Tendencias de desarrollo en tecnología de turbinas eólicas y el futuro de la energía eólica

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Fuente: https://www.altenergymag.com

Autores: Dr. Raj Shah, Sr. Stanley Zhang, Sr. Andrew Kim

Los investigadores de la industria están trabajando para desarrollar una mejor tecnología de turbinas, como generadores de mayor eficiencia y palas más confiables para minimizar los costos de energía y fabricación.

Los investigadores de la industria están trabajando para desarrollar una mejor tecnología de turbinas, como generadores de mayor eficiencia y palas más confiables para minimizar los costos de energía y fabricación.

Tendencias de desarrollo en tecnología de turbinas eólicas y el futuro de la energía eólica

La energía eólica es una fuente esencial de electricidad y representa aproximadamente el 8% de la energía doméstica en los EE. UU. [1]. Las turbinas eólicas modernas suelen durar entre 20 y 25 años de funcionamiento. Dependiendo de las condiciones ambientales, el tamaño de la turbina y la velocidad del viento, una turbina puede producir hasta 6 millones de kWh en un año [2]. Las turbinas eólicas generan electricidad a partir del viento que pasa a través de las palas de la turbina. La energía cinética del viento es luego capturada por las palas a través de la rotación y se convierte en energía mecánica. La rotación de la cuchilla hace que el eje interno, que está conectado a la caja de cambios, gire 100 veces más rápido, produciendo electricidad [3]. En las ultimas decadas, Las turbinas eólicas han evolucionado en muchos aspectos para volverse más relevantes en el sector energético actual y ahora se consideran una de las principales fuentes de energía renovable que pueden ayudar a reducir las emisiones de gas de carbón. Aunque las turbinas eólicas tienen sus ventajas, también tienen desventajas, que incluyen altos costos, durabilidad subóptima y requisitos de mantenimiento constante en condiciones climáticas adversas, lo que es especialmente cierto para las turbinas eólicas marinas. Estos problemas deben minimizarse para que la energía eólica se convierta en una fuente dominante de energía renovable y compita adecuadamente con los combustibles fósiles convencionales. 

Actualmente, los investigadores de la industria están trabajando para desarrollar una mejor tecnología de turbinas, como generadores de mayor eficiencia y palas más confiables para minimizar los costos de energía y fabricación [3]. Los trabajadores de la industria de la energía eólica también han desarrollado recientemente palas de formas y configuraciones diferentes para mejorar la robustez y la velocidad de rotación [4]. Además, la tecnología de energía eólica marina se ha investigado más y esta investigación ha aportado ventajas y formas de minimizar las desventajas de estos diseños flotantes. En aguas profundas, los estudios encontraron que, aunque requerían un cableado más dinámico y eran propensos a condiciones climáticas más extremas y costos de amarre, estas turbinas eólicas marinas podrían reducir los costos de transporte, instalación y ensamblaje en comparación con las turbinas terrestres. Además, Se han realizado esfuerzos para reducir los costos de construcción / reparación de las turbinas eólicas marinas, por lo que las plataformas, como las plataformas semisumergibles amarradas en catenaria (CMSSP), las plataformas de patas de tensión (TLP) y la boya de mástil, se estudiaron y desarrollaron en profundidad. Ya se han desarrollado varias turbinas marinas en Europa, con desarrollos similares que probablemente seguirán en los EE. UU. Y Japón debido a sus largas costas y batimetrías de los fondos marinos abruptamente inclinados. Se espera que estos países sean los primeros en experimentar avances técnicos en energía eólica flotante. Si bien maximizar la durabilidad y la eficiencia de las turbinas eólicas son prioridades clave para consolidar la energía eólica como una fuente principal de energía renovable, las consideraciones sobre costos y asignaciones, ya sean más instalaciones en áreas costeras o en montañas, son esenciales para evaluar la viabilidad general. Este artículo destacará los avances recientes en la tecnología de turbinas eólicas, una comparación entre las turbinas terrestres y marinas, y los desarrollos futuros en la tienda de la energía eólica.

Nuevas actualizaciones para aerogeneradores

CMSSP

En cuanto a las turbinas eólicas marinas, el CMSSP es una plataforma diseñada para servir como base de las turbinas eólicas marinas y se está desarrollando rápidamente para permitir que estas turbinas flotantes sean duraderas y funcionen en aguas profundas [5]. Estas plataformas están compuestas por una serie de conexiones entre columnas y tirantes de acero. Estos tirantes de acero están sujetos a líneas de amarre, que están incrustadas en el lecho marino, como se muestra en la Figura 1.

Figura 1. Disposición de plataformas flotantes semisumergibles para aerogeneradores [5].

A medida que aumenta la profundidad del agua, aumentan los costos de fabricación / reparación, pero también hay muchos beneficios. Los beneficios incluyen costos más bajos que las configuraciones de fondo fijo en aguas profundas, instalación más fácil, extracción de piezas sin esfuerzo y una gama más amplia de sitios de instalación. Además, estas cimentaciones tienen varias ventajas sobre otras cimentaciones ampliamente utilizadas porque pueden instalarse en el muelle y transportarse al mar, a diferencia de los TLP o las boyas de mástil. Otras ventajas incluyen menores costos de instalación del sistema de amarre en comparación con otras cimentaciones y mejores comportamientos hidrodinámicos debido a calados más largos y menos fuerzas de excitación de olas que actúan sobre él. 

Se han desarrollado técnicas para simular campos de viento, como el uso de EllipSys3D con FLEX5, que es un solucionador de flujo tridimensional que estima las velocidades del viento en coordenadas de sección de pala [5]. El flujo en el rotor de las turbinas muestra poco efecto de inestabilidades, lo que demuestra que el modelo es preciso para el flujo del viento en las palas. El modelo es capaz de capturar todos los cambios importantes en los aerogeneradores de eje vertical con una buena evaluación cuantitativa del campo de flujo, adquirir la deformación de expansión radial de la estela y calcular rápidamente el rendimiento aerodinámico de los aerogeneradores en condiciones estables axiales [6]. 

TLP

Los TLP se utilizan a menudo para desarrollos de petróleo / gas en aguas profundas debido a sus características de movimiento favorables, pero son más costosos que las boyas de mástil y las plataformas amarradas en catenaria. Sin embargo, cuando los TLP se utilizan como plataformas para turbinas eólicas, se puede reducir su desplazamiento, resistencia a la tracción y masa de acero. Esto se debe a que su peso total es mucho más ligero que cuando se utiliza para plataformas de petróleo / gas, lo que permite que las fuerzas del viento y las olas disminuyan cuando se encuentran con los TLP [7]. Los TLP están experimentando una mayor popularidad, ya que su diseño conceptual es un área activa de investigación y los trabajadores industriales están comenzando a interesarse más en el uso de estas plataformas para turbinas eólicas de aguas profundas. La mayoría de las estructuras de TLP constan de una sola columna y de tres a cuatro pontones que permiten una flotabilidad sustancial. El casco está formado por un cilindro de acero y un cilindro saliente para soportar las patas de tensión. Es deseable que los tendones tengan un peso insignificante.

La figura 2. (a) muestra un TLP general adjunto a una turbina eólica y las posibles direcciones del viento. (b) muestra el mismo TLP pero muestra los parámetros (h1, D1 y D2 representan el casco, rp, hp y wp muestran los pontones, y las líneas verticales inferiores son los tramos de tensión).

(c) es un diseño diferente que tiene pontones y tendones circulares huecos [7].

