CONTENIDO INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 2 OBJETIVOS ..................................................................................................................................... 3 OBJETIVO GENERAL. .................................................................................................................. 3 OBJETIVO ESPECIFICOS.............................................................................................................. 3 FUNDAMENTO TEORICO ............................................................................................................... 4 HISTORIA ................................................................................................................................... 4 CONCEPTO................................................................................................................................. 4 DEFINICIÓN................................................................................................................................ 5 TURBINAS DE EJE VERTICAL................................................................................................... 5 ROTOR DARRIEUS .................................................................................................................. 5 IMPORTANCIA ........................................................................................................................... 6 COMPONENTES ......................................................................................................................... 6 PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO ........................................................................................... 7 TIPOS DE AEROGENERADORES DARRIEUS ................................................................................ 8 AEROGENERADOR CON ROTOR DARRIEUS ........................................................................... 8 AEROGENERADOR CON ROTOR GIROMILL TIPO H ............................................................... 9 AEROGENERADOR TIPO HELICOIDAL .................................................................................. 10 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS AEROGENERADORES DARRIEUS ...................................... 11 VENTAJAS ............................................................................................................................ 11 DESVENTAJAS ...................................................................................................................... 12 USOS Y APLICACIONES ............................................................................................................ 12 CALCULOS JUSTIFICATIVOS ..................................................................................................... 13 PARAMETROS PARA SELECCIONAR ..................................................................................... 14 ANALISIS AERODINAMICOS DEL AEROGENERADOR MEDIANTE SOFWARE........................ 20 EFICIENCIA DE AEROGENERADORES DARRIEUS .......... Ошибка! Закладка не определена. PROVEEDORES Y VENTAS ........................................................................................................ 23 CATALOGOS ............................................................................................................................. 23 AVANCES EN LA TECNOLOGIA ................................................................................................. 23 CONCLUSIONES ....................................................................................................................... 24 RECOMENDACIONES ............................................................................................................... 24 ANEXOS ................................................................................................................................... 25 INTRODUCCIÓN Debido poco desarrollo que existe en las turbinas de viento de eje vertical del tipo Darrieus y las ventajas que se encontraron en comparación con los otros modelos de aerogeneradores se mostrara cuáles son los parámetros para diseñar un aerogenerador de eje vertical de este tipo. En esta presentación se muestra paso a paso cómo se diseña cada componente y cuáles son todos los factores que deben ser tenidos en cuenta para maximizar el rendimiento de este aerogenerador Darrieus, se debe tener en cuenta que el análisis realizado es teórico ya que existen métodos de análisis computacional que permiten el estudio de los perfiles aerodinámicos y su comportamiento con respecto a las fuerzas de arrastre y sustentación dando como resultados l variación de los coeficientes de arrastre y sustentación. 2 OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL. Comprender los principios fundamentales del funcionamiento y tipos de estos aerogeneradores Darrieus, así como los parámetros que rigen su diseño y funcionamiento. OBJETIVO ESPECIFICOS. i. Proporcionar una visión del desarrollo de la elección del perfil aerodinámico de las palas para un aerogenerador Darrius con rotor Geromill, así como su elección a través de la nomenclatura NACA. ii. Conocer la interacción aerodinámica entre el aerogenerador vertical y el flujo del aire a través de la dinámica de flujo computacional mediante una visión general. 3 FUNDAMENTO TEORICO HISTORIA Este fue inventado por el ingeniero francés: George Jeans Mary Darrieus en 1931 en Estados Unidos. Su patente incluye dos tipos de rotores: el de palas curvas (Figura izquierda) y palas rectas (Figura centro) como se observa en la figura. Por sus características y condiciones de trabajo lo convierten en un rotor óptimo para la generación de energía a pequeña escala, a un bajo costo de instalación y mantenimiento relativamente fácil. Los rotores Darrieus de palas helicoidales (Figura derecha) son una variante del de palas rectas, pero con la ventaja de captar mejor el viento a comparación del de palas rectas debido a la curvatura que presenta álabe. ROTORES DARRIUS Figura 1. Sutherland pg.80 ed. 2005 CONCEPTO Estas turbinas basan su movimiento en la fuerza de sustentación que provoca el fluido, y sus álabes tienen forma de perfiles alares. Existen múltiples configuraciones para la disposición de sus álabes. En teoría estas turbinas pueden llegar a eficiencias y velocidad elevadas, acercándose al límite de Benz. Entre 1979 y 1980 se probaron múltiples diseños, pero debido a fallas por fatiga no tuvieron éxito. Actualmente, debido a nuevos materiales que otorgan mejores propiedades mecánicas, se han construido modelos capaces de resistir las cargas por fatiga confiablemente. Además, el avance en la simulación computacional ha producido un renacimiento en la investigación de este tipo de turbinas. 4 DEFINICIÓN TURBINAS DE EJE VERTICAL Son aquellas en las que el eje de rotación se encuentra perpendicular al suelo también denominadas VAWT (por sus siglas en inglés, Vertical Axis Wind Turbine). La característica principal de los molinos de eje vertical es que no requieren sistemas de orientación lo que evita complejos mecanismos de direccionamiento y elimina los esfuerzos a que se ven sometidas las palas ante cambios de orientación del rotor. Por su disposición permite colocar los sistemas de conversión prácticamente a nivel de suelo, evitando pesadas cargas en las torres, como ocurre en los de eje horizontal; pero esto trae la desventaja de que las velocidades del viento son menores que si estuvieran situados en altura. ROTOR DARRIEUS Son actualmente los principales competidores de los de eje horizontal de palas aerodinámicas para la generación de electricidad. La fuerza dominante es la de sustentación, y sus palas se diseñan utilizando perfiles aerodinámicos. Tienen un par de arranque prácticamente nulo, pero entregan potencias altas al encontrarse en régimen y pueden lograr altas velocidades de giro. Una de sus principales ventajas, además de no requerir sistema de orientación, es que el generador eléctrico puede estar montado a nivel del suelo disminuyendo así las cargas en las torres. Se muestra el modelo en la figura 2. ROTOR DARRIEUS TIPO H DE TRES PALAS Figura 2. Sutherland pg.85 ed. 2005 5 IMPORTANCIA A pesar de la eficiencia de estos modelos es más baja que los de eje horizontal, pero son más apropiadas para áreas urbanizadas por dos razones principales; en primer lugar, son bastante más silenciosas que las de eje horizontal; y también, dado que giran a velocidades menores, son menos peligrosas y pueden ser compatibles y versátiles con otras aplicaciones a menor escala como los sistemas híbridos