Brandon Ennis, líder técnico de energía eólica marina de Sandia National Laboratories, tuvo una idea radicalmente nueva para las turbinas eólicas marinas:en lugar de una torre alta y difícil de manejar con aspas en la parte superior, imaginó una turbina sin torre con aspas tensas como un arco.

Este diseño permitiría que el generador masivo que crea electricidad a partir de aspas giratorias se coloque más cerca del agua, en lugar de en la parte superior de una torre a 500 pies de altura. Esto hace que la turbina tenga menos peso en la parte superior y reduce el tamaño y el costo de la plataforma flotante necesaria para mantenerla a flote. Sandia presentó una solicitud de patente para el diseño en 2020.

Sin embargo, antes de que pudiera poner en marcha su idea, el equipo necesitaba crear un software capaz de modelar la respuesta de la turbina y la plataforma flotante a diferentes condiciones del viento y del mar para determinar el diseño óptimo de todo el sistema.

Ahora, el equipo de Sandia tiene una herramienta de diseño funcional, o "tablero de dibujo", y puede comenzar a diseñar y optimizar su sistema de aerogenerador flotante más liviano.

"Para diseñar nuestro sistema de turbina eólica flotante, necesitábamos una herramienta de diseño que pudiera simular el viento, las olas, la elasticidad de las palas, el movimiento de la plataforma y los controladores", dijo Ennis. "Hay algunas herramientas que pueden hacer algo de lo que necesitamos, pero sin toda la dinámica acoplada bidireccional pertinente para el diseño y la optimización de este tipo de aerogenerador. Fue una gran tarea, pero era esencial. No se puede". No sería una industria de aerogeneradores flotantes de eje vertical sin una herramienta de confianza como esta".

Aerogeneradores más ligeros y baratos para la energía eólica marina

Gran parte de la energía eólica marina de los EE. UU. sopla a través del agua a más de 200 pies de profundidad. A esas profundidades, sería muy costoso construir las estructuras de soporte rígidas que suelen utilizar las turbinas eólicas. Sin embargo, las turbinas eólicas que pueden flotar sobre el fondo del mar podrían desempeñar un papel importante en la diversificación de nuestras fuentes de energía renovable y en la mejora de la estabilidad de la red a medida que las ciudades y los estados se acercan a alcanzar sus objetivos de emisiones netas cero, dijo Ryan Coe, un ingeniero mecánico en el grupo de energía hidráulica de Sandia.

"La alta demanda eléctrica en las costas es una de las razones por las que la energía eólica marina parece atractiva; la gente tiende a vivir lejos de donde la energía eólica terrestre es más fuerte y no hay suficiente espacio en las ciudades para los paneles solares", dijo Coe. "Además, la energía eólica marina proporciona energía en diferentes momentos del día que la solar y la eólica terrestre".

Sin embargo, la energía eólica marina flotante presenta sus propios desafíos, agregó Ennis. Principalmente, es muy costoso mantener las turbinas eólicas y mantenerlas cuando están en el mar. El objetivo de un programa de energía de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada del Departamento de Energía es optimizar el diseño de turbinas eólicas flotantes, plataformas y sistemas de control para maximizar la producción de energía y minimizar los costos, dijo.

"Para nosotros, la pregunta es cómo eliminamos la masa y el costo del sistema mientras maximizamos la captura de energía, que es de donde obtuvimos nuestro innovador diseño de eje vertical sin torre", dijo Ennis.

La mayoría de las turbinas eólicas de hoy se basan en una torre alta con tres palas que giran un eje horizontal que hace girar un generador detrás de las palas en la góndola de la turbina, la caja en la parte superior de la turbina que contiene el rotor y otros componentes importantes. Pero esa no es la única forma de diseñar una turbina eólica, dijo Ennis. Algunas turbinas tienen dos o más palas sostenidas por un eje vertical con un generador debajo de las palas. Este diseño, llamado aerogenerador de eje vertical Darrieus, tiene un centro de gravedad más bajo y puede pesar menos que un aerogenerador tradicional, dijo Ennis, pero uno de sus principales desafíos es que es difícil proteger el aerogenerador de los vientos extremos.