El objetivo principal del casco en las turbinas eólicas TLP es disminuir los costos de electricidad mediante la maximización de la eficiencia de conversión de energía, al tiempo que se minimizan los costos operativos, de fabricación y de mantenimiento. Para minimizar los costos de fabricación, se debe minimizar la masa de acero, la resistencia a la tracción y el tamaño total. Limitar las tarifas de operación y mantenimiento requiere la reducción de las cargas de la góndola, el tendón, la torre y la hoja. Optimizar la estructura y el diseño del TLP es crucial para su efectividad y reducir los costos de mantenimiento. En un experimento para determinar qué configuración optimizaría la eficiencia de conversión de energía, reduciría los costos y permanecería más estable durante condiciones climáticas adversas, se diseñaron cuatro TLP diferentes para un análisis comparativo. El primer diseño tenía el casco más pesado, la mayor estabilidad, y el menor tiempo de instalación de estos diseños y tenían costos operativos y de mantenimiento similares a los demás; sin embargo, era el más caro de fabricar. El segundo diseño tenía el 60% del desplazamiento del primer diseño, pero era inestable para el remolque porque solo el 30% del desplazamiento estaba en los pontones de 3 patas [7]. Los diseños tercero y cuarto se realizaron después de descubrir los problemas con el primer y segundo diseño. Ambos tenían el 70% del desplazamiento en los pontones, optimizando la distribución del peso total del TLP para que el otro 30% del casco pudiera contener los aerogeneradores [7]. Aunque tener menos desplazamiento que los otros dos diseños lo hizo más propenso a sufrir daños, los costos fueron significativamente menores y la pequeña columna en el casco hizo que la turbina fuera más transparente a las olas. El segundo diseño tenía el 60% del desplazamiento del primer diseño, pero era inestable para el remolque porque solo el 30% del desplazamiento estaba en los pontones de 3 patas [7]. Los diseños tercero y cuarto se realizaron después de descubrir los problemas con el primer y segundo diseño. Ambos tenían el 70% del desplazamiento en los pontones, optimizando la distribución del peso total del TLP para que el otro 30% del casco pudiera contener los aerogeneradores [7]. Aunque tener menos desplazamiento que los otros dos diseños lo hizo más propenso a sufrir daños, los costos fueron significativamente menores y la pequeña columna en el casco hizo que la turbina fuera más transparente a las olas. El segundo diseño tenía el 60% del desplazamiento del primer diseño, pero era inestable para el remolque porque solo el 30% del desplazamiento estaba en los pontones de 3 patas [7]. Los diseños tercero y cuarto se realizaron después de descubrir los problemas con el primer y segundo diseño. Ambos tenían el 70% del desplazamiento en los pontones, optimizando la distribución del peso total del TLP para que el otro 30% del casco pudiera contener los aerogeneradores [7]. Aunque tener menos desplazamiento que los otros dos diseños lo hizo más propenso a sufrir daños, los costos fueron significativamente menores y la pequeña columna en el casco hizo que la turbina fuera más transparente a las olas. Los diseños tercero y cuarto se realizaron después de descubrir los problemas con el primer y segundo diseño. Ambos tenían el 70% del desplazamiento en los pontones, optimizando la distribución del peso total del TLP para que el otro 30% del casco pudiera contener los aerogeneradores [7]. Aunque tener menos desplazamiento que los otros dos diseños lo hizo más propenso a sufrir daños, los costos fueron significativamente menores y la pequeña columna en el casco hizo que la turbina fuera más transparente a las olas. Los diseños tercero y cuarto se realizaron después de descubrir los problemas con el primer y segundo diseño. Ambos tenían el 70% del desplazamiento en los pontones, optimizando la distribución del peso total del TLP para que el otro 30% del casco pudiera contener los aerogeneradores [7]. Aunque tener menos desplazamiento que los otros dos diseños lo hizo más propenso a sufrir daños, los costos fueron significativamente menores y la pequeña columna en el casco hizo que la turbina fuera más transparente a las olas. 

Boyas de mástil

Las boyas de mástil son otra plataforma de uso común para turbinas eólicas y, al igual que los TLP, se utilizan comúnmente en las industrias de petróleo y gas en alta mar. Este concepto de mástil se ha desplegado en la costa suroeste de Noruega y se desplegará en otras áreas costeras una vez que se cumplan los requisitos básicos de suficiente estabilidad vertical, de balanceo y de cabeceo. La boya está compuesta por seis secciones que contribuyen a la estabilidad de la turbina eólica. La Tabla 1 muestra las seis secciones con su función. 

Tabla 1. Diferentes secciones de la boya de larguero enumeradas con sus funciones y propósitos previstos [8].

SecciónFuncionalidad
Área del avión de aguaÁrea del plano de agua, midiendo la rigidez vertical.
TransiciónConecta la línea de agua con la sección de flotabilidad.
Flotabilidad principalSección voluminosa que proporciona la principal flotabilidad.
Lastre (pesado)Un lastre es un material pesado, en este caso de hierro, colocado bajo en una embarcación para proporcionar estabilidad.
Zapata (la mayor parte de la sección inferior)Placa inferior que también se puede utilizar para aumentar la fuerza de arrastre vertical y agregar masa
Fairlead (utilizado para medir la tensión)A medida que el lastre aumenta el peso, la tensión de la propia boya aumenta, haciéndola más propensa a la corrosión y las grietas.

Rodamientos de paso

Además de las plataformas, hay nuevas actualizaciones para los cojinetes de cabeceo, que se pueden instalar tanto en turbinas eólicas terrestres como marinas. Los cojinetes de paso son los que conectan el rotor a las palas y pueden ajustar las palas a un cierto ángulo para optimizar la captura del viento. Las desventajas de los rodamientos de paso típicos son que no pueden girar más de 90 grados, tienen un ángulo de oscilación de <5 grados, se mantienen estacionarios durante períodos prolongados y están sujetos a vibraciones constantes cuando la turbina está en funcionamiento. Esto ejerce una gran presión sobre los componentes del cojinete de paso y puede provocar la degradación del lubricante y el desgaste del adhesivo [10]. Además, estos rodamientos se observan cada dos años o anualmente debido a las ubicaciones aisladas de la mayoría de las turbinas eólicas. Las causas principales de falla de los rodamientos son una lubricación deficiente y la degradación de la grasa, que pueden causar corrosión, desgaste vibratorio y abolladuras por escombros [10]. Debido a esto, la selección adecuada de lubricante / grasa y las máquinas de lubricación de alimentación continua son importantes para garantizar la máxima eficiencia y el mínimo mantenimiento. Los componentes de la turbina eólica que experimentan fricción y desgaste y requieren lubricación son los cojinetes de paso, los cojinetes del eje principal, la caja de engranajes, el mando de guiñada y el cojinete del generador [11]. 

Figura 3. Componentes mecánicos de un aerogenerador [12].

Otra área de preocupación es la sobrecarga, que ocurre cuando los rodamientos no están firmemente apoyados, lo que hace que una fracción de la pista de rodadura lleve la mayor parte de la carga. La sobrecarga puede provocar el truncamiento de los contactos (la probabilidad puede aumentar debido a la disminución del soporte externo), el aplastamiento del núcleo de la pista de rodadura y las fracturas de los componentes. Sin embargo, con las actualizaciones de rodamientos, todos estos problemas se pueden minimizar o resolver por completo. Las actualizaciones pueden incluir el fortalecimiento de las pistas, la carga de los bordes, abordar el desgaste del separador y trabajar directamente con un fabricante que pueda ofrecer soluciones avanzadas de rodamientos que pueden ayudar a ahorrar tiempo y dinero. Además, con anillos separadores inductores, como se muestra en la Figura 4, se pueden reducir las cargas de tracción y compresión. Junto a esto, el dimensionamiento geométrico estricto puede crear una forma casi perfecta, lo que resulta en menos fricción, deslizamiento y puntos estrechos. que minimiza la degradación interna y mejora la respuesta y la eficiencia del sistema de tono. Los sellos de los cojinetes de paso desempeñan dos funciones cruciales en la prevención de la exposición interna y el bloqueo de los lubricantes. Desafortunadamente, los sellos anticuados son caucho de nitrilo butadieno hidrogenado, que se degrada rápidamente cuando se expone a los rayos UV, no protege las partes internas de los cojinetes y tiene una respuesta lenta a los cambios en las frecuencias de las ondas. Sin embargo, un sello mejorado llamado «perfil H», que se muestra en la Figura 4, está hecho de poliuretano termoplástico, lo que mejora significativamente la efectividad del sello [10]. Es muy sensible, funciona de manera eficiente incluso cuando está deformado, reduce las fugas de grasa y tiene una tasa de desgaste significativamente menor que un sello de goma. Estas mejoras colectivas ayudan a mejorar la robustez y reducir los costos de mantenimiento. Los sellos de los cojinetes de paso desempeñan dos funciones cruciales en la prevención de la exposición interna y el bloqueo de los lubricantes. Desafortunadamente, los sellos anticuados son caucho de nitrilo butadieno hidrogenado, que se degrada rápidamente cuando se expone a los rayos UV, no protege las partes internas de los cojinetes y tiene una respuesta lenta a los cambios en las frecuencias de las ondas. Sin embargo, un sello mejorado llamado «perfil H», que se muestra en la Figura 4, está hecho de poliuretano termoplástico, lo que mejora significativamente la efectividad del sello [10]. Es muy sensible, funciona de manera eficiente incluso cuando está deformado, reduce las fugas de grasa y tiene una tasa de desgaste significativamente menor que un sello de goma. Estas mejoras colectivas ayudan a mejorar la robustez y reducir los costos de mantenimiento. Los sellos de los cojinetes de paso desempeñan dos funciones cruciales en la prevención de la exposición interna y el bloqueo de los lubricantes. Desafortunadamente, los sellos anticuados son caucho de nitrilo butadieno hidrogenado, que se degrada rápidamente cuando se expone a los rayos UV, no protege las partes internas de los cojinetes y tiene una respuesta lenta a los cambios en las frecuencias de las ondas. Sin embargo, un sello mejorado llamado «perfil H», que se muestra en la Figura 4, está hecho de poliuretano termoplástico, lo que mejora significativamente la efectividad del sello [10]. Es muy sensible, funciona de manera eficiente incluso cuando está deformado, reduce las fugas de grasa y tiene una tasa de desgaste significativamente menor que un sello de goma. Estas mejoras colectivas ayudan a mejorar la robustez y reducir los costos de mantenimiento. Los sellos anticuados son caucho de nitrilo butadieno hidrogenado, que se degrada rápidamente cuando se expone a los rayos UV, no protege las partes internas de los cojinetes y tiene una respuesta lenta a los cambios en las frecuencias de las ondas. Sin embargo, un sello mejorado llamado «perfil H», que se muestra en la Figura 4, está hecho de poliuretano termoplástico, lo que mejora significativamente la efectividad del sello [10]. Es muy sensible, funciona de manera eficiente incluso cuando está deformado, reduce las fugas de grasa y tiene una tasa de desgaste significativamente menor que un sello de goma. Estas mejoras colectivas ayudan a mejorar la robustez y reducir los costos de mantenimiento. Los sellos anticuados son caucho de nitrilo butadieno hidrogenado, que se degrada rápidamente cuando se expone a los rayos UV, no protege las partes internas de los cojinetes y tiene una respuesta lenta a los cambios en las frecuencias de las ondas. Sin embargo, un sello mejorado llamado «perfil H», que se muestra en la Figura 4, está hecho de poliuretano termoplástico, lo que mejora significativamente la efectividad del sello [10]. Es muy sensible, funciona de manera eficiente incluso cuando está deformado, reduce las fugas de grasa y tiene una tasa de desgaste significativamente menor que un sello de goma. Estas mejoras colectivas ayudan a mejorar la robustez y reducir los costos de mantenimiento. está hecho de poliuretano termoplástico, lo que mejora significativamente la eficacia del sellado [10]. Es muy sensible, funciona de manera eficiente incluso cuando está deformado, reduce las fugas de grasa y tiene una tasa de desgaste significativamente menor que un sello de goma. Estas mejoras colectivas ayudan a mejorar la robustez y reducir los costos de mantenimiento. está hecho de poliuretano termoplástico, lo que mejora significativamente la eficacia del sellado [10]. Es muy sensible, funciona de manera eficiente incluso cuando está deformado, reduce las fugas de grasa y tiene una tasa de desgaste significativamente menor que un sello de goma. Estas mejoras colectivas ayudan a mejorar la robustez y reducir los costos de mantenimiento.     

