John Yan, China, sawt.com

La mayoría de las turbinas eólicas se clasifican en una de dos categorías generales: eje horizontal y eje vertical. Cada uno se puede dividir en turbinas eólicas pequeñas y grandes.

Las turbinas eólicas se pueden clasificar como a escala de utilidad y pequeña escala y luego en versiones de eje horizontal (HAWTs) y eje vertical (VAWTs).

La tecnología para aerogeneradores de eje horizontal tradicionales (HAWTs) ha estado en desarrollo durante más de cien años. Esta tecnología incluye cuchillas y su fabricación, cajas de engranajes y su tecnología de fabricación, dispositivos de ángulo de inclinación y su tecnología, y así sucesivamente. Las tecnologías son muy maduras. La Ley de Betz, que define la cantidad máxima de energía que un HAWT puede extraer del viento, se basa en un solo disco (el rotor) que se mueve en un espacio bidimensional.

Algunos componentes en una turbina eólica convencional.

1. Turbinas eólicas de eje vertical pequeño

Las turbinas eólicas de eje vertical pequeño difieren en gran medida del eje vertical medio al eje vertical grande ?? turbinas eólicas porque la fuerza motriz y la dirección de una cuchilla son diferentes cuando una cuchilla gira. En alguna posición, la fuerza de la cuchilla es grande y la dirección es positiva. En algunas posiciones, la fuerza impulsora será menor y también positiva. Pero en otras posiciones, la fuerza motriz y la dirección son negativas, grandes y pequeñas. Además, a medida que el diámetro del rotor se hace más grande, las fuerzas negativas se hacen más grandes. Por lo tanto, si el diámetro del rotor se hace más grande, el ángulo (inclinación) de la cuchilla tiene que ser ajustable en tiempo real. Esto se denomina tecnología de «regulación de ángulo de ataque en tiempo real».

1.1 La mayoría de las turbinas eólicas de eje vertical actuales tienen tres problemas principales:

1. Rendimiento de baja generación de energía
2. Trabajan en un rango estrecho de velocidades del viento y frenan con frecuencia, lo que reduce su potencia

La galería muestra la amplia gama de eje vertical diseños.

1.2 Solución de los tres problemas

El SAWT, un diseño de eje vertical, resuelve los tres problemas técnicos en la industria de turbinas eólicas de eje vertical. Un diseñador ha producido un pequeño aerogenerador vertical que vendió más de 4.000 unidades en unos 60 países desde 2007 y utilizó patentes para establecer barreras técnicas.

1.3 Cómo diseñar una buena turbina eólica de eje vertical pequeña

1.3.1 Aunque es diferente de un HAWT, la tecnología principal de un VAWT sigue siendo una estructura de molino de viento con palas. Después de elegir un perfil aerodinámico, es necesario calcular una orientación, ángulo, ancho y cantidad cóncavos porque cada uno de estos factores determina el rendimiento de la VAWT.
Así que un primer paso es elegir un perfil aerodinámico de baja velocidad. Un segundo paso coloca la orientación cóncava hacia el exterior, un tercer paso elige un ángulo de hoja pequeño (8° funciona bien) y un ancho de hoja adecuado. La mejor cantidad de cuchillas es de cinco. Y entonces el método de conexión de la cuchilla es importante. Lo mejor es usar una estructura de zócalo para una fácil instalación y reducir las fuerzas de arrastre. Estos factores determinan el rendimiento de generación de energía de la VAWT.
1.3.2 Una turbina HAWT debe guiñar − redirigirse al viento-pero la VAWT no necesita. Por lo tanto, la musa de VAWTs usa la «regulación del ángulo de ataque de tono positivo». Esta característica utiliza la fuerza centrífuga para controlar el ángulo de la cuchilla cuando la velocidad de rotación excede la velocidad nominal.

1.3.3 Un buen molino de viento de eje vertical debe permanecer estable cuando lo está girando. Si no, la turbina «sacudirá la cabeza» cuando el rotor gire. Esto reducirá la vida útil de la turbina y causará otros problemas, como ruido y desgaste mecánico. Por lo tanto, la mejor solución es utilizar una estructura coaxial para el molino de viento y el generador. La disposición coaxial del molino de viento y el generador garantiza un sello confiable, seguridad y estabilidad, libre de ruido mecánico, un rodamiento razonable para el molino de viento y una larga vida útil.1.3.4 Los aerogeneradores pueden sufrir daños cuando la velocidad del viento supera los 25 m / s. Por lo tanto, el aerogenerador de eje vertical necesita un sistema de frenos automático. A medida que un aerogenerador comienza a frenar, debe superar la inercia de rotación y la fuerza motriz del viento. Por lo tanto, un buen diseño calcula el par en el rotor a la velocidad del viento de supervivencia y elige un freno de disco adecuado para esa cantidad de energía.

2. Medium & tecnologías de VAWT grandes

Aunque muchos otros fabricantes de turbinas están desarrollando VAWT medianas y grandes, han adoptado el enfoque de diseño de VAWT pequeñas simplemente ampliando proporcionalmente una turbina pequeña para convertirse en una»VAWT mediana o grande». No entienden realmente las características de una VAWT.

Es bien sabido que una VAWT es silenciosa, segura y no necesita una torre alta. Sin embargo, a pesar de los esfuerzos de un sinnúmero de ingenieros, apenas se han lanzado grandes VAWT comercializadas. Las razones son obvias: los problemas de eficiencia aerodinámica, arranque automático, estabilidad estructural y frenado seguro siguen sin resolverse. Los problemas tienen que resolverse para cualquier tipo de turbina eólica.

