Controlar la estela de las turbinas puede mejorar la producción eléctrica de los parques eólicos, según la Universidad de Stanford

Redacción.- En un parque eólico en funcionamiento, los investigadores de la Universidad de Stanford (Estados Unidos) han demostrado que las turbinas que se inclinan ligeramente frente al viento pueden aumentar la energía producida en general e incluso eliminar el suministro variable.

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 primeros aerogeneradores pueden interferir en la producción de los aerogeneradores siguientes. Un estudio reciente de la Universidad de Stanford muestra que desplazar las turbinas y alejarlas ligeramente del viento puede reducir esa interferencia y mejorar la producción de los parques eólicos, y probablemente, reducir los costos operativos.

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

Las estelas de las turbinas pueden reducir la eficiencia de los generadores a favor del viento en más del 40%. Los investigadores usaron simulaciones por ordenador para demostrar que la desalineación de las turbinas de los vientos dominantes podría aumentar la producción de las turbinas más postergadas. Sin embargo, demostrar esto en un parque eólico real se ha visto obstaculizado por los desafíos para encontrar un parque eólico dispuesto a detener las operaciones normales para un experimento y calcular los mejores ángulos para la turbina.

Primero, el grupo de Stanford desarrolló una forma más rápida de calcular los ángulos de desalineación óptimos para las turbinas, que describieron en un estudio, publicado el 1 de julio en Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS). Luego, probaron sus cálculos en un parque eólico en Alberta (Canadá), en colaboración con el operador TransAlta Renewables. La producción eléctrica total del parque aumentó en hasta un 47% en velocidades de viento bajas (dependiendo del ángulo de las turbinas) y entre un 7% y un 13% en velocidades de viento promedio. Este cambio también redujo los flujos y reflujos de energía, que normalmente son un desafío con la energía eólica.

«A través de la dirección de la estela, la turbina delantera produjo menos energía como esperábamos», señaló el estudiante de doctorado en ingeniería mecánica Michael Howland, autor principal del estudio. «Pero descubrimos que debido a la disminución de los efectos de la estela, las turbinas de flujo descendente generaron significativamente más energía». Asimismo, la producción variable de los parques eólicos hace que la gestión de la red afronte dos retos.

Uno de ellas es la necesidad de tecnologías  de respaldo, como las centrales eléctricas de gas natural y las baterías. En el nuevo estudio, la mejora de la generación 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, estos cambios reducían 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 suple a la energía solar.

El otro es la necesidad de hacer coincidir exactamente la cantidad de electricidad suministrada y utilizada en una región en cada momento para mantener la red fiable. 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%.

Además, reducir la variabilidad puede ayudar a los propietarios de parques eólicos a reducir sus costes operativos. La turbulencia en estelas puede dañar las palas de la turbina y elevar los costes 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 sugirieron que esto sucedería. «La primera pregunta que muchos operadores nos hacen es cómo afectará esto a la salud de sus turbinas», reconoció 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 la dirección de la estela«.

Para calcular los mejores ángulos de desalineación para este estudio, los investigadores desarrollaron un nuevo modelo basado en datos históricos del parque eólico. «Diseñar parques eólicos suele ser una tarea intensiva en computación y datos», ha subrayado 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», señaló. Este cómputo más rápido podría ayudar a los operadores eólicos a utilizar ampliamente la dirección de estela.

«Nuestro modelo es esencialmente plug-and-play porque puede usar los datos específicos del sitio sobre el rendimiento del parque eólico», señaló Howland. «Las diferentes ubicaciones de los parques podrán usar el modelo y ajustar continuamente sus ángulos de turbina según las condiciones del viento». El siguiente paso, según señaló Dabiri, es realizar pruebas de campo durante todo un año. «Si podemos 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», indicó Dabiri.