Una investigación publicada recientemente por la Universidad de Oxford Brookes sugiere que las turbinas de eje vertical Darrieus en forma de H (VAWT) instaladas de cierta manera podrían superar a las turbinas eólicas de «tipo tradicional de hélice» o HAWT en parques eólicos.
Cuando se colocan muy cerca en pares, los VAWT aumentan el rendimiento de cada uno hasta en un 15%, dijo el instituto con sede en el Reino Unido en su comunicado de prensa, lo que generó mucha atención de los medios. La publicación empresarial Forbes escribió en mayo: «Un descubrimiento reciente realizado por ingenieros de la Escuela de Ingeniería, Computación y Matemáticas de la Universidad de Oxford Brookes podría cambiar el diseño de los parques eólicos marinos para siempre».
Pero, ¿qué tan realistas son las predicciones obtenidas a partir del modelado bidimensional de VAWT teóricos con rotores de 20 metros en comparación con los gigantes «tradicionales» de alta mar actuales? ¿Y quién los desarrollará y construirá?
Simulación por ordenador
El estudio, «Modelado numérico y optimización de pares de aerogeneradores de eje vertical: un enfoque de ampliación» se publicó originalmente en la revista Renewable Energy de Elsevier en marzo. Se informa que es el primero en analizar exhaustivamente muchos aspectos del rendimiento de la turbina eólica, con respecto al ángulo de la matriz, la dirección de rotación, el espaciado de la turbina y el número de rotores.
El equipo de investigación de la universidad, dirigido por Iakovos Tzanakis, profesor de tecnología, diseño y medio ambiente, utilizó una extensa simulación por computadora para el estudio en profundidad «Este estudio evidencia que el futuro de los parques eólicos debe ser vertical», dijo Tzanakis. “Las turbinas de parques eólicos de eje vertical se pueden diseñar para que estén mucho más juntas, aumentando su eficiencia y, en última instancia, reduciendo los precios de la electricidad. A largo plazo, los VAWT pueden ayudar a acelerar la transición ecológica de nuestros sistemas de energía, de modo que la energía más limpia y sostenible provenga de fuentes renovables «.
Los investigadores argumentan que los VAWT en el conjunto de parques eólicos no sufren problemas de estela turbulenta relacionados con HAWT creados por la primera fila, que disminuyen la producción de las filas de turbinas detrás hasta en un 40%. El uso de máquinas de eje vertical en lugar de horizontal no solo eliminaría este problema, sugieren, sino que los VAWT realmente mejorarían el rendimiento de los demás.
Se utilizaron dos rotores de tamaño similar para la investigación, con el segundo rotor colocado a la longitud de tres diámetros de rotor aguas abajo. El aumento máximo en la producción de energía, en comparación con dos unidades que operan cada una de forma aislada, se logró con el segundo rotor colocado en un ángulo de matriz de 60 grados (ß) con respecto a la dirección del viento predominante.
Otra variable que introdujo el equipo fue permitir que los dos rotores giraran conjuntamente en la misma dirección o giraran en sentido contrario, por lo que el par de contrarrotación se desempeñó mejor solo en ángulos de matriz más pequeños de alrededor de -30 a +30 grados. La salida de potencia mínima se logra lógicamente cuando el viento sopla directamente sobre los dos rotores colocados en línea con respecto a la dirección del viento predominante (0 grados).
Finalmente, un espacio bidimensional era una parte integral de las propiedades de modelado de dinámica de fluidos computacional (CFD).
Aumento de rendimiento
El autor principal Joachim Toftegaard Hansen explicó por qué el equipo eligió una forma de rotor Darrieus tipo H con un diámetro de rotor de 20 metros para el análisis: “Otros estudios han verificado aumentos de rendimiento similares para otros números de Reynolds [para predecir patrones de flujo] también. Esto es algo que posiblemente estemos interesados en investigar en nuestros estudios futuros, analizando los efectos del tamaño de la turbina ”.
Una pregunta clave es si los parques eólicos marinos basados en VAWT previstos realmente podrían impulsarlos a la par con la última tecnología HAWT, que ahora está en la escala de 11-15MW y tiene 30 años de experiencia marina acumulada en su haber.
El experto en aerodinámica Jens Nørkær Sørensen es profesor en el departamento de energía eólica de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU) que trabajó con VAWT en el pasado. Cuestiona la base del diseño científico del esfuerzo de investigación de Oxford Brookes, la configuración del diseño y los resultados en los que se basan las conclusiones.
“Mis objeciones se concentran en tres puntos principales. El primero trata sobre el uso de una forma bidimensional para el modelo de flujo CFD. El flujo de viento en una matriz de parque eólico debe, en mi opinión, siempre ser estudiado desde una perspectiva tridimensional porque la mezcla de viento fresco de alta energía de las capas superiores y externas con el flujo de viento de ‘energía agotada’ dentro del viento- Los límites de la granja son de importancia clave para la regeneración continua de energía para la generación en filas de turbinas aguas abajo «.
Esta mezcla esencial del flujo de viento dentro de los parques eólicos con HAWT se lleva a cabo automáticamente, porque las palas giratorias “barren” el aire fresco de las capas superiores de viento hacia la matriz durante cada revolución individual del rotor. Las alturas de las puntas de las turbinas marinas más recientes y más grandes ahora alcanzan los 250 metros, y pronto alcanzarán los 300 metros y más. A estas altitudes, la velocidad del viento y, por lo tanto, la energía del viento son altas.
Sin mezcla de viento
Por el contrario, con VAWT, el eje de rotación del rotor es vertical, por lo que el rotor siempre gira en el mismo plano, Sørensen