turbina eólica compacta

Las turbinas compactas de aceleración eólica ( CWAT ) son una clase de turbinas eólicas que utilizan estructuras para acelerar el viento antes de que entre en el elemento generador de viento. ^{[ 1 ]} El concepto de estas estructuras existe desde hace décadas ^{[ 2 ]} pero no ha logrado una amplia aceptación en el mercado. En 2008, dos empresas dirigidas al  mercado de energía eólica media (100 kW-1 MW) recibieron financiación de capital riesgo . La primera empresa en recibir financiación es Optiwind, que recibió su financiación de serie A en abril de 2008, y la segunda es Ogin, Inc. (anteriormente FloDesign Wind Turbine Inc.), que también recibió su financiación de serie A en abril de 2008. Optiwind ^{[ 3 ]} está financiada por Charles River Ventures y FloDesign por Kleiner Perkins . ^{[ 4 ]} Otras CWAT en desarrollo incluyen WindTamer de AristaPower, WindCube, Innowind (aplicación conceptual en alta mar) y turbinas Enflo.

CWAT es un nuevo acrónimo que engloba la clase de máquinas anteriormente conocidas como DAWT (turbinas eólicas con difusor). Todas las tecnologías mencionadas anteriormente utilizan la adición de difusores, sustancialmente similar a los diseños anteriores, como principal medio de aceleración. Las DAWT fueron objeto de una intensa investigación por parte de K. Foreman y Oman de Grumman Aerospace en las décadas de 1970 y 1980, e Igra en Israel en la década de 1970. Tras una década de investigación y diseño en túneles de viento, financiados por Grumman, la NASA y el Departamento de Energía de EE. UU. , se determinó que la rentabilidad del sistema DAWT no justificaba su comercialización. En la década de 1990, la tecnología de Grumman fue licenciada a la empresa neozelandesa Vortec Wind. El intento de comercializar la Vortec 7 en Nueva Zelanda entre 1998 y 2002 demostró su inviabilidad económica frente a la tecnología dominante de turbinas eólicas de eje horizontal (HAWT).

En última instancia, cualquier diseño de turbina eólica debe evaluarse en función de la realidad económica. Debe responder afirmativamente a la pregunta: "¿El coste de instalación y operación del sistema es inferior al de otras alternativas, incluida la red eléctrica local?". Históricamente, los diseños CWAT/DAWT no han logrado superar este obstáculo en comparación con los diseños HAWT más convencionales. Sin embargo, hay razones para creer que esta situación podría estar cambiando a favor de estos nuevos diseños. Los dos factores principales que impulsan esta situación son la magnitud de la ampliación y las implicaciones estructurales de estos elementos de diseño adicionales.

En el caso de Optiwind (ahora desaparecida), parece haber una creciente evidencia de que creen haber resuelto tanto los desafíos de aceleración como los económicos que plantean los diseños CWAT/DAWT. Mientras que los intentos anteriores de nuevos diseños en esta categoría se han centrado exclusivamente en la magnitud de la aceleración, Optiwind parece haber adoptado un enfoque más holístico en su diseño, considerando tanto el costo como el beneficio de la aceleración. Además, el costo continuo de operación y mantenimiento de toda la unidad parece estar resuelto con éxito en este diseño. Carece de los importantes factores de costo de los sistemas HAWT: grandes palas compuestas, caja de engranajes, motor de guiñada, control de paso, lubricación, etc. Además, la novedosa geometría de la cimentación parece haber mitigado los desafíos estructurales del diseño convencional de cimentación de monopolo , que fue concebido originalmente para compensar los efectos de contrarrotación ("oscilación") de las grandes turbinas de tres palas. Por lo tanto, es razonable suponer que el enfoque holístico de Optiwind respecto a los costos del sistema ha dado lugar a una serie de diseños y descubrimientos que pueden ofrecer de forma realista las ventajas económicas de la energía eólica acelerada a un costo inferior al costo neto del sistema. Esto es cierto si el sistema Optiwind se compara con una turbina eólica de eje horizontal (HAWT) únicamente en función de su potencia nominal. El problema radica en que, si se compara el diseño de Optiwind en función de su altura de apilamiento (la distancia entre la turbina más baja y la más alta) con una HAWT tradicional del mismo diámetro, la potencia total de la máquina es un 20 % menor que la de la HAWT, con todos los gastos estructurales y de materiales asociados a una CWAT/DAWT. En promedio, un sistema CWAT/DAWT necesitaría producir al menos 2 o 3 veces la energía que una HAWT podría producir en la superficie máxima utilizada por la CWAT/DAWT para compensar los costos de materiales sustancialmente mayores. Todavía no hay pruebas de que existan diseños DAWT/CWAT capaces de alcanzar este nivel de incremento cuando se comparan, en igualdad de condiciones, con los HAWT.