Estos tres problemas se resuelven con las tecnologías de» regulación activa del ángulo de ataque de paso en tiempo real «y» Eje de estructura de armadura».

2.1 Tecnología de «Regulación activa del ángulo de ataque de tono en tiempo real»

El núcleo de esta tecnología es ajustar los ángulos de las palas en una turbina giratoria. El dispositivo se probó en una VAWT de 1 m de alto x 1,36 m de ancho en un túnel de viento a una velocidad de viento de 2 m/s. El par medido fue de 0,9 a 1 Nm a 44 rpm. La tasa de conversión de energía eólica a energía mecánica alcanza el 68%, superando el límite del 59,3% establecido por la Ley Betz. Esto no quiere decir que la ley Betz esté equivocada. En esta teoría, un HAWT utiliza un solo disco que gira en un espacio bidimensional, mientras que el VAWT es una rotación de disco múltiple en un espacio tridimensional. Esto hace que la VAWT sea equivalente a dos HAWTs.

Las pruebas en túnel de viento mostraron un par útil a vientos de 2 m / s.

2.2 Estructura de armadura para el eje principal de una VAWT grande

El momento de flexión en el molino de viento puede ser extremadamente grande cuando el diámetro del rotor es lo suficientemente grande. Eso significa que el eje principal debe tener un diámetro grande y fuerte, lo que dificulta la comercialización. Nuestra solución utiliza una armadura hueca como eje principal en el interior porque la estructura de la armadura es fuerte y relativamente ligera, cumpliendo con los requisitos para el eje principal en VAWTs medianas y grandes, así como la demanda de comercialización.

El potencial del viento: el principio de Bernoulli aplicado a los veleros

El Vestas Sailrocket 2 estableció un récord mundial de veleros en Walvis Bay de Namibia en 2012. La nave alcanzó 64,78 nudos (119).95 km / h) con un viento de solo 25 nudos (46,3 km/h). Su velocidad media de navegación alcanzó los 59,23 nudos (109,65 km/h) en un canal recto de 500 metros. Este velero fue propulsado por la fuerza de elevación resultante del principio de Bernoulli.

3.1 Problemas con los diseños tradicionales

Algunos argumentarán que los puntos débiles de la industria de turbinas eólicas tradicionales incluyen:

• A menudo un alto costo de generación de energía que la energía tradicional
• La fabricación es compleja
• Las piezas grandes son difíciles de transportar
• Una base que requiere un gran volumen de concreto y barras de refuerzo.
• La instalación requiere grúas complejas y costosas
• Contaminación acústica
• Daños al ecosistema
• La contaminación química es posible
• El alto voltaje genera radiación e interferencia electromagnética

Una solución: La Súper Turbina y cómo funciona

Durante diez años de R & D en la industria de VAWT ha dado lugar a la Súper Turbina, un tipo de gran turbina eólica. La Súper turbina, desarrollada en 2014, tiene bajos costos de generación de energía y fácil instalación y mantenimiento. En su núcleo se encuentra una extensión de la tecnología de» regulación activa del ángulo de ataque de tono en tiempo real » que ha sido verificada por experimentos. Creemos que podría liderar una revolución en la gran industria actual de turbinas eólicas.

La imagen superior muestra un diseño general para una Súper Turbina. Las imágenes inferiores proporcionan detalles.

• Para producir energía, cientos de palas se mueven a lo largo de una pista mediante fuerzas de elevación y se transmiten a través de una cadena para impulsar cientos de generadores fijados en la pista circular.
• La tecnología activa de regulación del ángulo de inclinación en tiempo real supervisa la dirección del viento, la velocidad y la posición de cada hoja en la pista. A continuación, ajusta los ángulos de las cuchillas para obtener la máxima fuerza de elevación. De esta manera, la Súper turbina puede mejorar la tasa de conversión de energía eólica y permitir la generación de alta potencia.
• Se puede diseñar una sola Súper turbina para adaptarse a las condiciones de un parque eólico y a los requisitos del cliente. Una turbina puede dimensionarse de 7 a 50 MW.

3.3 Las tecnologías verificadas mediante pruebas de túnel de viento

El diseño es una extensión y una aplicación adicional de la tecnología de» regulación activa del ángulo de ataque en tiempo real». En una órbita circular, impulsada por el viento, las palas en diferentes lugares producirán la fuerza motriz con diferente magnitud y dirección.
Una pista modificada tiene ventajas adicionales. Por ejemplo, cuando la fuerza motriz es mayor, corte la vía circular en esta ubicación y extiéndala en una línea recta, que es un prototipo de super turbina. Como un velero, es más rápido en línea recta.

Una súper turbina podría diseñarse de forma redonda, larga o incluso triangular, pero el radio de giro es el mismo según las condiciones de tierra y viento.

Un par de detalles adicionales para el diseño.

3.4 Características de Super Turbine

El diseño utiliza tecnologías maduras actuales para todas las piezas. Los componentes principales incluyen:

3.6 Costos de equipo más bajos

• Super Turbine utiliza tecnologías actuales y maduras, como las de control de movimiento, hidráulica, orugas y potencia de movimiento. Por lo tanto, será fácil de fabricar.
• El costo total de un usuario de Super Turbina de 40 MW es de 15 millones de dólares, o 0,38 dólares por vatio.

título