Las palas del rotor son uno de los componentes más importantes de un aerogenerador. Pueden llegar a medir 70 metros de largo y pesar entre 15 y 20 toneladas. Para operar turbinas eólicas de manera más eficiente en el futuro y también para poder usarlas en lugares que son menos intensivos en viento, se necesitan palas aún más grandes y al mismo tiempo más livianas. El Centro Aeroespacial Alemán (Deutsches Zentrum fuer Luft- und Raumfahrt; DLR) está trabajando con socios de investigación e industria para descubrir cómo se puede lograr esto y qué desafíos técnicos están involucrados.
Ciencia a gran escala en la Granja de Investigación de Energía Eólica
La Granja de Investigación de Energía Eólica WiValdi (Wind Validation) de DLR en Krummendeich, que actualmente está en construcción, ofrecerá una oportunidad única para hacer esto. Durante varias semanas en abril y mayo de 2022, investigadores del Instituto DLR de Aeroelasticidad y el Instituto DLR de Estructuras Compuestas y Sistemas Adaptativos apoyaron la producción de seis palas de rotor para dos turbinas eólicas en la granja de investigación. Esto se hizo en cooperación con la Universidad Leibniz de Hannover, que forma parte del Centro ForWind para la Investigación de la Energía Eólica. En la fábrica portuguesa del socio industrial Enercon, el equipo de 30 miembros equipó las palas del rotor con aproximadamente 1500 sensores, poniendo a disposición tecnología de medición de última generación desde la punta de la pala hasta la raíz de la pala. Esta es la primera vez que el comportamiento de las vibraciones y las cargas, así como la aerodinámica y la estática de un aerogenerador, pueden investigarse exhaustivamente en un dispositivo de tamaño completo y durante el funcionamiento real.
Recopilación de información: sensores como el «sistema nervioso» de las palas del rotor
«Si tiene palas grandes y livianas, se vuelven muy elásticas y flexibles. Se desvían bajo la carga del viento. Esto presenta nuevos desafíos técnicos que deben investigarse de cerca», explica Yves Govers del Instituto DLR de Aeroelastics y líder del trabajo de instrumentación. paquete. Las palas del rotor de dos de las turbinas eólicas en la granja de investigación tienen 57 metros de largo y pueden desviarse varios metros.
«Se puede pensar en los sensores como si fueran el sistema nervioso humano. Recopilan información, monitorean y brindan indicaciones de dónde podría surgir un problema», ilustra Govers. Los sensores eléctricos y ópticos están instalados dentro de las palas del rotor. Miden, por ejemplo, la aceleración en diferentes puntos de las palas y, por lo tanto, permiten hacer declaraciones sobre el comportamiento de vibración. Los sensores de deformación de fibra óptica que funcionan con tecnología láser registran las cargas que actúan sobre los materiales. Una red de transductores piezoeléctricos recibe y transmite señales ultrasónicas y puede detectar directamente el daño que se desarrolla en las palas del rotor. Otras cámaras en las proximidades de los aerogeneradores miden los cambios en las palas del rotor desde el exterior. Como referencia para sus medidas, se pinta un patrón de puntos en varias secciones de las palas.
Vibraciones, carga de material, estabilidad: datos completos para una mejor simulación y diseño
Si las palas se hacen cada vez más largas y las turbinas más grandes, surgen nuevos efectos. Por ejemplo, las vibraciones de las palas del rotor pueden amplificarse entre sí e influir en la estabilidad de la turbina. «Hasta ahora, ha sido casi imposible registrar el comportamiento de las vibraciones y, por lo tanto, también la tensión del material durante el funcionamiento. Con nuestra tecnología integral de sensores, podremos recopilar datos valiosos y mejorar aún más las simulaciones. Este conocimiento ayudará a la investigación y a la industria a hacer predicciones más precisas y construir turbinas aún más ligeras y estables», explica Govers. Hoy en día, las palas del rotor ya combinan una construcción ligera con estabilidad. Consisten en dos conchas pegadas entre sí, que son en gran parte huecas por dentro y conectadas con nervaduras. Se utilizan materiales sándwich; estos tienen una capa superior e inferior de plásticos de alta tecnología reforzados con fibras de vidrio, con espuma plástica o madera de balsa muy ligera en el medio.
Tecnología de control: gestión óptima de los sistemas para una alta eficiencia y una larga vida útil
Bajo carga, las palas del rotor no solo se doblan sino que también se retuercen. Los sensores dentro de las palas también registran esto. Estos datos pueden ayudar a desarrollar nuevos enfoques para controlar las turbinas eólicas con el fin de operarlas de manera más eficiente y por más tiempo. Con este fin, DLR está trabajando en conceptos para el control adaptativo de la carga de las turbinas. Si ocurre una ráfaga, los motores especiales en la base de la pala la apartan del viento. De este modo, reducen el ángulo en el que el viento golpea la pala y reducen la carga. Junto con los sensores en las proximidades de las turbinas eólicas, esto debería permitir reaccionar de manera flexible y en muy poco tiempo a las condiciones climáticas locales en el sitio.
Dos aerogeneradores uno detrás del otro, como en el parque de investigación DLR, también son un desafío para las tecnologías de control. Yves Govers explica el motivo: «La segunda turbina está detrás de la primera. Eso significa que recibe el aire turbulento de la primera turbina. Por eso queremos averiguar cómo se debe controlar la segunda turbina para que aún produce la mayor cantidad de electricidad posible y puede funcionar de forma respetuosa con los materiales». Aquí, también, los investigadores confían en la gran cantidad de datos de muchos sensores. La demanda de estos nuevos conceptos de control es alta. Incluso hoy en día, los parques eólicos, algunos de los cuales tienen más de cien turbinas, están tan cerca que las turbinas se afectan entre sí.
Flexión y oscilación: pruebas intensivas antes del uso práctico
Después de su viaje en barco desde Portugal a Alemania a mediados de mayo de 2022, las seis palas del rotor tienen una escala más que hacer. Antes de ser ensamblados en la granja de investigación en Krummendeich, harán una escala en Bremerhaven durante dos meses. En el Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energía Eólica (IWES), se someterán a ensayos intensivos en bancos de pruebas. Para ello, el equipo suspenderá las palas del rotor en una grúa con cables elásticos y las hará vibrar. Esto es principalmente para configurar y probar los muchos sensores. En una segunda prueba importante, los investigadores montarán las palas en una plataforma de prueba y las someterán a pruebas de tracción para medir la estática, la deformación y las tensiones internas. Una vez que se completen estas pruebas, la instalación de las palas del rotor de alta tecnología está prevista para el otoño de 2022.
