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Inspirándose en las palmeras, los científicos desarrollan turbinas eólicas resistentes a los huracanes

Inspirándose en las palmeras, los científicos desarrollan turbinas eólicas resistentes a los huracanes

La tecnología eólica está creciendo, literalmente. Las turbinas eólicas marinas de hoy pueden elevarse a más de 490 pies sobre el suelo, sus aspas giratorias producen hasta 8 megavatios (MW) cada una, lo suficiente como para alimentar 4000 hogares en los EE. UU.

Pero con su tamaño cada vez mayor vienen los desafíos. Frente a la costa este, donde se encuentran las turbinas en alta mar en los EE. UU., los huracanes del Atlántico cada vez más poderosos plantean riesgos para las estructuras mismas y para el futuro de la energía eólica. Para hacer que esas turbinas sean más resistentes a los huracanes, un equipo de investigadores de CU Boulder está siguiendo el ejemplo de la naturaleza y girando la turbina.

«Estamos muy bioinspirados por las palmeras, que pueden sobrevivir a estas condiciones de huracán», dijo Lucy Pao, presidenta de Palmer Endowed en el Departamento de Ingeniería Eléctrica, Informática y Energética.

Las turbinas contra el viento tradicionales se enfrentan al viento entrante y, para evitar que las sople la torre, sus palas deben ser lo suficientemente rígidas. Se requiere una gran cantidad de material para construir estas hojas relativamente gruesas y masivas, lo que aumenta su costo. Sin embargo, las palas de las turbinas en los rotores a favor del viento miran en dirección opuesta al viento, por lo que hay menos riesgo de que golpeen la torre cuando aumenta el viento. Esto significa que pueden ser más livianos y flexibles, lo que requiere menos material y, por lo tanto, menos dinero para fabricarlos. Estas palas a favor del viento también pueden doblarse en lugar de romperse ante los fuertes vientos, al igual que las palmeras.

Durante los últimos seis años, 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 Energía Renovable, el equipo de Pao ha colaborado para desarrollar el SUMR (Rotor Morphing Ultraligero Segmentado) turbina, un rotor a favor del viento de dos palas para probar el rendimiento de este concepto liviano en acción. El 10 de junio en la Conferencia de Control Estadounidense, los investigadores de CU presentaron los resultados de un nuevo estudio de cuatro años de datos del mundo real de la prueba de su demostrador de 53,38 kilovatios (SUMR-D) en el Campus Flatirons del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL), justo al sur de Boulder, Colorado.

Descubrieron que su turbina funcionó de manera constante y eficiente durante los períodos de ráfagas de viento máximas, un resultado satisfactorio.

«Las aspas se fabrican para que sean livianas y muy flexibles, de modo que puedan alinearse con las cargas del viento. De esa manera, podemos reducir el costo de las aspas y reducir el costo de la energía», dijo Mandar Phadnis, autor principal del nuevo estudiar en Actas de la Conferencia Estadounidense de Control de 2022, y estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica, informática y energética.

Este innovador trabajo no podía llegar en mejor momento. El cambio climático no solo exige que aumentemos rápidamente la energía renovable más rentable y confiable, sino que también es probable que el aumento de las temperaturas globales provoque que los huracanes se intensifiquen.

Se pronostica que la actividad de huracanes este año en el Atlántico estará por encima del promedio, y el Centro de Predicción Climática de la NOAA estima hasta seis huracanes importantes con vientos de 111 mph o más del 1 de junio al 30 de noviembre.

El cerebro oculto de una turbina

Uno de los elementos más complicados de la generación de energía eólica es lidiar con viento insuficiente o excesivo al mismo tiempo. 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 empujar los límites de la capacidad de una turbina, lo que hace que se apague para evitar una sobrecarga del sistema.

La inconsistencia de la velocidad del viento ha afectado a la energía eólica desde sus inicios; el tiempo perdido para apagar el sistema genera menos energía y una producción menos eficiente.

