La mayoría de las turbinas eólicas están orientadas hacia el viento, y hay una buena razón para ello.Desde la década de 1980, los desarrolladores de turbinas eólicas han estado utilizando lo que se llama el "concepto danés" para sus diseños: tres palas, colocadas contra el viento (es decir, de cara al viento), que están diseñadas para mantenerse orientadas hacia el viento para maximizar la producción de energía.

Esta primavera, un grupo de investigadores del Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL), en colaboración con la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU), intentó desafiar el concepto danés respondiendo a la pregunta: ¿Qué sucede cuando convertimospalas de turbina eólica¿alrededor?

"Ha habido durante décadas una discusión en curso en la comunidad de investigación sobre si todas las turbinas deberían estar en contra del viento", dijo el investigador de energía eólica del NREL (y líder del proyecto) Pietro Bortolotti."Las turbinas con las que empezamos en la década de 1980, cuando se estableció este estándar, eran muy diferentes a las que implementamos hoy. Eran mucho más pequeñas y tenían palas y torres más gruesas".

El objetivo de un experimento reciente era proporcionar datos concretos sobre si el paradigma de contraviento sigue siendo válido.

Por otro lado

Para completar el experimento, los investigadores de NREL y DTU literalmente voltearon el rotor de una turbina eólica de investigación de 1,5 megavatios que se encuentra en el campus Flatirons de NREL en Colorado, junto con la veleta y la góndola (que alberga la caja de cambios) en lo alto de la torre.Luego reconectaron el generador para que girara en sentido contrario."Además, teníamos que hacer un millón de otras cosas para asegurarnos de que no íbamos a romper nada", dijo Bortolotti.

Después de que los técnicos pasaron días y noches encima de plataformas aéreas para hacer la transición, colocando cinturones de presión e instalando micrófonos a varias distancias de la turbina eólica, el equipo pudo comenzar a capturar datos.

"Llevamos a cabo este experimento por dos razones: estudiar la viabilidad tecnoeconómica de las turbinas a favor del viento y utilizar esta nueva instrumentación de DTU que puede medir el rendimiento de las distribuciones de presión en las palas de una turbina", dijo Bortolotti.

Bortolotti contó con el apoyo de muchos otros investigadores y técnicos de energía eólica, incluidos Jason Roadman, Mark Iverson, Chris Ivanov, Jon Keller y Derek Slaughter, quienes trabajaron juntos para realizar la transición física y monitorear los resultados.

Un análisis tecnoeconómico para responder preguntas de décadas de antigüedad

El experimento es uno de los proyectos finales que se están llevando a cabo a través del proyecto Big Adaptive Rotor (BAR), financiado por la Oficina de Tecnologías de Energía Eólica del Departamento de Energía de EE. UU.El objetivo de BAR es apoyar el desarrollo de tecnologías de turbinas eólicas terrestres e identificar formas de reducir costos, específicamente relacionados con la fabricación de palas más livianas y con mayor flexibilidad.

"Analizamos todo un espectro de posibles candidatos", dijo Bortolotti."Y queríamos investigar si ir a favor del viento era una oportunidad para aumentar aún más la flexibilidad y reducir los costos".

A primera vista, algunos aspectos del escenario a favor del viento parecen prometedores.En primer lugar, las palas de una turbina a favor del viento son empujadas naturalmente hacia afuera de la torre por el viento, por lo que existe la oportunidad de diseñar palas más ligeras y flexibles que no necesitan ser lo suficientemente rígidas para mantenerse alejadas de la torre.Y cuanto más ligera sea la hoja, menos costosa será fabricarlas.

En segundo lugar, la inclinación del rotor de la turbina eólica redirige la estela de la turbina hacia el suelo, por lo que es menos probable que interfiera con otras turbinas en una granja.Y algunos estudios muestran que los rotores a favor del viento aumentan el rendimiento energético de los grandes parques eólicos.

