Nuevo modelo de turbina de referencia acelera el desarrollo de sistemas eólicos marinos más grandes y competitivos

Fuente: https://www.energy.gov

La turbina de referencia multimegawatt amplía las capacidades para evaluar la tecnología para diseños cada vez más grandes y de menor costo

Las mejoras en los diseños de turbinas eólicas pueden variar desde mejoras de componentes incrementales hasta innovaciones dramáticas que cambian sistemas completos. ¿Cómo pueden los investigadores colaborar con la industria para desarrollar más rápidamente turbinas nuevas, de alto rendimiento y con costos competitivos, o modificar las turbinas existentes, sin comprometer la información patentada? Las turbinas eólicas de referencia (diseños de acceso abierto de sistemas completos de turbinas eólicas con modelos de apoyo para herramientas de simulación y diseño) permiten evaluar el rendimiento y el costo de las modificaciones propuestas, en relación con un punto de referencia conocido y comprendido, antes del desarrollo del prototipo.

Desde su lanzamiento en 2005, una turbina eólica de referencia de 5 MW creada por el Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) del DOE ha demostrado ser invaluable para diseñadores e investigadores de todo el mundo. Otros aerogeneradores de referencia adicionales han sido lanzados desde entonces, pero la escala y las características de la tecnología de turbinas actualmente en desarrollo han avanzado más allá de los límites de estos modelos.

Ahora, se puede utilizar una nueva turbina eólica de referencia de código abierto para evaluar los diseños de turbinas en alta mar de hasta 15 MW. Esta nueva turbina eólica de referencia fue desarrollada por NREL, con fondos de WETO, en colaboración con la Universidad de Maine y la Universidad Técnica de Dinamarca a través de la Tarea 37 del Programa de Colaboración de Tecnología Eólica (IEA Wind) de la Agencia Internacional de Energía en Ingeniería de Sistemas en Energía Eólica. Esta disponible junto con otras dos turbinas eólicas de referencia de código abierto recientemente completadas por el esfuerzo de la IEA Wind Task 37: un diseño terrestre de 3,35 MW y un diseño costa afuera de 10 MW. 

«A medida que la tecnología continúa evolucionando, es crucial tener una tarea de IEA Wind para coordinar los esfuerzos internacionales para producir diseños que se mantengan al día o al ritmo del desarrollo de la industria», dijo John McCann, presidente de IEA Wind. «Esta tarea de IEA Wind permite una investigación relevante sobre análisis de sistemas de turbinas eólicas, innovación de diseño de componentes, desarrollo de controladores y más».

Además de su mayor tamaño, las turbinas de hoy en día han migrado hacia trenes de transmisión de menor velocidad, rotores y góndolas más pesadas, y menor potencia específica que las que se encuentran en otras turbinas eólicas de referencia. Los diseños de turbinas eólicas de referencia anteriores no satisfacían las necesidades actuales de la industria debido a las tendencias recientes en el escalado de palas, el diseño de cimientos flotantes, el control de plantas eólicas, los estudios logísticos y otras capacidades. Las turbinas eólicas en alta mar también enfrentan desafíos de instalación y mantenimiento distintos que las turbinas eólicas de referencia anteriores no abordaron de manera suficiente.

«Si bien ha habido mucho éxito a lo largo de los años con las turbinas de referencia existentes, ya no son representativas de la tecnología de turbinas más avanzada o de futuro cercano», dijo el investigador postdoctoral de NREL Evan Gaertner, quien dirigió el diseño esfuerzo.

El uso de modelos de turbina de referencia basados ​​en computadora permite una evaluación rápida y sólida de nuevas tecnologías contra una línea de base bien definida, acelerando el desarrollo de tecnología de mayor riesgo. La nueva turbina eólica de referencia IEA Wind de 15 MW incluye un diseño detallado de los principales subsistemas de la turbina (p. Ej., Rotor, tren de transmisión, torre, cimentación) y componentes (p. Ej., Palas, generador, eje, góndola), además de resúmenes en masa de componentes más pequeños (p. Ej. , motores de inclinación y guiñada), para permitir la evaluación de las innovaciones en los niveles de planta eólica, turbina eólica y subcomponentes.