La clave de las contribuciones innovadoras de Pao son las mejoras en el controlador, la parte de la turbina que determina cuándo ser más o menos agresivo en la producción de energía.

«Nos gusta pensar en el controlador como esencialmente el cerebro del sistema», dijo Pao, autor principal del estudio y miembro del Instituto de Energía Renovable y Sostenible (RASEI).

Este cerebro oculto tiene como objetivo producir energía eólica eficiente a bajo costo y con poco desgaste. El controlador de retroalimentación hace esto mediante el uso de mediciones del rendimiento del sistema y luego se ajusta para mejorar el rendimiento, dijo Pao.

El controlador de guiñada se asegura de que la turbina esté orientada en la dirección correcta, el controlador de inclinación de las palas determina la dirección de las palas (dependiendo de la velocidad del viento) y el controlador de par del generador decide cuánta energía sacar de la turbina y ponerla en la red. Si bien controla los componentes físicos de la turbina, estos controladores son esencialmente un algoritmo de software que les dice a los motores qué hacer.

El grupo de Pao no solo está girando la turbina para reducir el daño de los fuertes vientos, sino que también está trabajando entre bastidores en su software para maximizar la capacidad del sistema para seguir funcionando durante los eventos de vientos máximos.

«Nuestro trabajo intenta predecir la probabilidad de que ocurran ráfagas de viento máximas, y luego trata de mitigar los picos de velocidad actuando antes de que sucedan», dijo Phadnis.

Flatirons Campus de NREL fue el lugar perfecto para probar esto en acción, ya que está estratégicamente ubicado para recibir los fuertes vientos que se disparan a través de la autopista 93 y hacia la meseta, luego de ser canalizados a través de Eldorado Canyon directamente hacia el oeste.

Allí, los investigadores descubrieron que, incluso a través de extensas pruebas experimentales, las velocidades máximas del generador estaban por debajo del umbral para que su controlador operativo mantuviera la turbina en funcionamiento.

En una colaboración separada, Pao y su grupo de investigación han estado trabajando con la Universidad de Oldenburg en Alemania para evaluar la utilidad de los sensores que escanean por delante de la turbina para medir el viento que ingresa y de los controladores avanzados que ordenan a la turbina que responda de manera proactiva.

Ampliación de la energía eólica mundial

Si bien es posible que las turbinas a favor del viento o de dos palas como la SUMR-D no lleguen a dominar la industria de la energía eólica, al realizar estas pruebas del mundo real de varios años, los investigadores pueden comprender mejor lo que podría ser posible, dijo Pao.

Los algoritmos de control que han desarrollado también podrían ser igualmente aplicables a las turbinas contra el viento tradicionales de tres palas, que aún dominan los mercados terrestres y marinos.

«Sin embargo, la ventaja de la configuración a favor del viento realmente surge cuando llegas a turbinas de escala extrema, y ​​esas son principalmente para alta mar», dijo Pao.

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) en alta mar de 25 MW y 50 MW a gran escala.

En última instancia, cree que una combinación de controladores mejorados, materiales más ligeros y resistentes y configuraciones de turbinas estratégicas podría permitir que las turbinas marinas gigantes superen a la competencia. No solo son más rentables y energéticamente eficientes, lo que permite una turbina grande en lugar de muchas más pequeñas (lo que reduciría los costos de instalación y mantenimiento), y capaces de capturar velocidades de viento más rápidas a mayor altura del suelo, sino que también podrían resistir el clima más severo seguro que vendrá.

«Las palas de las turbinas eólicas suelen estar diseñadas para durar al menos 20 años, y queremos que nuestro nuevo concepto de palas logre una vida útil similar», dijo Pao.

Este estudio fue financiado por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada – Energía (ARPA-E) del Departamento de Energía de EE. UU. y se realizó en colaboración con el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL).