La tecnología eólica está creciendo día a día. Las turbinas eólicas marinas actuales pueden elevarse más de 200 metros, y sus aspas giratorias producen hasta 8 MW cada una, lo suficiente para suministrar energía a 4.000 hogares promedio en Estados Unidos.
Pero el aumento de su tamaño conlleva un reto. Frente a la costa este, donde se encuentran las turbinas marinas en Estados Unidos, los huracanes atlánticos, cada vez más potentes, suponen un riesgo para las propias estructuras y para el futuro de la energía eólica. Para hacer que esas turbinas sean más resistentes a los huracanes, un equipo de investigadores de la Universidad de California en Boulder está tomando ejemplo de la naturaleza y dándole la vuelta a la turbina.
Nos inspiramos en las palmeras, que pueden sobrevivir a las condiciones de los huracanes.
Lucy Pao, catedrática del Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética.
Las turbinas tradicionales orientadas a barlovento están orientadas hacia el viento entrante y, para evitar que se estrellen contra la torre, sus palas deben ser lo suficientemente rígidas. Se necesita mucho material para construir estas palas relativamente gruesas y macizas, lo que aumenta su coste.
En cambio, las palas de los rotores a favor del viento están orientadas en sentido contrario, por lo que hay menos riesgo de que choquen con la torre cuando se levantan los vientos. Esto significa que pueden ser más ligeras y flexibles, lo que requiere menos material y, por tanto, menos dinero para su fabricación.
Además, estas palas a favor del viento pueden doblarse en lugar de romperse ante los fuertes vientos, como las palmeras.
A lo largo de los últimos seis años, el equipo de Pao, junto con colaboradores de la Universidad de Virginia, la Universidad de Texas en Dallas, la Escuela de Minas de Colorado y el Laboratorio Nacional de Energías Renovables, ha colaborado en el desarrollo de la turbina SUMR (Segmented Ultralight Morphing Rotor), un rotor de dos palas a favor del viento para probar el rendimiento de este concepto ligero en acción.
El 10 de junio, en la Conferencia Americana de Control, los investigadores de la Universidad de California presentaron los resultados de un nuevo estudio de cuatro años de datos reales de pruebas de su demostrador de 53,38 kilovatios (SUMR-D) en el Campus Flatirons del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), al sur de Boulder (Colorado).
Comprobaron que su turbina funcionaba de forma consistente y eficiente durante los periodos de ráfagas de viento máximas, un resultado satisfactorio.
Las palas están fabricadas para ser ligeras y muy flexibles, de modo que puedan alinearse con las cargas de viento. Así podemos reducir el coste de las palas y abaratar el coste de la energía.
Mandar Phadnis, autor principal del estudio.
Este innovador trabajo no podría llegar en mejor momento. El cambio climático y sus efectos no sólo exige que ampliemos rápidamente las energías renovables más rentables y fiables, sino que el aumento de las temperaturas globales también puede provocar la intensificación de los huracanes.
Se prevé que este año la actividad de los huracanes en el Atlántico sea superior a la media, y el Centro de Predicción del Clima de la NOAA estima que habrá hasta seis huracanes importantes con vientos de 111 mph o superiores entre el 1 de junio y el 30 de noviembre.
El cerebro oculto de una turbina.
Uno de los elementos más complicados de la generación de energía eólica es lidiar con la falta o el exceso de viento a la vez. Cuando la velocidad del viento es demasiado baja, una turbina no puede producir una cantidad útil de energía. Cuando las ráfagas son demasiado rápidas, pueden sobrepasar los límites de la capacidad de la turbina, haciendo que se apague para evitar una sobrecarga del sistema.
La inconsistencia de la velocidad del viento ha sido un problema para la energía eólica desde sus inicios; el tiempo que se pierde al apagar el sistema hace que se genere menos energía y que la producción sea menos eficiente.
La clave de las aportaciones innovadoras de Pao son las mejoras en el controlador, la parte de la turbina que determina cuándo debe ser más o menos agresiva en la producción de energía.
Nos gusta pensar que el controlador es básicamente el cerebro del sistema.
Pao, autor principal del estudio.
Este cerebro oculto pretende producir energía eólica eficiente a bajo coste y con poco desgaste. El controlador de retroalimentación lo hace utilizando mediciones de cómo funciona el sistema y ajustándolo para mejorar su rendimiento.
El controlador se asegura de que la turbina esté orientada en la dirección correcta, el controlador de inclinación de las palas determina la dirección de éstas (en función de la velocidad del viento) y el controlador de par del generador decide cuánta energía se extrae de la turbina y se envía a la red. Aunque controla los componentes físicos de la turbina, estos controladores son esencialmente un algoritmo de software que indica a los motores lo que deben hacer.
El grupo de Pao no sólo gira la turbina para reducir los daños causados por los vientos fuertes, sino que trabaja entre bastidores en su software para maximizar la capacidad del sistema de seguir funcionando durante los picos de viento.
Nuestro trabajo trata de predecir la probabilidad de que se produzcan picos de viento y, a continuación, intenta mitigar los picos de velocidad actuando antes de que se produzcan.
Mandar Phadnis
Aunque es posible que las turbinas de viento descendente o de dos palas como la SUMR-D no lleguen a dominar el sector de la energía eólica, al realizar estas pruebas de varios años en el mundo real, los investigadores pueden comprender mejor lo que podría ser posible.
Los algoritmos de control que han desarrollado también podrían aplicarse a las turbinas tradicionales de tres palas y viento arriba, que siguen dominando los mercados terrestres y marítimos.
El grupo de Pao ya está abordando estas grandes alturas: Con sus colaboradores, han diseñado y modelado (pero no probado experimentalmente) turbinas SUMR (a favor del viento) a gran escala en alta mar de 25 MW y 50 MW.
En última instancia, cree que una combinación de controladores mejorados, materiales más ligeros y resistentes y configuraciones estratégicas de las turbinas podría permitir que éstas superen a la competencia. No sólo son más rentables y eficientes desde el punto de vista energético, ya que permiten instalar una gran turbina en lugar de muchas más pequeñas (lo que reduciría los costes de instalación y mantenimiento), y son capaces de captar velocidades de viento más rápidas a mayor altura, sino que también podrían resistir las condiciones meteorológicas más severas que se avecinan.
Las palas de los aerogeneradores suelen estar diseñadas para durar al menos 20 años, y queremos que nuestro novedoso concepto de palas tenga una duración similar.
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