comprimir" la torre) y la fuerza del viento que intenta derribar toda la turbina; la mitad de esta fuerza se transmite a la parte inferior y la otra mitad puede contrarrestarse fácilmente con cables de sujeción .

En cambio, en un diseño convencional, toda la fuerza del viento intenta derribar la torre en la parte superior, donde se ubica el cojinete principal. Además, no es fácil utilizar cables de sujeción para contrarrestar esta carga, ya que 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 robusta que aumenta considerablemente de tamaño con la hélice. Los diseños modernos pueden compensar la mayor parte de las cargas de la torre, incluso con una velocidad y paso variables.

En comparación general, si bien el diseño Darrieus presenta algunas ventajas, también tiene muchas más desventajas, especialmente en aerogeneradores de mayor potencia (clase MW). El diseño Darrieus utiliza materiales mucho más costosos en las palas, y la mayor parte de estas se encuentra demasiado cerca del suelo para generar potencia real. Los diseños tradicionales asumen que la punta del ala se encuentra al menos a 40 m del suelo en su punto más bajo para maximizar la producción de energía y la vida útil. Hasta el momento, no se conoce ningún material (ni siquiera la fibra de carbono ) que pueda cumplir con los requisitos de carga cíclica.

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 largas palas de "batidora de huevos" del diseño común de Darrieus se reemplazan por 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 manera que siempre tengan un cierto 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 se acerca al máximo posible, lo que significa que el sistema también genera más potencia. La cicloturbina también tiene la ventaja de poder autoarrancarse, inclinando la pala que se mueve a favor del viento hasta que quede plana con respecto al viento para generar resistencia y hacer girar la turbina a baja velocidad. Como desventaja, el mecanismo de inclinación de las palas es complejo y generalmente pesado, y es necesario añadir algún tipo de sensor de dirección del viento para inclinar las palas correctamente.

Las autocicloturbinas representan un perfeccionamiento adicional en el que el ángulo de inclinación de cada pala se ajusta de forma pasiva y continua en respuesta a las variaciones de velocidad y dirección del viento, sin necesidad de enlaces mecánicos, sensores ni control informático. Las fuerzas aerodinámicas e inerciales sobre la pala hacen que esta alcance automáticamente un ángulo de ataque de equilibrio a medida que cambian las condiciones del viento. En efecto, cada pala regula de forma independiente su propio ángulo de inclinación equilibrando el par aerodinámico y las fuerzas restauradoras, adaptándose instantáneamente a las ráfagas transitorias o a los cambios de dirección. Según la descripción de la cicloturbina Sharp, las palas se comportan como péndulos centrífugos, de modo que las fuerzas aerodinámicas tienden a aumentar el ángulo de inclinación y las fuerzas restauradoras centrífugas se oponen a ello, estableciendo un ángulo de inclinación dinámicamente estable durante toda la rotación. ^{[ 6 ]}

Este comportamiento de autoajuste elimina la necesidad de sensores o motores y reduce la complejidad mecánica, aunque su rendimiento práctico depende de un cuidadoso equilibrio de masas y características aerodinámicas. (Para más información y comentarios de usuarios sobre las “autocicloturbinas”, consulte el sitio web del Foro de Energía Alternativa. ^{[ 7 ]} )

Las palas de una turbina Darrieus pueden estar inclinadas formando una hélice; por ejemplo, tres palas con 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 hace girar cada pala tanto a barlovento como a sotavento, esta característica distribuye el par de torsión de manera uniforme a lo largo de toda la revolución, evitando así pulsaciones destructivas. Este diseño es utilizado por las marcas de turbinas eólicas Turby , Urban Green Energy , Enessere , Aerotecture y Quiet Revolution .

La velocidad relativa genera una fuerza sobre la pala. Esta fuerza se puede descomponer en una fuerza axial y una fuerza normal (Fig. 5). En el caso de una turbina Darrieus, la fuerza axial asociada al radio genera un par de torsión, y la fuerza normal genera en el brazo una tensión que, alternativamente, por cada media vuelta, es de compresión y otra de extensión. Con un sistema de biela-manivela (Fig. 6), el principio de la turbina de sustentación activa consiste en transformar esta restricción alternativa en una recuperación de energía adicional. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

• Patente estadounidense 1.835.018
• Comunicado de prensa de la Universidad de Cranfield sobre una turbina eólica de eje vertical de configuración novedosa para la generación de energía en alta mar.
• Breve introducción a la teoría de las turbinas eólicas Darrieus.