Nuevo enfoque en diseño de granjas eólicas permite mayor eficiencia

Turbinas eolicas de eje vertical

Investigación del Laboratorio de campo de Energía Eólica optimizada de Caltech, dirigida por John Dabiri, sugiere que las matrices de turbinas de viento de eje vertical muy juntas pueden producir mucha más energía que los parques eólicos convencionales con turbinas de hélice de eje horizontal.

La sabiduría popular sugiere que porque nos estamos acercando al límite teórico en eficacia individual de una turbina de viento, la energía eólica ahora es tecnología madura. Pero los investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) revisitaron algunos de las conceptos fundamentales que dirigieron la industria del viento por los últimos 30 años, y ahora creen que un nuevo acercamiento al diseño de la granja de viento — Aquel en que las turbinas de viento se ponen mas próximas unas de otras en vez de alejadas — puede proporcionar aumentos significativos de la eficacia energética.

Esto desafía la escuela de pensamiento que habla de que los únicos avances por venir respecto a la energía eólica provendran de turbinas mas grandes, instalándolas costa afuera,  y cabildeando por políticas de gobierno favorables a la penetración posterior de la energía eólica en mercados de la energía.

“Lo qué se ha pasado por alto hasta la fecha es que, a pesar de los enormes avances en tecnología de las turbinas de viento, “las granjas” del viento siguen siendo algo ineficaces cuando están tomadas en su conjunto,” explican a Juan Dabiri, profesor de ingeniería y ciencia aplicada, y director del centro para la ingeniería de Bioinspired en Caltech. “Debido a que las turbinas convencionales de hélice se deben espaciar lejos una de otra, para evitar interferir la eficiencia aerodinámica de una con otra, mucha de la energía eólica que entra en una granja de viento no se aprovecha efectivamente. En efecto, las granjas de viento modernas son el equivalente de “comedores descuidados.” Para compensar esta falencia, cada vez son más altas y más grandes para tener acceso a mejores vientos. “

Pero este aumento de altura y tamaño lleva con frecuencia a problemas tales como coste alto y creciente dificultad de la ingeniería y de mantención de estas estructuras más grandes, problemas visuales, acústicos, y de firma en el radar, así como más impacto en la vida silvestre de los murciélagos y las aves.

Dabiri se está centrando en una forma más eficiente de diseño de la “granja” del viento, relegando la eficacia individual de la turbina de viento. Él describe este nuevo diseño en la publicación del Instituto Americano de Fisica Journal of Renewable & Sustainable Energy.

“La energía eólica disponible a 10 metros de altura es mucho menos abundante que la encontrada en las alturas de las turbinas de viento modernas, pero si el viento cercano a la tierra se puede utilizar más eficientemente no hay necesidad de tener acceso a los vientos a grandes alturas,” él dice. “La energía eólica global disponible a 10 metros excede la necesidad global de energía eléctrica en varias veces . ¿El desafío? Capturar toda esa energía.”

Los diseños de Caltech apuntan a la utilización de turbinas de viento de eje vertical (VAWTs de sus siglas en Ingles) ya que permiten arreglos de turbinas mucho más cercanas y juntas posible, respecto a las turbinas convencionales de hélice con eje horizontal.

Las VAWTs proporcionan varias ventajas inmediatas, según Dabiri, incluyendo la operación eficaz en vientos turbulentos como los que ocurren cerca de la tierra, son de un diseño simple (sin caja de cambios o una unidad de orientación) que permite costos más bajos de operación y de mantenimiento, y de un perfil más bajo que reduce la consecuencias negativas para el medio ambiente.

Dos de las razones primarias de porqué las VAWTs no se utilizan más comúnmente hoy es porque tienden a ser menos eficientes individualmente, y la generación anterior de VAWTs sufría de fallas estructurales relacionadas con la fatiga.

“Con respecto a las cuestiones de eficiencia, nuestro enfoque no se basa en la turbina de alta eficiencia en forma individual sino al espacio entre cada turbina. En cuanto a las fallas, los avances en materiales y en la predicción de las cargas aerodinámicas han llevado a nuevos diseños a estar mejor preparados para resistir la fatiga de materiales”, dice Dabiri

Los datos del campo recogidos por los investigadores recopilados el verano pasado sugieren que están en el buen camino, pero ésto no es de ninguna forma una “misión lograda.” Los pasos siguientes implican ir mas allá de su demostración de campo y el mejorar los diseños de la turbina de viento utilizados en el estudio experimental.

En última instancia, la meta de esta investigación es reducir el coste de la energía eólica. “Nuestros resultados son una llamada que obliga la investigación adicional sobre alternativas al actual status quo de la energía eólica,” Señala Dabiri. “Puesto que la unidad básica de producción de energía utilizada en el estudio es más pequeña, el escalamiento de las fuerzas físicas implicadas predice que las turbinas en nuestras granjas de viento se pueden construir usando los materiales, los procesos de fabricación, y mantenimiento menos costosos que con las turbinas de viento actuales.”

Un esfuerzo paralelo está en curso por los investigadores para demostrar un prueba-de-concepto sobre este aspecto también.