Turbinas inteligentes para mejorar la energía eólica

Un equipo de ingenieros de la Universidad de Purdue junto al Laboratorio Nacional de Sandia, han desarrollado recientemente una técnica que utiliza un sistema de sensores en conjunto a un software computacional, para supervisar las fuerzas ejercidas por el viento sobre las hojas de las turbinas, un paso sin duda muy importante hacia la mejora de la eficiencia a través de un reajuste rápido en sus configuraciones cuando se produce un cambio en las condiciones del viento.

“El objetivo final es la obtención de información mediante los sensores a través de un sistema de control activo que ajusta con precisión los componentes de las turbinas para optimizar su eficiencia”, decía el estudiante de doctorado de Purdue Jonathan White, quien lidera la investigación con Douglas Adams, profesor de ingeniería mecánica de Purdue y director del Centro de Integridad de Sistemas.

El sistema también puede ayudar a mejorar la fiabilidad de los aerogeneradores proporcionando información en tiempo real al sistema de control para evitar daños catastróficos en las turbinas eólicas cuando se producen vientos fuertes. “La energía eólica está jugando un papel cada vez más importante en el suministro de energía eléctrica”, decía Adams. “Los Estados Unidos es actualmente el mayor recolector de energía eólica en el mundo. La cuestión es, ¿qué se puede hacer para que las turbinas de viento sean más eficientes, más rentables y más fiables?”.

Los ingenieros incorporaron unos tipos de sensores con acelerómetros triaxiales y uniaxiales en el interior de la hoja de una turbina eólica. Tales sensores pueden ser útiles para cambiar la morfología de las aspas a través de un sistema de “control de superficie”, propiciando un cambio en sus características aerodinámicas para un mejor rendimiento. Debido a que estos cambios se realizan en tiempo real para responder a la evolución de los vientos, los datos obtenidos de forma constante por los sensores son fundamentales.

Los resultados de la investigación muestran que el uso de sensores, junto al modelo estimador del software desarrollado, revela con precisión la cantidad de fuerza que ejerce el viento sobre las palas. Purdue y Sandia han solicitado una patente provisional sobre ésta técnica. Los resultados se detallan minuciosamente en un documento presentado el lunes (4 de mayo) durante el Windpower 2009 Conference & Exhibition de Chicago. El documento fue escrito por los ingenieros Jonathan, Douglas Adams, Mark A. Rumsey y Zayas. Los cuatro días de la conferencia, está organizada por la American Wind Energy Association, y atrae a miles de asistentes, eso sí, está totalmente orientado hacia el campo industrial.

Una turbina eólica, consta de unos componentes principales como son las hojas del rotor, el multiplicador y un generador. Las hojas de las turbinas eólicas se hacen principalmente de fibra de vidrio, madera de balsa y, en ocasiones, se refuerzan con fibra de carbono.

El objetivo es que operen tanto el generador como la turbina de la manera más eficiente, pero esto es difícil de conseguir porque la velocidad del viento fluctúa. Por ello, está investigación se centró en controlar el generador y el paso de las hojas para optimizar la captación de energía mediante la reducción de las fuerzas durante fuertes vientos, así como el aumento de las cargas durante vientos de baja intensidad. Además de la mejora en su eficiencia, esto además debería ayudar a mejorar también la fiabilidad.

Los datos del sensor que son recogidos por el sistema inteligente, pueden ser usados para controlar mejor la velocidad de la turbina y ajustar automáticamente la hoja al mismo tiempo, tomando además medidas correctivas en el generador. Además, los datos del sensor también se utilizarán para diseñar hojas más resistentes. Los sensores son capaces de medir la aceleración que se producen en varias direcciones, lo cual es necesario para caracterizar con precisión la flexión de la hoja y su torsión, así como las pequeñas vibraciones cerca de la punta que con el tiempo causan problemas.

Los sensores también miden dos tipos de aceleración; la aceleración dinámica, que ofrece los resultados de las ráfagas de viento, mientras que el otro, llamado aceleración estática, informa sobre los resultados de la gravedad del viento de fondo. Es esencial para medir con precisión estas dos formas, calcular la aceleración de las fuerzas ejercidas sobre las hojas. La investigación está en curso, y los ingenieros están llevando la aplicación de su sistema avanzado, a la próxima generación de hojas de turbinas, que son más curvas que las convencionales palas.

En 2008, los Estados Unidos añadió 8.358 nuevos megavatios de capacidad de energía eólica, lo que equivale a miles de nuevas turbinas de viento, ya que la media que genera una turbina son 1,5 megavatios. El nuevo aumento da como resultado que los EE.UU. tenga una capacidad total de energía eólica instalada alrededor de los 25.170 megavatios, superando la capacidad de Alemania como el productor más grande del mundo en energía eólica.

Según nos comentaba el ingeniero Douglas Adams; “Nuestro objetivo es hacer dos cosas, mejorar su fiabilidad y eficiencia, y la forma más directa de conseguir esas dos capacidades es mediante el control de las fuerzas ejercidas sobre las hojas”.

Más información: Universidad de Purdue