Las hélices y las palas de las turbinas eólicas se diseñan basándose en los principios de la aerodinámica que se describieron por primera vez en matemáticas hace más de un siglo. Pero los ingenieros se han dado cuenta desde hace tiempo de que estas fórmulas no funcionan en todas las situaciones. Para compensar, agregaron “factores de corrección” ad hoc basados en observaciones experimentales.
Ahora, por primera vez, los ingenieros del MIT han desarrollado un modelo integral basado en la física que representa con precisión el flujo de aire alrededor de los rotores incluso en condiciones extremas, como cuando las palas operan a altas fuerzas y velocidades en ángulo. en ciertas direcciones. . Este modelo puede mejorar la forma en que se diseñan los propios rotores, pero también la forma en que se instalan y operan los parques eólicos. Los nuevos hallazgos se informan en la revista. Comunicaciones de la naturalezaEn un artículo de acceso abierto del postdoctorado del MIT Jaime Liew, el estudiante de doctorado Kirby Hack y Michael Howland, Esther y Harold E. Edgerton, profesor asistente de Ingeniería Civil y Ambiental.
“Hemos desarrollado una nueva teoría para la aerodinámica de los rotores”, dice Holland, ya sea extrayendo energía, como en una turbina eólica, o aplicando energía al flujo, como en la hélice de un barco o un avión, “la teoría funciona en ambos sentidos”. él dice.
Dado que la nueva comprensión es un modelo matemático básico, es probable que algunas de sus implicaciones sean inmediatamente aplicables. Por ejemplo, los operadores de parques eólicos deben ajustar constantemente varios parámetros, incluida la orientación de cada turbina, así como su velocidad de rotación y el ángulo de las aspas, para maximizar la producción de energía manteniendo un margen de seguridad mayor. El nuevo modelo podría proporcionar una forma sencilla y rápida de optimizar estos factores en tiempo real.
“Eso es lo que realmente nos entusiasma: puede tener un impacto inmediato y directo en la cadena de valor de la energía eólica”, afirma Howland.
Modelado de velocidad
Conocido como teoría del impulso, el modelo anterior de cómo interactúan los rotores con su entorno fluido (aire, agua u otro) se desarrolló inicialmente a finales del siglo XIX. Con esta teoría, los ingenieros pueden comenzar con un diseño y configuración de rotor determinados y determinar la potencia máxima que se puede obtener de ese rotor o, por el contrario, si se trata de una hélice, cuánta potencia se requiere para producir una cantidad determinada. . de fuerza motivadora.
La ecuación de la teoría del momento es “lo primero que lees en un libro de texto sobre energía eólica y lo primero de lo que hablo en mis clases cuando enseño energía eólica”, dice Holland. A partir de esta teoría, el físico Albert Betz calculó en 1920 la cantidad máxima de energía que teóricamente podría extraerse del aire. Esta cantidad, conocida como límite de Baetz, es el 59,3 por ciento de la energía cinética del viento entrante.
Pero sólo unos años más tarde, dice Holland, otros descubrieron que la teoría del impulso se desmoronaba “muy dramáticamente” ante fuerzas más altas correspondientes a velocidades de rotación más rápidas de las palas o a diferentes ángulos de las palas. No sólo no se puede estimar la cantidad, sino también la dirección de los cambios en la fuerza de empuje a altas velocidades de rotación o en diferentes ángulos de la pala: mientras que la teoría afirma que el empuje cambia por encima y por debajo de una determinada velocidad de rotación o ángulo de la pala, se deberían comenzar los experimentos. mostrar lo contrario. — que la fuerza aumenta constantemente. “Por lo tanto, no sólo es un error cuantitativo, sino también cualitativamente”, dice Howland.
La teoría también se derrumba cuando hay una desalineación entre el rotor y el flujo de aire, que según Howland está “en todas partes” en los parques eólicos, donde las turbinas se ajustan constantemente a los cambios en la dirección del viento. De hecho, en un artículo anterior de 2022, Howland y su equipo descubrieron que desalinear deliberadamente algunas turbinas en relación con el flujo de aire entrante dentro del parque eólico reducía significativamente la producción de energía general del parque eólico.
En el pasado, al diseñar el perfil de las palas del rotor, la disposición de las turbinas eólicas en un parque o el funcionamiento diario de las turbinas eólicas, los ingenieros se basaban en ajustes ad hoc incluidos en las fórmulas matemáticas originales, basándose en algunas variables del viento. Pruebas de túneles y vientos de operación. Experiencia con formas, pero sin fundamentos teóricos.