eólico y fotovoltaicos. COMPONENTES a) ASPAS: Las palas son finas, con forma de ala de avión simétricas, que están unidas al eje sólo por los dos extremos, con una curva especial diseñada para un máximo rendimiento entre las dos uniones del eje. b) GENERADOR SÍNCRONO: También denominadas alternadores, estas máquinas son ampliamente utilizadas en la generación de electricidad por la facilidad de manejar la magnitud y el tipo de potencia que se suministra a la red, modificando la corriente de campo. c) ENGRANAJE: Es el encargado de transportar y adecuar la energía del rotor a la carga de trabajo del generador. d) MÁSTIL: Elemento estructural que soporta el peso de los elementos mecánicos del aerogenerador y las acciones exteriores. Su función es transmitir los esfuerzos a la cimentación. e) MOTOR DE ARRANQUE: Equipo instalado en el aerogenerador, el cual permite darle el primer impulso a las aspas. f) ANEMÓMETRO: Dispone de cazoletas o hélices unidas al eje central, cuyo giro es proporcional a la velocidad del viento y se queda registrado. g) COJINETE: Elemento que transmite las tensiones de las palas a la estructura. h) SENSOR DE VIBRACIONES: Elemento que evita vibraciones no deseadas producidas por altas velocidades y el impulso del flujo del viento. i) FRENO: El aerogenerador contiene frenos para parar rápidamente el rotor y todas las partes de generación de energía, pues un retardo o fallo en el sistema de frenado puede ser fatal para la integridad de la máquina y poner en peligro la vida de los operarios. COMPONENTES DEL AEROGENERADOR DARRIEUS DE PALAS CURVAS 6 Figura 3. https://www.acciona.com/es/energias-renovables/energia-eolica/ PRINCIPIOS DE FUNCIONAMIENTO Un aerogenerador Darrieus es un tipo de generador de turbina eólica de eje vertical (VAWT) tipo elevador. En lugar de recoger el viento en copas que arrastran la turbina, un Darrieus usa las fuerzas de elevación generadas por el viento que golpea los aerodeslizadores para crear rotación. El diseño de la pala vertical (VAWT) permite que la turbina funcione sin importar la dirección del viento o la turbulencia así los alerones del Darrieus experimenten una fuerte fuerza centrífuga. Al trabajar en pura tensión y hace que los alerones sean simples y económicos. El sistema de funcionamiento contiene un rotor. Este rotor presenta el problema que no puede arrancar por sí mismo, teniendo que emplearse un sistema de arranque secundario, aunque una vez en marcha es capaz de mantenerse gracias a su aerodinámica y diseño de sus palas. Normalmente se instala un generador de inducción conectado a la red. Una vez que el Darrieus se encuentra en velocidad de operación empieza a otorgar potencia. Este tipo de generador es simple, robusto y barato respecto a los otros tipos utilizados en generación eólica. DIAGRAMA DE CUERPO LIBRE DE LAS ALETAS DE UN PERFIL DE AEROGENERADOR 7 DARRIEUS TIPO H Figura 4. Tesis/Diseño y construcción de un prototipo de aerogenerador de eje vertical de baja potencia/Oscar Vivan OB/Pg.20. TIPOS DE AEROGENERADORES DARRIEUS AEROGENERADOR CON ROTOR DARRIEUS Son turbinas bastante simples y de bajo costo, constituidas por 2 palas en forma de hojas delgadas, unidas al eje en los extremos con una curva diseñada para optimizar el rendimiento. El diseño de las palas es simétrico y similar a las alas de un avión, el modelo de curva utilizado para la unión de las palas entre los extremos del rotor es el de Troposkien, aunque puede utilizarse también catenarias. Evita la necesidad de diseños complejos en las palas como los necesarios en los generadores de eje horizontal, pero necesita de un sistema externo de arranque. No requieren de sistemas de direccionamiento y comienzan a funcionar con velocidades de viento de 2 m/s. El generador darrieus más grande del mundo es de 4MW de potencia. Con una altura de 42 metros. Se encuentra en Canadá. Costos 8 Estos sistemas tienen costos de inversion entre 3000 y 10000 USD/KW,con costos de operación entre 8 a 40USD/KW/año.con un rango promedio del costo de la energia es de 24,5 a 49,9 centavos por KWh. Figura 5. Paper/Diseño y modelamiento de un aerogenerador Vawt Darrieus tipo H/Alan Javier GD/Bogotá/Pg.25 AEROGENERADOR CON ROTOR GIROMILL TIPO H Este tipo de generadores también fueron patentados por G.J.M. Darrieus. Consisten en palas verticales