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Viernes, 14 de junio de 2019 | Leída 0 veces

La nueva eólica sin aspas, sin ruido y sin matar aves

Vortex Bladeless está desarrollando un aerogenerador basado en la resonancia aeroelástica. Aprovecha la energía eólica por medio del fenómeno de aparición de vórtices llamado Vortex Shedding. Básicamente, la eólica sin palas consiste en un cilindro fijo vertical sobre una varilla elástica que se empotra en el suelo...

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El cilindro oscila en un rango de velocidad de viento, que posteriormente transforma la energía mecánica en electricidad mediante un alternador. En otras palabras, es una turbina eólica que no es una turbina en realidad.

 

Los aerogeneradores por vorticidad se asemejan más a los paneles solares que a los aerogeneradores convencionales si atendemos a algunas de sus características y su rentabilidad.

 

Estructura y geometría

El cilindro exterior es rígido y está diseñado para oscilar, permaneciendo anclado a la varilla o núcleo. El movimiento de la parte superior del cilindro no está restringido, encontrándose aquí la máxima amplitud de oscilación. La estructura está construida con resina reforzada con fibra de carbono y/o fibra de vidrio, materiales ampliamente utilizados en la construcción de palas de los aerogeneradores convencionales.

 

La parte superior del núcleo sostiene el mástil y su parte inferior está firmemente anclada al suelo. Está construido de polímero reforzado con fibra de carbono, que proporciona una gran resistencia a la fatiga y tiene una pérdida de energía mínima cuando oscila.

 

Naturalmente, el diseño de este aerogenerador es bastante diferente al de una turbina tradicional. En lugar de la torre, la góndola y las aspas habituales, nuestro dispositivo solo tiene un mástil muy ligero hecho de materiales comunes. Esto reduce el uso de materias primas y la necesidad de una cimentación importante.

 

Conversión de energía

Nuestro aerogenerador sin palas captura la energía del viento cuando entra en resonancia debido a un efecto aerodinámico denominado desprendimiento de vórtices. En la mecánica de fluidos, cuando el viento pasa a través de un cuerpo romo, el flujo se modifica y genera un patrón cíclico de vórtices. Una vez que la frecuencia de estas fuerzas está lo suficientemente cerca de la frecuencia estructural del cuerpo, el cuerpo comienza a oscilar y entra en resonancia con el viento. Esto también se conoce en inglés como Vortex Induced Vibration(VIV).

 

Tecnología Vortex, fluidodinámica

Tradicionalmente, profesionales de la ingeniería estructural, de la aeronáutica y de la arquitectura tratan de evitar las consecuencias negativas de este fenómeno VIV. Sin embargo, los generadores Vortex buscan maximizar esta inestabilidad aerodinámica, capturando de esta forma la energía contenida en ella.

 

La geometría del mástil está especialmente diseñada para lograr el máximo rendimiento de las velocidades promedio observadas del viento. Es capaz de adaptarse muy rápidamente a los cambios de dirección del viento y a los flujos de aire turbulento que se observan comúnmente en entornos urbanos.

 

La perturbación de la corriente de viento aguas abajo es la razón por la cual los molinos deben instalarse respetando una gran distancia entre ellas. Esto no afecta del mismo modo a los aerogeneradores por oscilación, implicando menos limitaciones asociadas con el “efecto estela“. Además, esperamos que los dispositivos Vortex funcionen muy bien en conjunto, interaccionando positivamente siempre que se respete la distancia adecuada entre ellos, que está estimada en la mitad de la altura total del dispositivo. Para aerogeneradores convencionales esta distancia entre ellos suele ser cinco veces la altura total del dispositivo.

 

Alternador Vortex

Actualmente, Vortex genera electricidad a través de un sistema de alternador, integrando bobinas e imanes permanentes adaptados a la dinámica del equipo, sin engranajes, ejes o deslizamientos. Por su potencia, nuestro Vortex puede considerarse actualmente un aerogenerador para “micro-eólica”.

 

Los alternadores son una tecnología bien conocida, sin embargo la forma en que Vortex realiza esta conversión de energía es innovadora y patentada. Este novedoso diseño permite reducir el mantenimiento y elimina la necesidad de lubricación.

 

Frecuencia y sintonizado

La frecuencia de desprendimiento de vórtices (Vortex shedding) es proporcional a la velocidad de la corriente de viento, sin embargo, cada estructura tiene su propia frecuencia de oscilación natural. Para hacer coincidir las frecuencias de desprendimiento de vórtices con la frecuencia de oscilación natural de un dispositivo, debe modificarse la masa del mismo (cuanta más masa, más baja es la frecuencia) y su rigidez (mayor rigidez, frecuencia más alta), entre otros parámetros. Por lo tanto, se necesitaría de mecanismos complejos para variar la frecuencia de oscilación natural de ese dispositivo.