Figura 4. La división del anillo separador en segmentos permite una libertad de movimiento individual limitada, lo que reduce la carga de tracción y compresión (arriba). Los cojinetes averiados (rojos) son de goma, mientras que los cojinetes mejorados (azules) muestran el sello H (abajo) [10].   

Por último, el embalaje y la manipulación adecuados para el almacenamiento son cruciales para mantener la pizarra limpia de los rodamientos. Los rodamientos deben empaquetarse en papel inhibidor de corrosión volátil y recubrimientos preventivos de corrosión para prevenir la contaminación, degradación y corrosión por peligros durante el transporte. También es esencial que antes de instalar los cojinetes en las turbinas eólicas, el cojinete aún debe estar envuelto porque una pequeña exposición a contaminantes, especialmente suciedad y agua, puede causar corrosión, fracturas inducidas por hidrógeno, grabado estático y rozamiento [10].

Turbinas terrestres frente a turbinas marinas

Las turbinas eólicas marinas se consideran desarrollos recientes en comparación con las turbinas eólicas terrestres convencionales. Las turbinas eólicas flotantes en alta mar son más difíciles de alcanzar, son más propensas a dañarse y son más caras de instalar y operar. Sin embargo, los avances tecnológicos actuales pueden fortalecer la torre y proporcionar más protección al manejar las fuerzas de las olas o los flujos de hielo. Además, la mejora de las góndolas de estas turbinas puede evitar que la corrosión del agua de mar dañe los componentes eléctricos internos. Dado que la dirección y la velocidad de los vientos se están volviendo cada vez más predecibles en alta mar que en tierra con los avances tecnológicos, la inversión en energía eólica marina crecerá a un ritmo más rápido de lo normal y puede servir como la principal fuente de energía renovable. 

Cuadro 2. Pros y contras de las turbinas eólicas terrestres y marinas [13].

Turbinas terrestresTurbinas marinas
ProsContrasProsContras
Considerablemente menos costosoEficiencia limitada debido a la velocidad y dirección impredecibles del viento.Más eficiente debido a las direcciones y velocidades del viento constantesTecnología costosa asociada con la transferencia de energía desde las turbinas.
Una de las formas más baratas de energía renovable.Puede poner en peligro la vida silvestre voladora, como pájaros y murciélagos.Se requieren menos turbinas para producir la misma cantidad de electricidadAumento de los costos de operación y mantenimiento causados ​​por un mayor desgaste por el viento y las olas.
Impulsar las economías localesPuede causar contaminación acústica e impacto visual negativo.Sin riesgo de impacto visual e interferencia con el uso de la tierraSe requieren tiempos de espera más largos para corregir cualquier problema potencial debido a un acceso más limitado
Menos emisiones asociadas al transporte de estructuras eólicasIncapacidad para producir energía durante todo el año debido a la dependencia de condiciones óptimas de viento.Protege los hábitats acuáticos al restringir el acceso a determinadas aguas.Actualmente limitado en su capacidad para beneficiar a las economías locales.
Menos caídas de tensión entre el molino de viento y el consumidor No hay restricciones físicas en estas ubicaciones para bloquear el flujo del viento. 