Pero hay un problema importante que surge junto con el escenario a favor del viento.El hecho de que, cuando una pala pasa detrás de la torre, ésta queda, durante una fracción de segundo, protegida del viento.Esto cambia la presión sobre la hoja, produciendo una oscilación o fluctuación que causa fatiga en la propia hoja y genera un "golpe" audible.Y ese golpe ocurre cada vez que una de las palas pasa detrás de la torre; en otras palabras, a menudo.

En el transcurso de 11 horas de recopilación de datos, el equipo capturó el golpe, a niveles lo suficientemente audibles como para afectar a las comunidades al alcance del oído.

Cuchillas bajo presión

La oscilación no sólo generó un sonido perceptible.También generó presión sobre la turbina eólica, presión que, durante el experimento, se midió mediante tres cinturones especiales que los investigadores de DTU fijaron a una de las palas y a la torre de la turbina.

"Las correas son instrumentos muy nuevos en los que DTU ha estado trabajando", dijo Bortolotti, quien agregó que los dispositivos de correas pueden ayudar a los investigadores a determinar el rendimiento del rotor, ya sea a favor o en contra del viento."Utilizamos este experimento para ayudar a DTU a impulsar esta tecnología, porque es un dispositivo único y muy valioso que esperamos volver a utilizar en el futuro para rotores contra el viento".

Durante el experimento, las correas midieron la distribución de la presión a lo largo de la rotación del rotor, lo que le dio al equipo una visión precisa del efecto de la oscilación detrás de la torre en la pala.Estas mediciones ayudarán a proporcionar información clave sobre el aumento de la carga de fatiga que experimentan los rotores a favor del viento.

Otro beneficio clave del uso de los cinturones en el estudio fueron los datos que produjeron.Estos datos pueden proporcionar una validación en el mundo real de los modelos numéricos aeroelásticos que el equipo desarrolló con la herramienta OpenFAST de NREL.

"En NREL desarrollamos muchas herramientas para la predicción numérica de cargas, rendimiento de turbinas eólicas, parques eólicos, etc.", dijo Bortolotti, quien agregó que dispositivos como las correas de presión son críticos para validar estas herramientas numéricas.

El equipo planea utilizar las correas de presión en futuros experimentos con rotores más convencionales."Gracias al proyecto BAR, ahora confiamos en que los cinturones son una forma viable de generar valiosos conjuntos de datos experimentales que nos ayudarán a mejorar nuestra comprensión de las turbinas eólicas", afirmó Bortolotti.

Sacar conclusiones

Si bien los resultados formales del estudio no se publicarán hasta finales de 2024, los resultados preliminares son suficientes para concluir que los beneficios potenciales de las operaciones a favor del viento no superan los inconvenientes.

Bortolotti señala que el equipo sabía que, si bien los problemas de ruido y fatiga de las palas estaban presentes en las turbinas terrestres a favor del viento, el impacto no estaba claro.

"La comunidad científica tuvo que basarse en conjuntos de datos de los años 80 y en pruebas anecdóticas, que en ciencia no son suficientes", afirmó Bortolotti."Ahora podemos decir con seguridad que la próxima generación de vehículos terrestresturbinas eólicasserá más grande y más flexible, pero el concepto danés seguirá siendo la tecnología dominante".

En última instancia, el experimento fue un logro importante, y no solo por el hecho de que recopiló datos vitales sobre el rendimiento de una turbina a favor del viento a escala de servicios públicos y al mismo tiempo validó herramientas de modelado y simulación.

"Hicimos algo que nadie pensó que podríamos hacer, que fue hacer girar una turbina eólica bastante grande equipada con un gran conjunto de instrumentación que registró un amplio espectro de datos aeroacústicos, cargas y presión", dijo Bortolotti."Esta turbina de 1,5 megavatios es pequeña en comparación con las instalaciones modernas, pero aun así es una gran bestia, y hacerla girar a favor del viento de forma segura sin romper un solo perno fue un gran logro".