 

Para evitar esto, el diseño de Vortex utiliza en cambio un sistema de confinamiento magnético con imanes permanentes que aumentan la rigidez aparente del sistema de acuerdo con su amplitud de oscilación y el grado de flexión del núcleo. La amplitud de oscilación crece a medida que el viento se intensifica. A esto lo llamamos sistema de sintonizado.

 

Como resultado, el sistema de sintonizado automático patentado por Vortex Bladeless permite capturar energía ante un rango más amplio de velocidades de viento, desde un punto de “cut-in” de 3 m/s aprox (velocidad de arranque). Esto consigue la variación de la rigidez aparente de la estructura que puede “sintonizarse” con la velocidad del viento incidente, para permanecer en resonancia sin ninguna interferencia mecánica o manual. De esta forma aumentamos en gran medida el rango de lock-in del aerogenerador (rango de trabajo).

 

Vórtices de Von Karman

El efecto de desprendimiento de vórtices por Vortex Shedding o “Vortex Street effect” se describió por primera vez y fue formalizado matemáticamente por Theodore von Kármán, el genio de la aeronáutica, en 1911. Este efecto es producido por las fuerzas laterales del viento en un objeto sumergido en un flujo laminar. El flujo del viento genera un patrón cíclico de vórtices, que puede convertirse en un desafío de ingeniería para estructuras esbeltas, como torres, mástiles y chimeneas. Uno de esos ejemplos es el colapso del puente Tacoma Narrowen 1940, USA.

 

Entendiendo las vibraciones

La idea detrás de la nueva tecnología Vortex Bladeless es la posibilidad de que puedan aprovecharse las fuerzas de sustentación de este desprendimiento de vórtices para producir energía. Cuando los vórtices del viento coinciden con la frecuencia natural de la estructura del dispositivo, comienza a resonar, por lo tanto, a oscilar, de modo que el aerogenerador sin palas adquiere una energía mecánica que posteriormente puede convertirse en energía eléctrica.

 

Encontrará muchos ejemplos en su vida cotidiana, en los que podrá observar las consecuencias del efecto Vortex Shedding. Basado en este principio y teniendo en cuenta otros fenómenos físicos, como la Ley de Betz, la aerodinámica de los cuerpos finitos, las regiones de turbulencia, el gradiente de viento, etc. Durante este tiempo el equipo Vortex ha creado muchos modelos computacionales que nos han llevado hasta la geometría más adecuada para el mástil, así como a encontrar los parámetros que alcanzan una mayor eficiencia y rendimiento del diseño.

 

Simulaciones computacionales

Aunque las simulaciones en 2D son muy interesantes para nosotros, el fenómeno VIV es un fenómeno en 3D. La interacción entre vórtices a lo largo del dispositivo ha sido descrita por otros autores. Dado que la nuestra es una nueva tecnología, tenemos que crear nuevos modelos y confirmar su validez. Estas simulaciones en 3D se basan en el número de Reynolds, un importante número adimensional utilizado en fluidodinámica para predecir los patrones de flujo ante diferentes condiciones.

 

La cantidad de recursos de computación que se necesitan para estos cálculos es enorme. Trabajamos arduamente con el software de simulación de Altair para encontrar la mejor manera y la más rápida de optimizar nuestros resultados invirtiendo recursos de forma asequible. También colaboramos con el Centro de Supercomputación de Barcelona aprovechando su experiencia, además del equipamiento que ponen a disposición del proyecto.

 

Principales características

Materiales y vida útil

La tecnología convencional de aerogeneradores necesita soportar niveles de carga muy diferentes bajo velocidades de viento variables, lo que impone altas demandas mecánicas en componentes de transmisión como engranajes, rodamientos, casquillos o frenos. Las múltiples partes móviles están constantemente desgastándose, lo que conduce a altos costos de mantenimiento.

 

Los aerogeneradores sin palas eliminan por completo los elementos mecánicos que pueden sufrir desgaste por fricción. Los principales materiales empleados para la fabricación de aerogeneradores Vortex son polímeros con fibra de carbono, plásticos, acero, neodimio y cobre. Los límites de trabajo de estos materiales están muy lejos de los estándares operativos que se requieren.

 

Estrés y Fatiga

 Por supuesto, este aerogenerador no es inmune a la fatiga ni a las fuerzas de estrés. La fatiga se define por el debilitamiento de un material causado por cargas o fuerzas aplicadas repetidamente. El núcleo de la turbina Vortex sufre una flexión continua y eventualmente podría ocurrir una falla del material. Los primeros productos han sido diseñados prestando especial atención a este problema.

 

La varilla de fibra de carbono fue diseñada para funcionar a una amplitud de oscilación máxima de 2,7º respecto de la vertical. Esto implica una muy baja deformación del material. El análisis computacional y matemático realizado en relación con el componente más afectado por este fenómeno de fatiga nos hace pensar que el aerogenerador Vortex tiene una gran esperanza de vida útil.