Futuros desarrollos

Tamaño del rotor y forma de la hoja

Para reducir los costos de conversión de energía y optimizar la producción de energía, investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) y Sandia National Laboratories (SNL) están trabajando juntos para diseñar rotores de 206 metros para turbinas terrestres [14]. Con palas más grandes, se puede aprovechar y utilizar más energía cinética del viento para generar electricidad. Sin embargo, los costos de transporte y fabricación aumentarán en respuesta al aumento de la masa y la demanda de material. El NREL y el SNL también han ideado una forma de disminuir la rigidez de las palas y para que la turbina retenga más viento, independientemente de la velocidad [14]. La configuración del rotor hacia abajo reduce el requisito de rigidez porque el viento empuja las palas lejos de la torre, lo que hace que las palas sean más ligeras y garantiza la seguridad / espacio libre de la torre. La Figura 6 compara las tradicionales turbinas eólicas ascendentes con altos requisitos de rigidez de las palas y las palas cónicas descendentes recientemente desarrolladas, que pueden seguir el viento utilizando su mecanismo cónico. La División Wind Blade de Carver y Sandia National Laboratories están desarrollando una pala de turbina eólica que potencialmente podría capturar un 12% más de viento que las turbinas normales. La pala tiene una punta pequeña y curva, a diferencia de otras turbinas, que puede optimizar la captura del viento [14]. 

Figura 5. Configuración de cono variable (izquierda) [15] y configuración de rotor tradicional (derecha) [16].

Cambiar la forma de las palas de las turbinas tradicionales permite fabricar palas más ligeras. Este enfoque permite la estabilidad aeroelástica, pero a costa de una mayor complejidad para la fabricación y el control. Los investigadores del NREL están trabajando actualmente en el diseño de hojas más ligeras y en la optimización de la colocación de los casquillos en las hojas sin aumentar el grosor. Esto minimizaría la masa de la hoja y aumentaría la resistencia. Sin embargo, también existen problemas de transporte al mover estas hojas grandes ensambladas. Debido a esto, los componentes de las turbinas eólicas se fabrican en secciones, que posteriormente se transportan para ser ensambladas in situ [14].

Inspección robótica

Originalmente, el método principal para identificar los daños en las turbinas eólicas era mediante la inspección manual, que implicaba el uso de una cámara y un teleobjetivo. Sin embargo, debido a las limitaciones humanas, los daños de las turbinas eólicas rara vez se detectan antes de alcanzar estados críticos. SNL, International Climbing Machines y Dolphitech están trabajando juntos para desarrollar un robot autónomo que se pueda conectar verticalmente a una turbina eólica, mover y detectar cualquier problema externo o interno con cámaras a bordo y su «imagen ultrasónica de matriz de fase» de forma autónoma [17] . El propósito de este desarrollo es localizar rápidamente los daños de la turbina para minimizar los costos de mantenimiento y el tiempo de inactividad de la turbina, lo que puede mejorar la vida útil y la eficiencia de la turbina. 

SNL también está trabajando para equipar los drones con cámaras infrarrojas para detectar daños a través de imágenes térmicas. Este proceso implica exponer las hojas a la luz del sol y luego cubrirlas con sombras. Cuando no hay luz solar brillando sobre las palas, el calor de las palas se difunde hacia el interior sin dañar nada. Sin embargo, las áreas dañadas evitan que el calor se difunda hacia adentro, lo que deja la superficie caliente y estos puntos calientes en la cámara de infrarrojos muestran daños.

Figura 6. Oruga robótica realizando una inspección en una turbina eólica terrestre [17].