La turbina eólica MEWT de Ogin (turbina eólica de mezcla-eyector, otra variación de CWAT) se diferencia de las DAWT anteriores por el uso de un difusor lobulado de dos etapas (la máquina de Grumman y Vortec también era de dos etapas, pero cónica en lugar de lobulada) para igualar la presión sobre el área de salida del difusor. La teoría es que crear una distribución de presión uniforme con los lóbulos y la inyección de flujo externo evitará la separación de la capa límite en el difusor, permitiendo así la máxima aceleración a través del rotor. El artículo de Werle y Presz (científicos jefes de Flodesign), nota técnica de la AAIA "Turbinas eólicas/de agua entubadas revisadas - 2007", detalla la teoría detrás de su diseño. La aceleración máxima detallada en su artículo es 1,8 veces la velocidad ambiente, de donde derivan que hay 3 veces más potencia disponible en el rotor que para una turbina sin cubierta. Cuando se refiere al área de salida, este múltiplo se reduce a la paridad con la potencia de la HAWT. La turbina de Ogin, según las imágenes y los diseños CAD publicados, parece ser sustancialmente similar a las máquinas de Vortec y Grumman, excepto por el anillo interior lobulado. ^{[ 6 ]} Esto indicaría que sus características de resistencia aerodinámica podrían ser similares. Información más reciente en el sitio web de Ogin (www.oginenergy.com) muestra los lóbulos aplanados en paneles 2D. Varias turbinas eólicas de Ogin fueron desmanteladas después de menos de seis meses, por razones no reveladas. ^{[ 7 ]}

La ciencia de la aceleración del viento alrededor de una estructura, así como los beneficios de la eliminación de vórtices de una cubierta/difusor, se comprenden y han sido probados exhaustivamente. Desde Bernoulli en adelante, la ciencia ha validado sustancialmente estos conceptos y existe un consenso académico general sobre su veracidad y su impacto potencial en la producción de energía eólica. Sin embargo, las turbinas eólicas de área dirigida (DAWT) presentan el clásico problema de separación de la capa límite que experimentan los perfiles aerodinámicos en un ángulo de ataque de "pérdida" . Esto reduce significativamente la aceleración que puede alcanzar una DAWT en relación con la tasa teórica indicada por su relación de salida a área, según el documento de Flodesign mencionado anteriormente. Generalmente se piensa que, dado que la cantidad de energía producida por una turbina eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento, cualquier beneficio de aceleración es potencialmente estadísticamente significativo en la economía eólica. Sin embargo, como se ha señalado, esto es inexacto, ya que ignora el impacto de la relación de salida a área y, por lo tanto, es una comparación inapropiada. En el caso de un CWAT/DAWT típico, el resultado de potencia en un funcionamiento teórico perfecto, una vez ajustado por el área de la cubierta, es en realidad el cuadrado de la velocidad en el rotor. A medida que el CWAT/DAWT diverge de la función teórica, el aumento de potencia cae significativamente según la fórmula derivada de la conservación de la masa.

${\displaystyle {\text{Relación de potencia}}_{DAWT \over HAWT}={{A_{garganta}} \over {A_{admisión}}}\left({V_{garganta} \over V_{flujo libre}}\right)^{3}}$

${\displaystyle {\text{Relación de potencia}}_{DAWT \over HAWT}={1 \over 2.75}\left({27.5{\text{ ms}} \over 10{\text{ ms}}}\right)^{3}=7.56{\text{ incremento}}}$

Por ejemplo, un DAWT que opera con una función teórica de 1,8 con una relación de área de 2,75 según Flodesign,

${\displaystyle {\text{Relación de potencia}}_{DAWT \over HAWT}={1 \over 2.75}\left({18{\text{ ms}} \over 10{\text{ ms}}}\right)^{3}=2.12{\text{ incremento}}}$

Para el mayor aumento de velocidad declarado en un DAWT de 1,6 × flujo libre,

${\displaystyle {\text{Relación de potencia}}_{DAWT \over HAWT}={1 \over 2.75}\left({16{\text{ ms}} \over 10{\text{ ms}}}\right)^{3}=1.48{\text{ incremento}}}$

No es lo suficientemente significativo como para compensar los costos asociados. El problema con Optiwind es aún más grave, ya que el sistema solo cubre una fracción del área barrida disponible para una turbina eólica de eje horizontal de la altura de la chimenea.

El desafío siempre ha sido, y sigue siendo, instalar, operar y mantener estas estructuras a un costo menor que el valor incremental que aportan. Los recientes avances en ciencia de materiales, metodología de instalación e integración general del sistema han llevado a una visión mucho más realista: estamos muy cerca de este logro y del surgimiento de una nueva clase de turbinas eólicas altamente sostenibles, siempre y cuando se resuelvan los problemas mencionados anteriormente, algo que aún resulta muy cuestionable para la geometría de las turbinas eólicas de área profunda (DAWT).

Entre los diseños recientes de DAWT que parecen tener una ventaja definitiva en potencia, si no en costo, en comparación con las HAWT, se encuentra la turbina Enflo. Basándose en su relación rotor:salida y el rendimiento de potencia publicado, esta turbina parece tener un aumento confirmado de dos veces en la potencia de salida en comparación con una HAWT del mismo diámetro del área de salida. Aún es improbable que esta máquina pueda escalar a potencias mayores, pero según sus datos publicados (no confirmados por pruebas de terceros), la Enflo parece ser la DAWT/CWAT de mejor rendimiento construida hasta la fecha. ^{[ 8 ]}

• CWAT, turbina compacta de aceleración eólica
• DAWT, turbina eólica con difusor
• HAWT, turbina eólica de eje horizontal
• MEWT, Aerogenerador mezclador-eyector

• Solidez de la hoja
• Centro de Comercio Mundial de Bahréin. Un ejemplo de tres turbinas aceleradas por el viento, en este caso con un formato novedoso y no compacto.