El desarrollo de las energías
alternativas no parece tener límite y el esfuerzo investigador de los últimos
años está dando ya su fruto. En las turbinas eólicas hace poco tiempo que
estábamos hablando del desarrollo de unidades con unos pocos megas y ahora se
avista en el horizonte un gigante de 20 Mw.
Un proyecto de investigación está
explorando los límites del diseño potencial de la energía eólica tratando de
averiguar hasta donde podemos llegar.
La industria eólica está
trabajando en dos trayectorias en paralelas para la reducción de costes: En
primer lugar, innovación incremental, mirando la reducción de costes a través
de la economía de escala, con una mejora continua de los métodos de fabricación
e instalación; en segundo lugar, buscando nuevos productos entre los que se
encuentran las turbinas offshore.
Uno de los proyectos destacables
en la Unión Europea es UpWind Project, que está explorando ambas trayectorias.
Los iniciadores de UpWind Project comprendieron que las disciplinas de la
tecnología eólica estaban demasiado fragmentadas, y no estaban disponibles
métodos de diseño integrados verificables. Se estaba perdiendo conocimiento en
áreas prioritarias, por ejemplo en cargas externas; donde el equipo de medición
no era lo bastante exacto y rápido, y no se tomaban en consideración factores
como la minimización de costes de la energía (conexión a red, cimentaciones,
interacciones en los parques eólicos, etc.).
Más que buscar una solución
óptima, UpWind Project explora las diferentes soluciones de alto potencial que
integradas tienen potencial en la reducción de los costes de la energía. Una
turbina eólica optimizada es el resultado de la combinación de requerimientos
en términos de eficiencia en producción de electricidad, fiabilidad, acceso,
transporte y almacenaje, instalación, visibilidad apoyo a la red eléctrica,
emisión de ruido, coste, etc. UpWind se enfoca en la turbina eólica como
componente esencial de una planta de generación.
Buscando
la turbina eólica de 20 MW
UpWind estableció como referencia
inicial la turbina eólica de 5 MW, posteriormente subió a 10 MW y después a 20
MW.
Inicialmente el diseño de una
turbina de 20 MW se consideraba casi imposible de fabricar y no rentable. Esta
turbina pesaría 800 toneladas y la torre sería tan alta que es imposible
almacenarla o instalarla en el mar.
Las estructuras de soporte para
transportar tales masas, colocadas a 153 m de altura, no son factibles de
fabricar en masa hoy en día. La longitud de las aspas sería de 120 m, lo cual
supondría una estructura de material compuesta jamás fabricada en el mundo que
no puede ser fabricado en una sola pieza con la tecnología de hoy.
El espesor de la pared de las
aspas superaría los 30 cm, lo cual supone restricciones por el calentamiento
del núcleo de material interior durante el proceso de fabricación, y la
longitud de las aspas requeriría nuevos tipos de fibras para resistir las
cargas.
La
turbina eólica de 20 MW
El concepto de 20 MW partía de un
diseño no factible por problemas con el peso y las cargas, pero en el proyecto
se buscaba un sistema inteligente, fiable, accesible, eficiente y de peso
ligero.
Se analizaron los materiales de
la turbina eólica, optimizando la micro-estructura de los materiales de las
aspas para desarrollar aspas más fuertes y más ligeras. Las cargas de fatiga
también deben ser reducidas de forma que puedan construirse aspas más grandes y
más ligeras. También se mejoraron las cualidades aerodinámicas y aeroelásticas
de los modelos. También se avanzó en el conocimiento de la mitigación de carga
y modelización del ruido.
UpWind demostró que los diseños
de aspas avanzados pueden reducir las cargas en un 10 %. Otro paso en el que se
avanzó fue la aplicación de control de aspas aerodinámico distribuido.
Las cargas de fatiga de las aspas
pueden reducirse en un 20 – 40 %. Varios dispositivos pueden utilizarse para
conseguir esto, tales como trailing edge flaps, control de arqueo, jets
sintético, micro tabs, o acoplamientos de la raíz de las aspas flexibles o
controlables.
Además de reducir las cargas se
requieren estrategias de control del rotor avanzadas. Estas estrategias de
control se tendrán en cuenta en el diseño de las estructuras de soporte
offshore. El proyecto UpWind demostró que el pitching individual de las aspas
puede disminuir las cargas de fatiga en un 20 – 30 %.
Las estrategias de control
avanzadas de las aspas inteligentes usan sensores que permiten disminuir las
cargas considerablemente, y en consecuencia desarrollarse estructuras más
ligeras.
Cimentaciones
de aguas profundas
También se han hecho progresos en
el análisis de cimentaciones en aguas profundas, incluyendo el desarrollo de
técnicas de modelización avanzadas y realzar los estándar de diseño actuales
que, por ejemplo, llegan a ser muy importantes para los diseños flotantes.
Bibliografía: Design Limits and Solutions
reaching the 20 MW Turbine. Wind Technology. Renewable Energy World May
2011
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