unidas al eje por unos brazos horizontales, que pueden salir por los extremos del aspa e incluso desde su parte central. Las palas verticales cambian su orientación a medida que se produce el giro del rotor para un mayor aprovechamiento de la fuerza del viento. Figura 6. Tesis/Diseño y construcción de un mini aerogenerador de eje vertical/Carolina Espitia/Bogotá/Pg.26 PROTOTIPO INSTALADO EN LA UNIVERSIDAD DE VALLADOLID-ESPAÑA 9 Aerogenerador darrieus VAWT tipo H, conocido como GIMORILL (impulsado por tres perfiles aerodinámicos verticales unidos a un mástil central por soportes horizontales. requiere un motor para que comience a girar. Funciona bien en condiciones de viento turbulento. Pmaxsalida=600w; Ø rotor de alumínio=4 pies Igenerada = 20.8 A ; 24v Vinicio= 3m/s Vnominal=13m/s;VMAX=35m/s. Figura 7. Diseño de un aerogenerador tipo H- Darrieus y estudio del ángulo pitch mediante mecánica de fluidos computacional/Del Rio Sánchez/ Pg.45 AEROGENERADOR TIPO HELICOIDAL La turbina helicoidal en comparación con la turbina de hoja recta ofrece ventajas notables tales como capacidad mejorada de arranque automático, bajo ruido, mayor vida útil de la hoja, bajas vibraciones y reducción de la tensión máxima en las hojas. La capacidad de autoarranque es mejorada. La comparación experimental entre la turbina Darrieus de hoja recta y la turbina helicoidal revela que el pico Cp. de la turbina helicoidal es, de hecho, más bajo que la turbina de hoja. Un impacto negativo es el costo de fabricación de la lámina helicoidal es mayor en comparación con cuchillas rectas La única opción de fabricación de la cuchilla helicoidal es a través de El molde, mientras que las cuchillas rectas se pueden fabricar por extrusión de aluminio. El aumento en el número de cuchillas tiende a reducir la relación de velocidad de la punta de operación (TSR). 10 Figura 8. Articulo/Diseño de un rotor eólico Darrieus Tipo Helicoidal/Pg.37 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS AEROGENERADORES DARRIEUS VENTAJAS 1. Más fácil de mantener porque la mayoría de sus piezas móviles se encuentran cerca del suelo 2. Como las palas del rotor ya están verticales, no se necesita un dispositivo de orientación para mantener el rotor orientado hacia el viento, reduciendo la necesidad de este rodamiento y su coste. 3. Tiene un mayor ángulo de inclinación del perfil aerodinámico, lo que proporciona una mejor aerodinámica al tiempo que reduce la resistencia a bajas y altas presiones. Las mesas, las colinas, las crestas y los pasos pueden tener vientos más altos y más fuertes cerca del suelo que en lo alto, debido al efecto de aceleración (aceleración) de los vientos que se mueven hacia arriba en una pendiente o se canalizan hacia un paso que se combina con los vientos que se mueven directamente hacia el sitio. 4. No necesita una torre independiente, por lo tanto, menos costosa y más fuerte en vientos fuertes que están cerca del suelo. 11 DESVENTAJAS 1. Las turbinas eólicas Darrieus no son de arranque automático. Requieren generalmente alguna fuente de energía externa para comenzar a girar. 2. La torre que sustenta las aspas sufre tensiones apreciables durante el giro de éstas, lo que hace que tengan una fiabilidad deficiente. 3. Utiliza cables de sujeción para mantenerlo en su lugar, ejerciendo tensión en el cojinete inferior, ya que tiene todo el peso del rotor sobre él, lo que lo hace vulnerable a un fácil uso y desgaste. 4. Los alambres unidos al cojinete superior también aumentan el empuje hacia abajo en las ráfagas de viento, lo que reduce la eficiencia de la recolección del viento. USOS Y APLICACIONES 12 CALCULOS JUSTIFICATIVOS POTENCIA DISPONIBLE La potencia es la energía por unidad de tiempo, por lo tanto, en nuestro caso sería la energía cinética de las partículas en movimiento por unidad de tiempo; y entonces se podría calcular la potencia disponible de la siguiente manera: Sabiendo que: POTENCIA CAPTADA La potencia captada va a ser igual a la potencia disponible multiplicada por un factor de potencia (Cp), que tomará los valores máximos presentados en la tabla 1. Estos valores son datos empíricos tabulados a partir de gráficos que fueron obtenidos de experimentos e investigaciones a lo largo de los años. Tabla 1 : Applied Aerodinamices of Wind Power Machines” pg 41 Cada modelo de generador utiliza principios distintos para justificar los valores de los coeficientes de potencia máximos de la tabla anterior. A continuación, se detalla el cálculo del factor de potencia para las turbinas del tipo Darrieus. 