El primer modelo integral de aerodinámica del rotor podría mejorar la forma en que se diseñan las palas de las turbinas eólicas y los parques eólicos y cómo se controlan los aerogeneradores.
Las palas de las hélices y los aerogeneradores se diseñan basándose en principios aerodinámicos que se describieron matemáticamente por primera vez hace más de un siglo. Pero los ingenieros se han dado cuenta desde hace tiempo de que estas fórmulas no funcionan en todas las situaciones. Para compensar, han añadido “factores de corrección” ad hoc basados ??en observaciones empíricas.
Ahora, por primera vez, los ingenieros del MIT han desarrollado un modelo integral basado en la física que representa con precisión el flujo de aire alrededor de los rotores incluso en condiciones extremas, como cuando las palas operan a altas fuerzas y velocidades, o están inclinadas en ciertas direcciones. . El modelo podría mejorar la forma en que se diseñan los propios rotores, pero también la forma en que se diseñan y operan los parques eólicos. Los nuevos hallazgos se describen hoy en la revista Nature Communications, en un artículo de acceso abierto escrito por el postdoctorado del MIT Jaime Liew, el estudiante de doctorado Kirby Heck y Michael Howland, profesor asistente Esther y Harold E. Edgerton de Ingeniería Civil y Ambiental.
«Hemos desarrollado una nueva teoría para la aerodinámica de los rotores», dice Howland. Esta teoría se puede utilizar para determinar las fuerzas, las velocidades del flujo y la potencia de un rotor, ya sea que ese rotor extraiga energía del flujo de aire, como en una turbina eólica, o aplique energía al flujo, como en la hélice de un barco o un avión. «La teoría funciona en ambas direcciones», dice.
Debido a que la nueva comprensión es un modelo matemático fundamental, algunas de sus implicaciones podrían aplicarse de inmediato. Por ejemplo, los operadores de parques eólicos deben ajustar constantemente una variedad de parámetros, incluida la orientación de cada turbina, así como su velocidad de rotación y el ángulo de sus palas, para maximizar la producción de energía manteniendo los márgenes de seguridad. El nuevo modelo puede proporcionar una forma sencilla y rápida de optimizar esos factores en tiempo real.
«Esto es lo que nos entusiasma tanto: tiene un potencial de impacto inmediato y directo en toda la cadena de valor de la energía eólica», afirma Howland.
Modelando el impulso
Conocido como teoría del impulso, el modelo anterior de cómo interactúan los rotores con su entorno fluido (aire, agua u otro) se desarrolló inicialmente a finales del siglo XIX. Con esta teoría, los ingenieros pueden comenzar con un diseño y configuración de rotor determinados y determinar la cantidad máxima de potencia que se puede derivar de ese rotor o, por el contrario, si se trata de una hélice, cuánta potencia se necesita para generar una cantidad determinada de fuerza propulsora.
Las ecuaciones de la teoría del momento “son lo primero que se lee en un libro de texto sobre energía eólica y son lo primero de lo que hablo en mis clases cuando enseño sobre energía eólica”, dice Howland. A partir de esa teoría, el físico Albert Betz calculó en 1920 la cantidad máxima de energía que teóricamente podría extraerse del viento. Esta cantidad, conocida como límite de Betz, equivale al 59,3 por ciento de la energía cinética del viento entrante.
Pero sólo unos años más tarde, otros descubrieron que la teoría del impulso se desmoronaba “de una manera bastante dramática” ante fuerzas más altas que corresponden a velocidades de rotación más rápidas de las palas o a diferentes ángulos de las palas, dice Howland. No puede predecir no sólo la cantidad, sino incluso la dirección de los cambios en la fuerza de empuje a velocidades de rotación más altas o diferentes ángulos de la pala: mientras que la teoría decía que la fuerza debería comenzar a disminuir a partir de una determinada velocidad de rotación o ángulo de la pala, los experimentos muestran lo contrario. — que la fuerza sigue aumentando. «Por lo tanto, no sólo es un error cuantitativo, sino también cualitativamente», dice Howland.
La teoría también se derrumba cuando hay alguna desalineación entre el rotor y el flujo de aire, lo que, según Howland, es «ubicuo» en los parques eólicos, donde las turbinas se ajustan constantemente a los cambios en la dirección del viento. De hecho, en un artículo anterior de 2022, Howland y su equipo descubrieron que desalinear ligeramente algunas turbinas en relación con el flujo de aire entrante dentro de un parque eólico mejora significativamente la producción de energía general del parque eólico al reducir las perturbaciones de estela en las turbinas aguas abajo.
En el pasado, al diseñar el perfil de las palas del rotor, la disposición de las turbinas eólicas en un parque o el funcionamiento diario de las turbinas eólicas, los ingenieros se basaban en ajustes ad hoc añadidos a las fórmulas matemáticas originales, basándose en algunas pruebas en túneles de viento y experiencia con parques eólicos en funcionamiento, pero sin fundamentos teóricos.
En cambio, para llegar al nuevo modelo, el equipo analizó la interacción del flujo de aire y las turbinas utilizando modelos computacionales detallados de la aerodinámica. Descubrieron que, por ejemplo, el modelo original había asumido que una caída en la presión del aire inmediatamente detrás del rotor volvería rápidamente a la presión ambiental normal un poco más abajo. Pero resulta, dice Howland, que a medida que la fuerza de empuje sigue aumentando, «esa suposición es cada vez más inexacta».
Y la inexactitud ocurre muy cerca del punto del límite de Betz que teóricamente predice el rendimiento máximo de una turbina y, por lo tanto, es simplemente el deseo.
