Desde la década de 1980, el diseño de turbinas eólicas ha estado dominado por el llamado "concepto danés", que utiliza tres aspas orientadas a barlovento (es decir, hacia el viento) para maximizar la producción de energía. Sin embargo, un innovador experimento realizado esta primavera por el Laboratorio Nacional de Energías Renovables (NREL) en colaboración con la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) podría cambiar esta visión.

El equipo de investigadores del NREL puso a prueba la idea de girar las aspas de las turbinas eólicas para evaluar su eficiencia frente al diseño tradicional. Pietro Bortolotti, investigador de energía eólica del NREL y director del proyecto, explicó: “Durante décadas, ha existido un debate sobre si todas las turbinas deben estar a barlovento. Las turbinas de los años 80 eran mucho más pequeñas y tenían aspas y torres más robustas que las actuales.”

El objetivo del experimento es proporcionar datos concretos que permitan determinar si el modelo de orientación a barlovento sigue siendo el más eficiente con las tecnologías de turbinas modernas.

Desafiando el clásico modelo danés

Para completar el experimento, los investigadores del NREL y la DTU giraron literalmente el rotor de una turbina eólica de 1,5 megavatios ubicada en el campus Flatirons del NREL en Colorado, junto con el vástago del viento y la góndola (donde se encuentra el sistema de transmisión) en la parte superior de la torre. También reconfiguraron el generador para que girara en sentido contrario. “Además, tuvimos que hacer un millón de ajustes para asegurarnos de no romper nada”, comentó Pietro Bortolotti, investigador de energía eólica del NREL y director del proyecto.

Además, instalaron cinturones de presión y colocaron micrófonos a diversas distancias de la turbina. Con esto, el equipo pudo comenzar a capturar datos. “Realizamos este experimento por dos razones: para estudiar la viabilidad técnico-económica de las turbinas a barlovento y para utilizar esta nueva instrumentación de la DTU que puede medir el rendimiento de las distribuciones de presión en una pala de turbina”, explicó Bortolotti.

El investigador resaltó que el objetivo era investigar si navegar a favor del viento era una oportunidad para aumentar aún más la flexibilidad y reducir los costos”.

A primera vista, según el NREL, algunos aspectos del escenario de viento a favor parecen prometedores. En primer lugar, las palas de una turbina de viento a favor son empujadas naturalmente en dirección opuesta a la torre por el viento, por lo que existe la oportunidad de diseñar palas más livianas y flexibles que no necesitan ser lo suficientemente rígidas para mantenerse alejadas de la torre. Y cuanto más livianas sean las palas, más baratas serán de fabricar.

En segundo lugar, la inclinación del rotor de la turbina eólica redirige la estela de la turbina hacia el suelo, por lo que es menos probable que interfiera con otras turbinas en un parque eólico. Y algunos estudios muestran que los rotores a favor del viento aumentan el rendimiento energético de los grandes parques eólicos.

Pero hay un problema importante que surge con el escenario de viento a favor. El hecho de que, cuando una pala pasa detrás de la torre, está, por una fracción de segundo, protegida del viento. Esto cambia la presión sobre la pala, produciendo una oscilación o fluctuación, que causa fatiga en la propia pala y genera un "golpe" audible. Y ese golpe ocurre cada vez que una de las palas pasa detrás de la torre, en otras palabras, "a menudo".

A lo largo de 11 horas de recopilación de datos, el equipo logró captar el ruido sordo, a niveles suficientemente audibles como para impactar a las comunidades que se encontraban al alcance del oído.

Palas bajo presión

La oscilación no solo generó un sonido perceptible, sino que también generó presión en la turbina eólica, presión que, durante el experimento, se midió mediante tres correas especiales que los investigadores de la DTU colocaron en una de las palas y en la torre de la turbina.

“Las correas son una instrumentación muy nueva en la que DTU ha estado trabajando”, dijo Bortolotti, quien agregó que los dispositivos de correa pueden ayudar a los investigadores a determinar el rendimiento del rotor, ya sea en contra del viento o a favor del mismo. “Utilizamos este experimento para ayudar a DTU a impulsar esta tecnología, porque es un dispositivo muy valioso y único que esperamos volver a utilizar en el futuro para rotores en contra del viento”.

Durante el experimento, las correas midieron la distribución de la presión a lo largo de la rotación del rotor, lo que le dio al equipo una visión precisa del efecto de la oscilación detrás de la torre sobre la pala. Estas mediciones ayudarán a proporcionar información clave sobre la mayor carga de fatiga que experimentan los rotores a favor del viento.

Conclusiones 

Si bien los resultados formales del estudio no se publicarán hasta finales de 2024, los resultados preliminares son suficientes para concluir que los beneficios potenciales de las operaciones a favor del viento no superan los inconvenientes.

Bortolotti señala que el equipo sabía que, si bien existían preocupaciones por el ruido y la fatiga de las palas con las turbinas terrestres orientadas a favor del viento, el impacto no estaba claro.

“La comunidad científica tuvo que basarse en conjuntos de datos de la década de 1980 y en evidencias anecdóticas, que en la ciencia no son suficientes”, afirmó Bortolotti. “Ahora podemos decir con seguridad que la próxima generación de turbinas eólicas terrestres será más grande y más flexible, pero el concepto danés seguirá siendo la tecnología dominante”.

En última instancia, el experimento fue un logro importante, y no solo por el hecho de que recopiló datos vitales sobre el rendimiento de una turbina eólica a gran escala y al mismo tiempo validó herramientas de modelado y simulación.

“Hicimos algo que nadie pensó que podríamos hacer, que fue hacer girar una turbina eólica bastante grande equipada con un gran conjunto de instrumentos que registraban un amplio espectro de datos aeroacústicos, de carga y de presión”, dijo Bortolotti. “Esta turbina de 1,5 megavatios es pequeña en comparación con las instalaciones modernas, pero aun así es una bestia enorme, y hacerla girar a favor del viento de manera segura sin romper un solo perno fue un gran logro”.