 

Rentabilidad

Una de las principales ventajas de los generadores Vortex es la reducción de coste asociada con la tecnología. Hemos estimado que el coste global de producción de electricidad (del inglés Levelized Cost of Energy, LCoE) de los aerogeneradores Vortex Bladeless será más bajo que los convencionales, lo que permitirá un retorno de la inversión más rápido. De todos modos, estudios más amplios sobre este tema serán realizados en el futuro para poder aportar más precisión a estos datos.

 

Esto hace que esta tecnología sea altamente competitiva no solo con respecto a generaciones de energía alternativa o renovable, sino incluso en comparación con las tecnologías convencionales. Puedes leer un estudio sobre coste-efectividad aquí.

 

Estas reducciones de costos provienen de un diseño inteligente, así como de un uso más eficiente de las materias primas. No hay necesidad de una góndola, mecanismos ni palas, que son componentes de costes significativos en los aerogeneradores convencionales.

 

Gracias a ser muy livianos y a tener el centro de gravedad cerca del suelo, los requisitos de anclaje o cimentación de nuestros dispositivos se han reducido significativamente en comparación con las turbinas convencionales, lo que facilita además su instalación.

 

Capacidad de generación

En eólica, la generación de energía es proporcional al área barrida por el aerogenerador. Actualmente, Vortex barre hasta el 30% del área de trabajo que barren otras turbinas convencionales de 3 palas, cuando esta comparación se realiza entre aerogeneradores de idéntica altura.

 

Como resultado, en términos generales, podemos decir que, desde el punto de vista aerodinámico, la tecnología Vortex obtiene un menor rendimiento con respecto al de otros aerogeneradores convencionales de eje horizontal. Por otro lado, un área barrida más pequeña permite que puedan instalarse más turbinas sin palas en la misma superficie, lo que compensa en gran medida esta desventaja.

 

La potencia nominal estimada de Vortex Tacoma (2,75 m) es de 100 vatios una vez industrializado.

 

Adaptación atmosférica

 En entornos urbanos, los vientos suelen ser muy turbulentos, esto es un problema para las turbinas eólicas convencionales. Además, la estela de los molinos convencionales es problemática cuando se instalan varios aerogeneradores que trabajan próximos, formando parte de la misma instalación.

 

Por otro lado, los aerogeneradores convencionales necesitan un sistema de orientación para posicionarse frente a la corriente de viento incidente. Los aerogeneradores Vortex Bladeless no lo necesitan debido a su sección transversal circular.

 

Los aerogeneradores sin palas se adaptan muy rápidamente a los cambios de dirección e intensidad del viento, asumiendo cambios de turbulencia del viento sobre el que se basa el efecto VIV. No es necesario un flujo completamente laminar de viento para una operación efectiva del aerogenerador Vortex.

 

Respetuoso con el medio ambiente

Los aerogeneradores oscilatorios pretenden ser una nueva alternativa “más verde” para generar energía a partir de la fuerza del viento. Aunque se necesita un análisis más riguroso del impacto sobre la huella de carbono, la energía eólica sin palas parece traer algunas ventajas adicionales desde el punto de vista ambiental.

 

Vortex Bladeless es principalmente una solución para la generación de energía distribuida. Un producto ideal para ser colocado cerca de una casa o sobre el techo. Puede ser útil tanto para inyección de energía a la red como aislado de ella, y como parte de una instalación híbrida solar-eólica.

 

Impacto medioambiental

Un diseño simple del producto y de bajo peso permiten pensar que con él podría hacerse un uso más eficiente de las materias primas. No se requiere un proceso de fabricación complejo para construir un aerogenerador sin palas, aunque habrían de adecuarse los métodos actuales para industrializar la producción. La ausencia de lubricantes hace innecesaria la gestión de este tipo de residuos.

 

El peso total de un Vortex Tacoma se estima en menos de 15 kg una vez industrializado. A diferencia de la energía eólica convencional, con la calibración y el anclaje adecuados esperamos que la tecnología Vortex Bladeless sea completamente silenciosa. Además, las interferencias que podrían producir los equipos Vortex en señales de radio son despreciables.

 

Impacto sobre la fauna

Aunque los pequeños aerogeneradores no son los que representan un mayor problema para la fauna local, se espera que el impacto de la eólica sin palas en la población de aves sea mucho menor. El diseño de Vortex permite que el movimiento oscilatorio sea pequeño y menos agresivo que el rotatorio de turbinas tradicionales, por lo que no perturbará la vida silvestre y permitirá que las aves y murciélagos detecten y eviten fácilmente los Vortex mientras vuelan.

 

La ONG SEO Birdlife está colaborando con nosotros para medir este impacto. ¡La energía eólica y las aves pueden compartir el mismo viento!

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