El nuevo modelo de aerogenerador de referencia IEA Wind de 15 MW aborda los principales avances en la escala y las características de las turbinas en desarrollo. Ilustración de NREL.

La configuración IEA Wind de 15 MW se eligió para garantizar que las capacidades de la nueva turbina eólica de referencia avancen más allá de las de las turbinas de 10 MW a 12 MW que ya están en desarrollo por industria, pero que sean lo suficientemente similares como para servir como línea de base para 15 MW a diseños de 20 MW de próxima generación y actuar como un valioso recurso de desarrollo en el futuro previsible.

«Las turbinas eólicas en alta mar han eclipsado la lista actual de turbinas de referencia en términos de tamaño y utilidad», dijo Garrett Barter, ingeniero de investigación senior de NREL e investigador principal del proyecto. «Necesitábamos una nueva turbina de referencia para adelantarnos a la industria actual, pero no tanto como para necesitar tecnología avanzada para llegar allí».

Las instalaciones en alta mar pueden capturar altas velocidades del viento cerca de los centros de población, con abundantes recursos aproximadamente dos veces la capacidad de generación combinada de todas las plantas de energía eléctrica de EE. UU. Sin embargo, la logística compleja de construcción y mantenimiento de estos sistemas plantea desafíos para hacerlos más competitivos con los sistemas terrestres. La nueva turbina eólica de referencia permite a los investigadores y diseñadores evaluar las opciones para un soporte de monopilo de fondo fijo y una estructura de soporte flotante y semisumergible.

«Estamos viendo el primer acero en el agua para cimientos de fondo fijo», dijo Barter. «Con suerte, un proyecto comercial de energía eólica marina flotante en los Estados Unidos se concretará en los próximos 5 a 10 años».

La turbina de referencia de 15 MW acomoda múltiples modelos de software y proporcionará una herramienta de dominio público para diseñar turbinas eólicas offshore de próxima generación. La nueva turbina eólica de referencia se puede aplicar a una amplia gama de proyectos, lo que permite examinar el impacto potencial de las especificaciones de diseño del rotor de alto nivel, como los perfiles de perfil aerodinámico, el rendimiento del rotor, la potencia, el paso, el par y el empuje.

La turbina eólica de referencia IEA Wind de 15 MW se desarrolló en colaboración con organizaciones de investigación y líderes de la industria en todo el mundo. NREL llevó a cabo estudios de optimización de diseño para el rotor, el generador, la transmisión, la góndola, la torre, el controlador y los soportes de fondo fijo. El proyecto COREWIND de la Universidad Técnica de Dinamarca y la Unión Europea proporcionó un amplio análisis de rendimiento y carga. La Universidad de Maine contribuyó con el diseño de la subestructura flotante semisumergible. General Electric, EDF Renewables, Senvion, Sintef y Atkins proporcionaron información para calibrar los supuestos de diseño y los valores de entrada.

A través del portal de código abierto GitHub, los miembros de la comunidad más amplia de investigación y diseño pueden acceder a archivos de entrada que admiten herramientas de análisis y contribuyen con variantes de diseño. El enfoque de código abierto para la turbina eólica de referencia de 15 MW brinda a la industria una línea de base de dominio público para colaborar con los investigadores sin exponer secretos comerciales. A medida que los usuarios proporcionan entradas del modelo, se agregarán características al repositorio, ampliando las capacidades de la herramienta. Este enfoque también se adoptó con éxito para las otras dos turbinas eólicas de referencia, la de 3.35 MW y la de 10 MW, lanzadas recientemente por IEA Wind Task 37 y también en  GitHub.   

El interés se está extendiendo en la turbina eólica de referencia de 15 MW, que ya ha aparecido en múltiples propuestas y documentos. Wind Europe está utilizando la turbina eólica de referencia para un proyecto de viento flotante, y el DOE la está utilizando como base para evaluar los diseños de transmisión de peso ligero de próxima generación.

«La turbina eólica de referencia IEA Wind de 15 MW representa el futuro de la energía eólica marina en los Estados Unidos y en todo el mundo, tanto cerca de la costa como en aguas profundas», dijo Gaertner.