13 CALCULO DEL FACTOR DE POTENCIA (CP) En la figura se representan la velocidad del viento, la velocidad tangencial de la pala y la velocidad relativa entre estas dos. A continuación, se calculará la potencia captada por sustentación, ya que este es el principio de funcionamiento de las turbinas Darrieus. Se comienza tomando una sección de la pala de una hélice; entonces la fuerza F que hace girar las palas es: Donde 𝐶𝐿 y 𝐶𝐷 representan los coeficientes adimensionales de lift y drag respectivamente que son particulares de cada perfil alar. 14 Simplificando: Se obtiene el coeficiente de potencia en función de x. Derivando e igualando a cero para obtener el valor máximo de Cp se logra un valor que depende de los coeficientes de lift y drag. Estos coeficientes dependen no solo del perfil aerodinámico, sino también del ángulo de ataque, que a su vez depende de la posición angular de la hélice. Si bien existe un coeficiente de potencia máximo para cada perfil, este valor será de aproximadamente: 𝑪𝒑 𝒎𝒂𝒙≅𝟎,𝟓 FIGURA 8 : AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL VENCAT/Pg.35 15 PARAMETROS PARA SELECCIONAR EL PERFIL DE ALA PERFIL AERODINÁMICO La teoría moderna de perfiles data de 1905, cuando el hidrodinámico ruso N. E. Joukowsky (1847-1921) desarrolló un teorema de la circulación para determinar la sustentación de un perfil de curvatura y espesor arbitrarios. Con esta teoría básica ampliada y desarrollada por Prandtl, Kármán y sus discípulos, es posible diseñar ahora perfiles de baja velocidad que tengan cualquier distribución de presiones sobre la superficie y con las características apropiadas para la capa limite. Hay familias enteras de perfiles, mostradas en la ilustración 10, casi todas desarrolladas en Estados Unidos bajo la tutela de la NACA (ahora NASA). En la ilustración se describe la nomenclatura de un perfil aerodinámico, determinada principalmente por la cuerda, borde de ataque, borde de fuga, espesor y curvatura. NOMENCLATURA NACA Ejemplo: El perfil NACA2415, tiene un 2% de altura máxima de la línea media, situada a un 40% del borde de ataque, con un espesor relativo del 15%. Donde: 1. La primera cifra tiene un significado geométrico, e indica la máxima flecha de la línea media de la cuerda en %, proporcionando la máxima curvatura. 2. La segunda cifra tiene un significado geométrico, e indica su posición, es decir, la distancia desde el borde de ataque hasta la posición de la máxima flecha de la línea media o máxima curvatura. 3. Las dos últimas cifras indican el espesor relativo máximo del perfil en % 4. respecto a la cuerda. 16 PARAMETROS AERDINAMICOS VARIACIÓN DE LA SUSTENTACIÓN Y LA RESISTENCIA SUSTENTACIÓN El coeficiente de sustentación CL, crece en forma aproximadamente lineal con el ángulo de ataque hasta un valor máximo, a partir del cual cae abruptamente. En esta última situación, el perfil entra en pérdida dejando de sustentar. La pérdida se produce debido al desprendimiento de la capa límite en el extradós del perfil, como consecuencia del gradiente de presión adverso existente más allá del punto de máximo espesor. Por esta razón, es importante que la forma de los perfiles aerodinámicos, tengan un gradiente de presión reducido. De este modo, el desprendimiento de la vena fluida ocurre en la parte posterior del perfil, próximo al borde de fuga, y entonces la sustentación se mantiene elevada por más tiempo. FUERZAS ATUANTES EN EL PERFIL AERODINAMICO FIGURA 9 : AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL VENCAT/Pg.36 RESISTENCIA Las propiedades deseables de los perfiles son: elevada sustentación y baja resistencia. El parámetro usado para medir la calidad del perfil es CL/CD y en especial interesa el valor (CL/CD)máx. que puede alcanzar al variar el ángulo de ataque. El coeficiente de resistencia CD, por su parte, tiene un valor bajo para pequeños ángulos de ataque y aumenta en forma aproximadamente parabólica hasta la pérdida 17 INFLUENCIA DEL NUMERO DE REYNOLDS Los coeficientes aerodinámicos dependen del número de Reynolds. Los ensayos experimentales han sido