Un diseño optimizado con HyperWorks permite que turbinas eólicas sin álabes generen energía
El modelado computacional ayuda a confirmar que un diseño innovador para una turbina eólica sin álabes funcionará.
Cuando se piensa en las turbinas de viento, las imágenes de las estructuras altas con dos o tres cuchillas giratorias que giran en el viento normalmente vienen a la mente. Sin embargo, una empresa española, Vortex, tiene como objetivo alterar estas percepciones.
La compañía ha desarrollado un generador eólico eléctrico caracterizado por la falta de álabes. El sistema, también conocido como Vortex Bladeless, aprovecha las inestabilidades aerodinámicas para capturar energía.
Los ingenieros de Vortex Bladeless crearon prototipos de esta innovadora turbina eólica hace un par de años. Para reducir el tiempo y el costo de desarrollo, recurrieron a las soluciones de análisis de elementos finitos (FEA) y de dinámica de fluidos computacional (CFD) para perfeccionar sus diseños y el proceso de desarrollo de productos.
Una palabra sobre turbinas eólicas
Las turbinas de viento tradicionales – los que tienen álabes que giran alrededor de un eje horizontal – por lo general consisten en una torre, y el sistema de control de las álabes. Cuando el viento hace girar las álabes, hacen girar un eje que se conecta a un generador. El generador produce la electricidad.
Las turbinas eólicas vienen en una variedad de tamaños. Los que tienen una potencia inferior a 100 kW pueden emplearse para aplicaciones pequeñas como el bombeo de agua, mientras que las turbinas eólicas con capacidad de 100 kW a varios MW se pueden utilizar en aplicaciones más grandes, como parques eólicos.
Los costos asociados con las turbinas de viento son la construcción, la infraestructura, el mantenimiento y el transporte, entre otros. Para una pequeña turbina eólica doméstica, el costo de instalación es de aproximadamente USD $7,000 por kW. Una gran turbina eólica comercial con una potencia de 1 MW cuesta alrededor de USD $1 millón.
En general, la industria de la energía eólica está creciendo, según el Global Wind Energy Council, una asociación de comercio internacional. Tendencias que impulsan su crecimiento incluyen el clima, costos más bajos para el viento y la energía solar, la estabilidad del mercado EE.UU. y el crecimiento de la industria en otras regiones, incluyendo Asia. Se avisora que, en 2030, la energía eólica podría llegar a 2.110 GW y suministro de hasta un 20% de la electricidad mundial. Esto podría traducirse en la creación de 2,4 millones de nuevos puestos de trabajo y la reducción de las emisiones de CO2 en más de 3,3 mil millones de toneladas.
Un enfoque alternativo
El generador eólico eléctrico de Vortex Bladeless ofrece una alternativa a las turbinas eólicas tradicionales. Tiene una forma cilíndrica que oscila en el viento, y la electricidad se genera a través de un sistema de alternador lineal. El dispositivo está configurado con un mástil fijo, un generador de energía y un cilindro de fibra de vidrio hueco, liviano y semirrígido en la parte superior.
El cilindro cónico externo está diseñado para ser sustancialmente rígido y tiene la capacidad de vibrar, quedando anclado a la barra inferior. La parte superior del cilindro no tiene restricciones y oscila en el viento. Una varilla cilíndrica interna, que puede penetrar en el mástil hasta un 20% de su longitud, está anclada en su parte superior y asegurada al suelo en su parte inferior.
El dispositivo aprovecha un efecto aerodinámico conocido como “desprendimiento de vórtices”. A medida que el viento pasa alrededor de un cuerpo contundente, el flujo se modifica y genera un patrón cíclico de vórtices (remolinos de aire). Una vez que estas fuerzas son lo suficientemente fuertes, el cuerpo puede comenzar a oscilar y entrar en resonancia con las fuerzas laterales del viento. Esta inestabilidad aerodinámica se conoce como vibración inducida por vórtice.
En lugar de evitar la vibración inducida por Vortex, el generador de viento sin álabes aprovecha la oscilación y captura la energía.
Comprender la vibración
El efecto “Vortex Street” fue descrito por primera vez en 1911 por Theodore von Kármán, pionero en aerodinámica teórica. Este efecto es producido por las fuerzas laterales del viento sobre cualquier objeto fijo sumergido en un flujo laminar.
El flujo del viento evita el objeto, generando un patrón cíclico de aire giratorio que puede convertirse en un desafío de ingeniería para estructuras cilíndricas verticales como torres, mástiles y chimeneas. Estos objetos pueden comenzar a vibrar, entrar en resonancia con las fuerzas laterales del viento y finalmente colapsar. Ejemplos de este efecto en las estructuras son el colapso de tres torres de enfriamiento que ocurrieron en 1965 en la central eléctrica del puente Ferry cerca de Pontefract, Inglaterra, y el colapso en 1940 del puente Tacoma Narrows en el estado de Washington, EE. UU.
