Con aspas de 200 m de largo, la turbina llegaría hasta los 50 MW
Un nuevo diseño de gigantescas palas de más de dos campos de fútbol podría soportar turbinas eólicas marinas de 50 megavatios (MW) en los Estados Unidos y el mundo.
La investigación de Sandia National Laboratories en la escala extrema del Segmented Ultralight Morphing Rotor (SUMR) está financiada por el programa Department of Energy's (DOE) Advanced Research Projects Agency-Energy. El reto: Diseñar una turbina de alta mar de 50 MW de bajo costo que requiere una pala de rotor de más de 650 pies (200 metros) de largo, dos veces y medio más que ninguna de las palas eólicas existentes.
El equipo está dirigido por la Universidad de Virginia e incluye a investigadores de Sandia y de la Universidad de Illinois, la Universidad de Colorado, la Escuela de Minas de Colorado y el Laboratorio Nacional de Energía Renovable. Socios de asesoramiento corporativo incluyen Dominion Resources, General Electric Co., Siemens AG y Vestas Wind Systems.
"Turbinas a exascala aprovechan las economías de escala", dijo Todd Griffith, diseñador jefe de la pala en el proyecto y director técnico para el Programa de Energía Eólica Marina de Sandia.
El trabajo previo de Sandia en sistemas de 13 MW utilizaba palas de 100 metros (328 pies) sobre las que se basaron los diseños iniciales SUMR. Mientras que una turbina de viento horizontal de 50 MW va mucho más allá del tamaño de cualquier diseño actual, los estudios muestran que la alineación de carga puede reducir drásticamente los picos máximos y la fatiga en las palas del rotor. Esto reduce los costos y permite la construcción de palas suficientemente grandes para un sistema de 50 MW.
La mayoría de las turbinas eólicas actuales estadounidenses producen energía en el rango de 1 a 2 MW, con palas de unos 165 pies (50 metros) de largo, mientras que la turbina más grande disponible en el mercado tiene una potencia de 8 MW con palas de 262 pies (80 metros) de largo.
"Estados Unidos tiene un gran potencial de energía eólica marina, pero las instalaciones costa afuera son caras, por lo que se necesitan turbinas más grandes para captar esa energía a un precio asequible", dijo Griffith.
Algunas barreras permanecerán delante de los diseñadores hasta que puedan escalar una turbina de hasta 50 MW - más de seis veces la potencia de salida de las mayores turbinas actuales.
"Aspas contra el viento convencionales son caras de fabricar, instalar y mantener más allá de 10 a 15 MW. Deben ser rígidas, para evitar la fatiga y eliminar el riesgo de roturas en ráfagas fuertes. Esas láminas rígidas son pesadas y su masa, que está directamente relacionada a los costos, se hace aún más problemática en la escala extrema debido a cargas de gravedad y otros cambios", dijo Griffith.
Dijo que las nuevas palas podrían ser más fáciles y rentables fabricadas en segmentos, evitando el equipo de escala sin precedentes necesario para el transporte y montaje de palas construidas como unidades individuales.
Las turbinas a exaescala estarían situadas a favor del viento, a diferencia de las turbinas convencionales que se configuran con las palas del rotor a barlovento de la torre.
La carga-alineación de SUMR está bio-inspirada en la forma en que se mueven las palmeras en las tormentas. El ligero tronco segmentado se aproxima a una serie de capas cilíndricas que se doblan con el viento mientras que los segmentos conservan la rigidez. Esta alineación reduce radicalmente la masa requerida para la lámina de refuerzo mediante la reducción de las fuerzas en las palas utilizando el enfoque inspirado de carga-alineación de las palmeras.
Álabes de la turbina segmentados tienen una ventaja significativa en partes del mundo en riesgo de tormentas severas, tales como huracanes, donde las turbinas en alta mar deben soportar vientos tremendos de más de 200 mph. Las palas se alinean en voladizo para reducir las fuerzas sobre la hoja a través de una bisagra muñón cerca del centro que responde a los cambios en la velocidad del viento.
"A velocidades de viento peligrosas, las cuchillas se almacenen y se alinean con la dirección del viento, lo que reduce el riesgo de daños. A velocidades de viento más bajas, las cuchillas se extienden más para maximizar la producción de energía", dijo Griffith.
El avance hacia las turbinas exaescala podría ser una forma importante para alcanzar la meta del Departamento de Energía de proporcionar el 20 por ciento de la energía del país a partir del viento en 2030, según se detalla en un reciente informe de Wind Vision.
