Este cambio único obtiene más poder de los parques eólicos

Este cambio único obtiene más poder de los parques eólicos

(Crédito: Don Sniegowski / Flickr)

Un estudio halla que las turbinas ubicadas ligeramente alejadas del viento que se aproxima, lo que se conoce como "velatorio", pueden reducir esa interferencia y mejorar la cantidad y la calidad de la energía de los parques eólicos.

El cambio probablemente también reduciría los costos operativos.

Las turbinas eólicas solitarias producen la mayor potencia cuando se apunta directamente al viento. Pero cuando las líneas de turbinas están muy compactas y se enfrentan al viento en los parques eólicos, los despertares de los generadores de aguas arriba pueden interferir con los de aguas abajo. Como una lancha rápida desacelerada por el agua entrecortada de un bote en frente, la estela de un aerogenerador reduce la salida de quienes están detrás.

"Para cumplir con los objetivos globales para la generación de energía renovable, debemos encontrar formas de generar mucha más energía a partir de los parques eólicos existentes", dice el autor principal John Dabiri, profesor de ingeniería civil y ambiental y de ingeniería mecánica en la Universidad de Stanford. "El enfoque tradicional se ha centrado en el rendimiento de las turbinas individuales en un parque eólico, pero necesitamos comenzar a pensar en la granja como un todo, y no solo como la suma de sus partes".

Las reactivaciones de turbinas pueden reducir la eficiencia de los generadores a favor del viento en más del 40 por ciento. Anteriormente, los investigadores han usado simulaciones por computadora para demostrar que la desalineación de las turbinas de los vientos dominantes podría aumentar la producción de las turbinas corriente abajo. Sin embargo, los desafíos para encontrar un parque eólico dispuesto a detener las operaciones normales de un experimento y para calcular los mejores ángulos para la turbina han impedido que esto se muestre en un parque eólico real, hasta ahora.

Primero, los investigadores desarrollaron una manera más rápida de calcular los ángulos de desalineación óptimos para las turbinas, que describen en Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Luego, probaron sus cálculos en un parque eólico en Alberta, Canadá, en colaboración con el operador TransAlta Renewables. La potencia de salida total de la granja aumentó hasta un 47 por ciento en velocidades de viento bajas, dependiendo del ángulo de las turbinas, y de 7 a 13 en porcentajes de las velocidades promedio del viento. La dirección de estela también redujo los flujos y reflujos de energía que normalmente son un desafío con la energía eólica.

"A través de la dirección de vigilia, la turbina delantera produjo menos energía como esperábamos", dice el autor principal Michael Howland, un estudiante de doctorado en ingeniería mecánica. "Pero descubrimos que debido a la disminución de los efectos de vigilia, las turbinas de flujo descendente generaron significativamente más energía".

Mejora de parques eólicos.

La producción variable de los parques eólicos hace que la gestión de la red sea más difícil de dos maneras importantes.

Una de ellas es la necesidad de fuentes de alimentación de respaldo, como las centrales eléctricas de gas natural y las baterías grandes y caras. En el estudio, la mejora de la potencia a bajas velocidades del viento fue particularmente alta porque las turbinas normalmente dejan de girar por debajo de una velocidad mínima, reduciendo por completo la producción y obligando a los administradores de redes a confiar en la energía de respaldo. Los investigadores encontraron que en vientos lentos, la dirección de vigilia reducía la cantidad de tiempo que las velocidades caían por debajo de este mínimo. En particular, las mayores ganancias fueron durante la noche, cuando la energía eólica es típicamente más valiosa como complemento de la energía solar.

La otra es la necesidad de hacer coincidir exactamente la cantidad de electricidad suministrada y utilizada en una región en cada momento para mantener la red confiable. La turbulencia del aire debido a las estelas puede hacer que la producción del parque eólico sea errática minuto a minuto, un período de tiempo demasiado corto para encender un generador de gas. Esto hace que la oferta y la demanda coincidentes sean más difíciles para los operadores de sistemas en el muy corto plazo. Tienen herramientas para hacerlo, pero las herramientas pueden ser caras. En el estudio, el cambio de vigilia redujo la variabilidad a muy corto plazo de la producción de energía hasta en un 72 por ciento.

Además, reducir la variabilidad puede ayudar a los propietarios de parques eólicos a reducir sus costos operativos. La turbulencia en vigilia puede dañar las palas de la turbina y elevar los costos de reparación. Aunque el experimento no duró lo suficiente como para demostrar que la dirección de estela reduce la fatiga de la turbina, los investigadores sugieren que esto sucedería.

"La primera pregunta que muchos operadores nos hacen es cómo esto afectará la salud estructural a largo plazo de sus turbinas", dice Dabiri. "Estamos trabajando para identificar los efectos exactos, pero hasta ahora hemos visto que realmente se puede disminuir la fatiga mecánica mediante el manejo de vigilia".

Obteniendo los ángulos correctos

Para calcular los mejores ángulos de desalineación para este estudio, los investigadores desarrollaron un nuevo modelo basado en datos históricos del parque eólico.

"El diseño de parques eólicos suele ser una tarea muy intensiva en cuanto a datos y computación", dice Sanjiva Lele, profesor de aeronáutica y astronáutica y de ingeniería mecánica. "En cambio, establecimos representaciones matemáticas simplificadas que no solo funcionaron, sino que también redujeron la carga computacional en al menos dos órdenes de magnitud".

Este cómputo más rápido podría ayudar a los operadores de parques eólicos a utilizar ampliamente la dirección de estela.

"Nuestro modelo es esencialmente plug-and-play porque puede usar los datos específicos del sitio en el rendimiento del parque eólico", dice Howland. "Las diferentes ubicaciones de las granjas podrán usar el modelo y ajustar continuamente sus ángulos de turbina según las condiciones del viento".

Aunque los investigadores no pudieron medir un cambio en la producción de energía anual debido a la duración limitada de 10 de esta prueba de campo, el siguiente paso, dice Dabiri, es realizar pruebas de campo durante todo un año.

"Si podemos llegar al punto en el que podamos implementar esta estrategia a gran escala durante largos períodos de tiempo, podremos optimizar la aerodinámica, la producción de energía e incluso el uso del suelo para parques eólicos en todo el mundo", dice Dabiri.

El apoyo para la investigación provino de la National Science Foundation, una beca de postgrado de Stanford y el TomKat Center for Sustainable Energy de Stanford. Los investigadores realizaron pruebas de campo en colaboración con TransAlta Corp.

Fuente: Universidad de Stanford

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