En el caso de las turbinas eólicas tradicionales de eje horizontal, las palas pueden rotar en dirección opuesta a los vientos intensos y dañinos, pero el diseño de Darrieus atrapa el viento en todas las direcciones. El diseño de Sandia reemplaza la torre vertical central con cables de sujeción tensos, dijo Ennis. Estos cables se pueden acortar o alargar para adaptarse a las condiciones cambiantes del viento para maximizar la captura de energía mientras se controla la tensión. Además, reemplazar el eje con cables reduce aún más el peso de la turbina, lo que permite que la plataforma flotante sea aún más pequeña y menos costosa.

Desarrollo y validación de herramienta de diseño

Kevin Moore, ingeniero mecánico del grupo de energía eólica de Sandia, y el resto del equipo se basaron en el trabajo anterior del ingeniero de Sandia, Brian Owens, para desarrollar la herramienta de diseño de aerogeneradores de eje vertical. Coe y Michael Devin, otro ingeniero mecánico del grupo de energía eólica, también trabajaron en él. El equipo trabajó en la integración de algoritmos de física y, al mismo tiempo, mejoró la precisión y la velocidad de los algoritmos.

Moore también dirigió los esfuerzos para validar la herramienta de diseño utilizando datos de una turbina eólica de eje vertical de 34 metros de diámetro con base en tierra construida por Sandia en los años 80.

"Mientras trabajaba en el esfuerzo de validación, ha sido increíble ver la calidad del diseño y la innovación de los diseñadores heredados", dijo Moore. "Es un privilegio pararse sobre los hombros de gigantes mientras se aprovechan los recursos computacionales modernos".

Una de las razones por las que el equipo de Sandia está validando la herramienta de diseño es para que eventualmente pueda usarse para certificar diseños de aerogeneradores de eje vertical según los estándares de diseño pertinentes, dijo Ennis.

"En este momento, si una empresa quiere certificar una turbina eólica de eje vertical, no hay una herramienta de diseño confiable, por lo que hay mucha incertidumbre en ese proceso", dijo Ennis. "Para nosotros, poder proporcionar una herramienta de diseño confiable significa que los organismos de certificación estarían más dispuestos a aprobar diseños de turbinas eólicas de eje vertical, lo cual es necesario para el financiamiento y su implementación final".

Hacer girar un diseño de turbina optimizado

Ahora, el equipo puede comenzar a diseñar el sistema de aerogenerador flotante de eje vertical. La herramienta de diseño se puede usar para modelar y optimizar cualquier turbina eólica de eje vertical, ya sea que tenga una torre tradicional o cables de sujeción tensos, dijo Ennis. El equipo está utilizando un proceso denominado codiseño de control para encontrar el diseño y el control del sistema de aerogenerador de eje vertical flotante más rentable.

"Estamos diseñando todo el sistema, la turbina y la plataforma y su control, al mismo tiempo para reducir el costo nivelado de la energía, no solo el costo de la turbina en sí", dijo Ennis. "Normalmente, una empresa diseñará la turbina, otra empresa diseñará la plataforma flotante para ese diseño de turbina fija, y luego una tercera empresa instalará eso con otros sistemas para hacer una planta eólica marina; y al final obtienes lo que obtienes en términos de costo."

El equipo espera tener un diseño de sistema de aerogenerador de eje vertical flotante optimizado para fin de año, dijo Ennis, pero el proyecto no habría sido posible sin su nuevo software especializado.

"Esta es una herramienta genial en términos de la forma en que integra todas estas diferentes capacidades", dijo Coe. "Pudimos vincular las herramientas desarrolladas para modelar la aerodinámica y la dinámica estructural de las turbinas eólicas de eje vertical, áreas en las que Sandia siempre ha sido líder, y combinarlas con la hidrodinámica y hacerlas más adecuadas para la optimización del diseño". + Explora más

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