En cambio, para llegar al nuevo modelo, el equipo analizó la interacción del flujo de aire y las turbinas utilizando modelos computacionales detallados de la aerodinámica. Descubrieron que, por ejemplo, el modelo original suponía que una caída en la presión del aire detrás del rotor volvería rápidamente a la presión ambiental normal un poco más abajo. Pero resulta, dice Howland, que a medida que aumenta la fuerza del empuje, “esta suposición es cada vez más falsa”.
Y el error ocurre muy cerca del límite de Baetz que teóricamente predice la eficiencia máxima de la turbina y, por lo tanto, es el único régimen operativo deseable para las turbinas. “Así que tenemos la predicción de Betz sobre dónde deberíamos hacer funcionar la turbina, y dentro del 10 por ciento del punto de ajuste operativo que creemos que maximiza la potencia, la teoría sale completamente mal y no funciona”, dice Howland.
A través de su modelado, los investigadores también encontraron una manera de compensar la dependencia de la fórmula original del modelado unidimensional que asumía que el rotor siempre estaba perfectamente alineado con el flujo de aire. Para ello, utilizaron ecuaciones fundamentales que se desarrollaron para predecir la altura de alas tridimensionales para aplicaciones aeroespaciales.
Los investigadores derivaron su nuevo modelo, al que llaman modelo de velocidad unificado, basándose en análisis teóricos, y luego lo validaron utilizando modelos computacionales de dinámica de fluidos. En un trabajo de seguimiento que aún no se ha publicado, están verificando más mediante túneles de viento y pruebas de campo.
Comprensión básica
Un resultado interesante de la nueva fórmula es que cambia el cálculo del límite de Betz, lo que demuestra que es posible extraer un poco más de energía de la que predice la fórmula original. Aunque no es un cambio significativo -del orden de un pequeño porcentaje- “es interesante que ahora tenemos una nueva teoría, y el límite de Betz, que ha sido una regla general durante cien años, en realidad se debe a la nueva teoría ha cambiado”, afirma Howland. “Y es inmediatamente útil”. El nuevo modelo muestra cómo maximizar la potencia de turbinas desalineadas con el flujo de aire, algo que la gama Betz no puede hacer.
Los aspectos relacionados con el control tanto de turbinas individuales como de conjuntos de turbinas se pueden implementar sin requerir ninguna modificación en el hardware dentro de los parques eólicos. De hecho, esto ya se ha hecho, basándose en un trabajo anterior realizado por Howland y sus colegas hace dos años que trataba sobre la interacción de estela entre turbinas en un parque eólico, y se basó en fórmulas existentes con base empírica.
“Este desarrollo es una extensión natural de nuestro trabajo anterior sobre la optimización de los parques eólicos a escala comercial”, afirma, porque al realizar este análisis analizó las fuerzas en juego y la energía generada por las turbinas eólicas y tuvo en cuenta las deficiencias de la corriente. métodos de predicción . “Los modelos actuales que utilizan el empirismo no estaban funcionando”, afirma.
En un parque eólico, las turbinas individuales capturarán parte de la energía disponible para las turbinas vecinas debido a los efectos de la estela. Un modelado preciso de la estela es esencial para diseñar una disposición de turbinas en un parque eólico y para el funcionamiento de ese parque, para determinar momento a momento cómo ajustar los ángulos y velocidades de cada turbina en la matriz.
Hasta ahora, los operadores de parques eólicos, los fabricantes y los diseñadores de palas de turbinas no han tenido forma de predecir en qué medida la producción de energía de una turbina se verá afectada por un cambio determinado en la velocidad del viento, dice Holland. sin utilizar correcciones empíricas. “Eso se debe a que no existía una teoría para ello. Entonces, en eso hemos trabajado aquí. Nuestra teoría puede decirle directamente, sin ninguna corrección experimental, por primera vez, las turbinas eólicas. ¿Cómo se debe operar para maximizar su potencia? “. el dice
Dado que los sistemas de flujo de fluidos son similares, el modelo también es aplicable a hélices, ya sea en aviones o barcos, y a turbinas hidrocinéticas como las marinas o fluviales. Aunque no abordó este aspecto en este estudio, “es natural que se trate de modelos teóricos”, afirma.
La nueva teoría existe en forma de un conjunto de fórmulas matemáticas que el usuario puede agregar a su software o como un paquete de software de código abierto que se puede descargar gratuitamente desde GitHub. “Es un modelo de ingeniería diseñado para la creación rápida de prototipos y herramientas de control y optimización de rápido movimiento”, dice Holland. “Nuestro modelo apunta a avanzar de manera más agresiva en el campo de la investigación de la energía eólica para desarrollar la capacidad eólica y la confiabilidad necesaria para responder al cambio climático”.
Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias y Siemens Gamesa Renewable Energy.