Sin embargo, los ingenieros de Vortex Bladeless han descubierto una forma de utilizar las mismas fuerzas aerodinámicas para producir energía: el generador eólico Vortex adapta con éxito su frecuencia natural para resonar con las frecuencias de generación de vórtices de viento dentro de un rango de velocidad variable.
La frecuencia natural de vibración depende de la masa corporal (un aumento en la masa reduce la frecuencia natural) y la rigidez (más rigidez crea una frecuencia más alta). El generador Vortex, que incluye el diámetro de la estructura, la altura y la masa total, está diseñado para lograr el máximo rendimiento de las velocidades de viento promedio observadas.
La compañía maximiza aún más la producción de una velocidad del viento dada al modificar la rigidez de su estructura. La parte superior de la varilla tiene un sistema de confinamiento magnético con imanes permanentes que aumentan la rigidez aparente del sistema según el grado de flexión.
Cuando el viento se intensifica, la fuerza magnética de repulsión aumenta. Esto reduce la distancia entre la varilla y el imán. Como resultado, la oscilación y el potencial de la energía generada aumentan al máximo. Como tal, Vortex puede variar automáticamente la rigidez y “sincronizarse” con la velocidad del viento entrante para permanecer en resonancia sin ninguna interferencia mecánica o manual.
Vortex Bladeless genera electricidad a través de un sistema de alternador hecho de bobinas e imanes adaptados a la dinámica del vórtice. No hay engranajes ni partes móviles en contacto, por lo que no hay fricción. La compañía informa que las pruebas muestran rendimientos de conversión eléctrica de aproximadamente 70% a 85% de los obtenidos por un alternador rotativo convencional.
Modelado Computacional
Para ayudar a desarrollar un dispositivo eficiente, los ingenieros de Vortex trabajaron con Altair para crear modelos computacionales. Altair apoyó y capacitó a los ingenieros de Vortex a través del proceso de desarrollo.
La colaboración comenzó con un proyecto técnico para simular el comportamiento aerodinámico del dispositivo. Los ingenieros de Altair realizaron un estudio de interacción de estructura de fluido con AcuSolve®, el solucionador de dinámica de fluidos computacional (CFD) de la compañía, y OptiStruct®, su software de optimización estructural lineal y no lineal. Los modelos de ingeniería asistida por computadora (CA E) permitieron a los ingenieros predecir el movimiento de Vortex Bladeless con diferentes intensidades de viento. Además, los ingenieros de Vortex Bladeless han utilizado HyperWorks VirtualWind Tunnel ™ para realizar análisis aerodinámicos externos en la estructura.
Los esfuerzos de desarrollo recientes incluyen la optimización del diseño del alternador, así como la geometría del sistema. Con la nueva geometría, el sistema puede capturar casi el 40% de la energía cinética del viento (similar a las turbinas eólicas convencionales). Según la Ley de Betz, la potencia máxima que se puede extraer del viento, independientemente del diseño de una turbina eólica, es el 59,3% de su energía cinética.
El codirector ejecutivo de tecnología de Vortex Bladeless, David Yanez, dice: “Sin simulación, nuestro producto se habría desarrollado a un ritmo mucho más lento. Hubiera costado mucho más porque hubiéramos necesitado muchos más prototipos. Estamos muy seguros de que las soluciones de Altair se adaptan a nuestras necesidades. Esto se aplica no solo a las capacidades del software sino también al valioso soporte que Altair brinda a esta asociación. Dado que la demostración virtual del producto es uno de nuestros hitos, realmente creemos que la contribución de Altair ha tenido un gran impacto en nuestro trabajo diario “.
El caso de la innovación
El equipo de Vortex Bladeless cita varias ventajas de su innovador sistema de energía eólica. El principal de ellos es el costo. Con el producto Vortex Bladeless final, los ingenieros esperan reducir los costos de fabricación en un 53% y los costos operativos en un 51% en comparación con las turbinas eólicas tradicionales.
Además, el diseño elimina completamente los elementos mecánicos que pueden sufrir desgaste debido a la fricción. La compañía estima una reducción del 80% en los costos de mantenimiento en comparación con las turbinas eólicas tradicionales.
El principio operativo Vortex también permite que el sistema:
- Elimine la necesidad de ajustar la instalación para el mejor ángulo del viento.
- Mejore las limitaciones asociadas con el “efecto de sombra”, la perturbación de la corriente de viento aguas abajo, por lo que las turbinas eólicas tradicionales deben instalarse a una cierta distancia entre sí.
- Minimice la amenaza para las poblaciones de aves.
- Operar en silencio. Con la frecuencia de oscilación del equipo por debajo de 20 Hz, el impacto del nivel de sonido es inexistente.
Los productos iniciales Vortex Bladeless están diseñados para producir 100 vatios de potencia para su uso en África e India. La compañía también planea versiones que entregarán 4 kW para su uso junto con paneles solares y 1 MW para aplicaciones más grandes.
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Artículo original: https://www.altair.com/c2r/ws2017/unique-design-enables-bladeless-wind-turbines-harness-energy