realizados para aplicaciones aeronáuticas con elevados números de Reynolds y estos no son directamente aplicables a las turbinas eólicas, debido a las bajas velocidades de rotación de sus hélices. Para algunos perfiles, existen datos a bajos números de Reynolds provenientes de aplicaciones en aeromodelismo. Entonces se debe calcular el número de Reynolds para determinar el tipo de flujo que se tiene en esta turbina y así poder utilizar los coeficientes de sustentación y arrastre correspondientes. Este número adimensional se calcula con la ecuación: COMPORTAMIENTOS DEL FLUJO DE AIRE A LO LARGO DEL PERFIL ALAR 18 ELECCIÓN DEL PERFIL AERODINÁMICO 1. Para las turbinas eólicas se sugieren aquellos perfiles para los cuales el coeficiente CL alcanza su valor máximo en forma suave, evitando los que tienen picos agudos de CL en función de α, en los cuales la abrupta caída de la sustentación puede producir fuertes vibraciones. Estos perfiles son denominados “perfiles turbulentos”, ya que, para la incidencia de flujos turbulentos, el desprendimiento de la capa límite se produce con ángulos de ataque mayores que los que puede soportar un perfil laminar. 2. La elección del perfil aerodinámico para hélices de aerogeneradores se inicia seleccionando aquellos que poseen un elevado coeficiente de sustentación y simultáneamente un bajo coeficiente de resistencia. Esto normalmente se obtiene tomando aquellos perfiles que poseen altos valores de la relación sustentación sobre resistencia; CL/CD. También se deberán considerar otras propiedades relacionadas con la forma en que estos coeficientes varían con la variación en el ángulo de ataque. 3. tener en cuenta que los perfiles denominados laminares presentan muy buenos comportamientos al trabajar dentro de flujos laminares debido a que logran un desprendimiento de la capa límite muy alejado al borde de ataque. El inconveniente es que tienen un muy mal rendimiento para trabajar dentro de regímenes turbulentos, siendo esta la situación más común a la que se ven expuestos este tipo de aerogeneradores por encontrarse a bajas alturas. Bajo esta premisa se decidió descartarlos y enfocar la selección dentro del grupo de perfiles turbulentos. 4. Los perfiles denominados turbulentos tienen un rendimiento menor que los laminares cuando ambos trabajan dentro de un régimen laminar, pero si se los compara trabajando dentro de un flujo turbulento, los perfiles turbulentos logran un desprendimiento de la capa límite más alejado del borde, lo que se refleja en un CL mayor. 19 CURVAS DE PERFILES AERODINAMICOS FIGURA 10 : AEROGENERADORES DE EJE VERTICAL VENCAT/Pg.70 INFLUNECIA DE NUMERO DE REYNOLDS 20 ANALISIS AERODINAMICOS DEL AEROGENERADOR MEDIANTE SOFWARE 21 22 PROVEEDORES Y VENTAS CATALOGOS AVANCES EN LA TECNOLOGIA 23 CONCLUSIONES En el presente trabajo se explicó un panorama general del aerogenerador Darrieus, así como los diferentes prototipos basándose el mismo principio de la patente, las partes con las que cuenta. Luego de haber realizado el estudio del aerogenerador Darrieus y el comportamiento aerodinámico de sus alerones concluimos que se basan en la fuerza de sustentación presentan mayor rendimiento que los aerogeneradores de arrastre siendo el Darrieus y el de 3 palas de mayor rendimiento RECOMENDACIONES 24 Debido al crecimiento de los parques eólicos marinos, se pueden realizar pruebas con los prototipos darrieus dado que pueden soportar presión y cambios de dirección. ANEXOS 25 ESPECIFICACIONES DE AEROGENERADOR DE EJE VERTICAL VISTA SUPERIOR DE LAS FUERZAS EN UNA HOJA DE DARRIEUS A LO LARGO DE 360 ° DE ROTACIÓN. La flecha doble; representa la velocidad del aire en relación con el suelo. La flecha roja; velocidad del perfil aerodinámico en relación a su eje. Flecha negra resultante de la velocidad del aire en relación con la superficie aerodinámica. El angulo (α) ; tambien denominado angulo de ataque. 26 27 CUADRO COMPARATIVO CON LOS DIFERENTES TIPOS DE AEROGENERADORES 28 ALTERNADOR DE IMANES PERMANENTES Los imanes están montados en el rotor o también llamada armadura Cada imán tiene dos polos, norte (N) y sur (S). Los imanes se orientan en el rotor para que los polos queden alternando N-S-N-S. https://blogs.publico.es/ignacio-martil/2018/05/04/energia-eolica-lider-de-lastecnologias-renovables-modernas/ 29