Funcionalidad para clima frío

En noticias recientes, las tormentas invernales azotaron el estado de Texas a fines de febrero de 2021, dejando a más de cuatro millones de tejanos sin electricidad ni calefacción durante los picos de los cortes [18]. La causa principal de estos cortes de energía se atribuyó a la interrupción de las plantas de energía nuclear, carbón y gas natural del estado debido a las condiciones de congelación. Además, las temperaturas extremadamente frías provocaron que las turbinas eólicas se congelaran, lo que indujo significativamente más interrupciones, como Texas

tiene cerca de 15.000 aerogeneradores y la energía eólica representó el 23% de la electricidad del estado en 2020 [19]. Aunque los combustibles fósiles son la principal fuente de producción de electricidad en Texas, la pérdida de turbinas eólicas aumentó sustancialmente la escasez de energía durante la crisis climática, ya que la demanda de energía se disparó. 

Generación de electricidad en Texas - Statista
Figura 7. Un desglose de las fuentes primarias de electricidad en Texas y, en consecuencia, los sectores más afectados por las tormentas invernales [20].

La funcionalidad deficiente de baja temperatura y la falta de paquetes para clima frío son las principales razones del congelamiento de las turbinas eólicas de Texas. Normalmente, las turbinas eólicas empleadas en regiones más frías están equipadas con dispositivos de deshielo y calefacción integrada para proteger los componentes cruciales de las turbinas, como los motores de cabeceo y guiñada, la caja de engranajes y la batería, de temperaturas extremadamente negativas [21]. Las tecnologías especializadas contra el hielo y el clima frío están diseñadas para evitar la acumulación de hielo en las palas de las turbinas, así como la detección y eliminación de hielo en circunstancias inevitables. La acumulación de hielo en las palas de las turbinas eólicas puede obstaculizar gravemente su rendimiento, ya que añade peso y cambia la aerodinámica de las palas, lo que puede desequilibrar las palas giratorias o impedir la rotación total de las palas [19]. 

Sin embargo, debido al clima históricamente cálido de Texas, se renuncia a la adición de mecanismos antihielo a favor de ahorrar costos. Las recientes tormentas invernales pueden propiciar la promoción de la implementación de tecnologías de clima frío para mejorar la funcionalidad de las turbinas eólicas bajo temperaturas gélidas, con el fin de prevenir crisis inducidas por el clima en el futuro. 

El parque eólico de Lac Alfred ubicado cerca de Amqui, Quebec, había experimentado previamente un tiempo de inactividad significativo de la turbina debido a la acumulación de hielo, lo que resultó en la implementación del Sistema de Prevención de Hielo (WIPS) de Wicetec Oy [22]. Este sistema utiliza calentadores eléctricos integrados a base de carbono para calentar rápidamente la superficie de las palas de la turbina a una temperatura controlada cuando se detecta hielo [23]. Caribou Wind Farm en New Brunswick, Canadá, ha estado probando la tecnología WIPS pero no ha podido justificar su costosa implementación en todas sus palas de turbinas eólicas. La falta de condiciones de formación de hielo significativas ha provocado que Caribou Wind Farm recurra a otras opciones de descongelación, como baldosas calentadas eléctricamente, uso de pintura negra en las palas para absorber la energía UV y recubrimientos aplicados desde helicópteros [22]. A pesar de tener un clima mucho más cálido,

Figura 8. Un helicóptero que rocía agentes antihielo directamente sobre las palas de una turbina eólica, según lo probado por Caribou Wind Farms [23].

Conclusión

La energía eólica es una fuente de energía alternativa en crecimiento y puede reemplazar a los combustibles fósiles convencionales en el futuro, si se realiza una investigación y un desarrollo adecuados. Hay muchos avances / desarrollos recientes en el campo de la energía eólica, como plataformas marinas que pueden reducir los costos de electricidad y se pueden instalar fácilmente en superficies de aguas profundas. Las aguas profundas cercanas a las zonas costeras tienen velocidades y direcciones de viento predecibles, lo que permite una generación de electricidad óptima. Además, los desarrollos futuros, como los rastreadores robóticos, pueden inspeccionar y detectar problemas en las grandes turbinas eólicas, mientras que los nuevos avances en el tamaño del rotor y las palas permiten un uso óptimo del viento, junto con costos de fabricación mínimos. Además, es probable que se haga más hincapié en la funcionalidad de las turbinas eólicas en climas fríos, ya que las condiciones de temperaturas extremadamente bajas pueden hacer que las turbinas se congelen y dejar a poblaciones significativas sin electricidad y calor, como lo destacan las recientes tormentas invernales que azotaron Texas. Al comparar las turbinas eólicas terrestres y marinas, las similitudes y diferencias entre las dos son evidentes. Las turbinas eólicas terrestres cuestan menos de administrar y fabricar, pero no pueden producir energía durante todo el año. Además, las ubicaciones de sus sitios de instalación experimentan velocidades y direcciones del viento impredecibles. Las turbinas eólicas marinas son más costosas de fabricar y mantener, pero con inversiones y avances tecnológicos, pueden proporcionar mucha más energía que las turbinas eólicas terrestres. Al comparar las turbinas eólicas terrestres y marinas, las similitudes y diferencias entre las dos son evidentes. Las turbinas eólicas terrestres cuestan menos de administrar y fabricar, pero no pueden producir energía durante todo el año. Además, las ubicaciones de sus sitios de instalación experimentan velocidades y direcciones del viento impredecibles. Las turbinas eólicas marinas son más costosas de fabricar y mantener, pero con inversiones y avances tecnológicos, pueden proporcionar mucha más energía que las turbinas eólicas terrestres. Al comparar las turbinas eólicas terrestres y marinas, las similitudes y diferencias entre las dos son evidentes. Las turbinas eólicas terrestres cuestan menos de administrar y fabricar, pero no pueden producir energía durante todo el año. Además, las ubicaciones de sus sitios de instalación experimentan velocidades y direcciones del viento impredecibles. Las turbinas eólicas marinas son más costosas de fabricar y mantener, pero con inversiones y avances tecnológicos, pueden proporcionar mucha más energía que las turbinas eólicas terrestres. 

El Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) predice que el país tendrá 404 gigavatios de capacidad de energía eólica para 2050, suficiente para satisfacer más de un tercio de la demanda de electricidad del país [24]. Con la creciente demanda de energía limpia y renovable por parte de los consumidores, la industria eólica es la segunda fuente de energía renovable más rápida en crecer, según la Oficina de Trabajo de Estados Unidos [25]. Sin embargo, existen algunos inconvenientes, como los altos costos de construcción y la poca durabilidad asociada con las turbinas eólicas. Una innovación tecnológica desarrollada y actualmente en proceso de actualización es el diseño del flotador tipo araña. Esta tecnología de subestructura flotante se desarrolló para maximizar la generación de energía para reducir costos y mejorar la viabilidad económica de las turbinas eólicas marinas. Otra innovación importante realizada en turbinas eólicas son los generadores de accionamiento directo (DDG), que tienen la capacidad de generar electricidad a la velocidad del rotor [26]. Sin embargo, se necesitan imanes costosos para sustituir los imanes originales para alcanzar una frecuencia específica, pero con los DDG livianos y los generadores de superconductores, no se requiere ningún material costoso para alcanzar un rendimiento óptimo [26]. Es probable que las próximas décadas traigan más mejoras a los componentes y configuraciones de las turbinas eólicas, impulsando aún más la tecnología de la energía eólica al centro de atención de las energías renovables.

Sobre el  Dr. Raj Shah

El Dr. Raj Shah es director de Koehler Instrument Company en Nueva York, donde ha trabajado durante los últimos 25 años. Es miembro elegido por sus pares en IChemE, CMI, STLE, AIC, NLGI, INSTMC, The Energy Institute y The Royal Society of Chemistry. Recibió el premio ASTM Eagle, el Dr. Shah recientemente coeditó el bestseller, «Fuels and Lubricants handbook». ,
cuyos detalles están disponibles en  https://www.astm.org/DIGITAL_LIBRARY/MNL/SOURCE_PAGES/MNL37-2ND_foreword.pdf

El Dr. Shah, doctor en Ingeniería Química de la Universidad de Penn State y miembro del Chartered Management Institute de Londres, es también científico colegiado del Consejo de Ciencias, ingeniero colegiado en petróleo del Energy Institute e ingeniero colegiado del Consejo de ingeniería, Reino Unido. Profesor adjunto en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química de la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, Raj tiene más de 330 publicaciones y ha estado activo en el campo del petróleo durante 3 décadas. Puede encontrar más información sobre Raj en https://www.petro-online.com/news/fuel-for-thought/13/koehler-instrument-company/dr-raj-shah-director-at-koehler-instrument- empresa-reconocida-con-varios-elogios / 53404

Acerca de Stanley Zhang y Andrew Kim

Stanley Zhang y Andrew Kim son estudiantes de la Universidad Estatal de Nueva York, Stony Brook, donde el Dr. Shah es el presidente del Comité asesor externo en el Departamento de Ciencia de Materiales e Ingeniería Química.

Referencias

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[3] «Conceptos básicos de la energía eólica». AWEA, AWEA

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[25] Torpey, Elka. «Crecimiento verde: proyecciones de empleo en ocupaciones centradas en el medio ambiente: perspectivas de carrera». Oficina de Estadísticas Laborales de EE. UU., Oficina de Estadísticas Laborales de EE. UU., Abril de 2018

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