Así funciona la tecnología desarrollada en España que permite fabricar molinos sin aspas, más eficientes y más baratos
Fundamentos de la idea
Vortex Bladeless está desarrollando un aerogenerador basado en la resonancia aeroelástica. Aprovecha la energía eólica por medio del fenómeno de aparición de vórtices llamado Vortex Shedding. Básicamente, la eólica sin palas consiste en un cilindro fijo vertical sobre una varilla elástica que se empotra en el suelo. El cilindro oscila en un rango de velocidad de viento, que posteriormente transforma la energía mecánica en electricidad mediante un alternador. En otras palabras, es una turbina eólica que no es una turbina en realidad.
Los aerogeneradores por vorticidad se asemejan más a los paneles solares que a los aerogeneradores convencionales si atendemos a algunas de sus características y su rentabilidad.
«Proyecto financiado por el programa Horizon 2020 de la Unión Europea para la investigación e innovación«
ESTRUCTURA Y GEOMETRÍA
El cilindro exterior es rígido y está diseñado para oscilar, permaneciendo anclado a la varilla o núcleo. El movimiento de la parte superior del cilindro no está restringido, encontrándose aquí la máxima amplitud de oscilación. La estructura está construida con resina reforzada con fibra de carbono y/o fibra de vidrio, materiales ampliamente utilizados en la construcción de palas de los aerogeneradores convencionales.
La parte superior del núcleo sostiene el mástil y su parte inferior está firmemente anclada al suelo. Está construido de polímero reforzado con fibra de carbono, que proporciona una gran resistencia a la fatiga y tiene una pérdida de energía mínima cuando oscila.
Naturalmente, el diseño de este aerogenerador es bastante diferente al de una turbina tradicional. En lugar de la torre, la góndola y las aspas habituales, nuestro dispositivo solo tiene un mástil muy ligero hecho de materiales comunes. Esto reduce el uso de materias primas y la necesidad de una cimentación importante.
CONVERSIÓN DE ENERGÍA
Nuestro aerogenerador sin palas captura la energía del viento cuando entra en resonancia debido a un efecto aerodinámico denominado desprendimiento de vórtices. En la mecánica de fluidos, cuando el viento pasa a través de un cuerpo romo, el flujo se modifica y genera un patrón cíclico de vórtices. Una vez que la frecuencia de estas fuerzas está lo suficientemente cerca de la frecuencia estructural del cuerpo, el cuerpo comienza a oscilar y entra en resonancia con el viento. Esto también se conoce en inglés como Vortex Induced Vibration(VIV).
Fuente: Duke University
Tecnología Vortex, fluidodinámica
Tradicionalmente, profesionales de la ingeniería estructural, de la aeronáutica y de la arquitectura tratan de evitar las consecuencias negativas de este fenómeno VIV. Sin embargo, los generadores Vortex buscan maximizar esta inestabilidad aerodinámica, capturando de esta forma la energía contenida en ella.
La geometría del mástil está especialmente diseñada para lograr el máximo rendimiento de las velocidades promedio observadas del viento. Es capaz de adaptarse muy rápidamente a los cambios de dirección del viento y a los flujos de aire turbulento que se observan comúnmente en entornos urbanos.
La perturbación de la corriente de viento aguas abajo es la razón por la cual los molinos deben instalarse respetando una gran distancia entre ellas. Esto no afecta del mismo modo a los aerogeneradores por oscilación, implicando menos limitaciones asociadas con el “efecto estela“. Además, esperamos que los dispositivos Vortex funcionen muy bien en conjunto, interaccionando positivamente siempre que se respete la distancia adecuada entre ellos, que está estimada en la mitad de la altura total del dispositivo. Para aerogeneradores convencionales esta distancia entre ellos suele ser cinco veces la altura total del dispositivo.
«Especialmente diseñado para el mercado residencial y las redes de energía distribuida«
ALTERNADOR VORTEX
Actualmente, Vortex genera electricidad a través de un sistema de alternador, integrando bobinas e imanes permanentes adaptados a la dinámica del equipo, sin engranajes, ejes o deslizamientos. Por su potencia, nuestro Vortex puede considerarse actualmente un aerogenerador para “micro-eólica”.
Los alternadores son una tecnología bien conocida, sin embargo la forma en que Vortex realiza esta conversión de energía es innovadora y patentada. Este novedoso diseño permite reducir el mantenimiento y elimina la necesidad de lubricación.
A. Estator, parte fija
B. Oscilator, parte móvil
C. Soporte del alternador
Frecuencia y sintonizado
La frecuencia de desprendimiento de vórtices (Vortex shedding) es proporcional a la velocidad de la corriente de viento, sin embargo, cada estructura tiene su propia frecuencia de oscilación natural. Para hacer coincidir las frecuencias de desprendimiento de vórtices con la frecuencia de oscilación natural de un dispositivo, debe modificarse la masa del mismo (cuanta más masa, más baja es la frecuencia) y su rigidez (mayor rigidez, frecuencia más alta), entre otros parámetros. Por lo tanto, se necesitaría de mecanismos complejos para variar la frecuencia de oscilación natural de ese dispositivo.
Para evitar esto, el diseño de Vortex utiliza en cambio un sistema de confinamiento magnético con imanes permanentes que aumentan la rigidez aparente del sistema de acuerdo con su amplitud de oscilación y el grado de flexión del núcleo. La amplitud de oscilación crece a medida que el viento se intensifica. A esto lo llamamos sistema de sintonizado.
Como resultado, el sistema de sintonizado automático patentado por Vortex Bladeless permite capturar energía ante un rango más amplio de velocidades de viento, desde un punto de “cut-in” de 3 m/s aprox (velocidad de arranque). Esto consigue la variación de la rigidez aparente de la estructura que puede “sintonizarse” con la velocidad del viento incidente, para permanecer en resonancia sin ninguna interferencia mecánica o manual. De esta forma aumentamos en gran medida el rango de lock-in del aerogenerador (rango de trabajo).
// Vórtices de Von Karman
El efecto de desprendimiento de vórtices por Vortex Shedding o “Vortex Street effect” se describió por primera vez y fue formalizado matemáticamente por Theodore von Kármán, el genio de la aeronáutica, en 1911. Este efecto es producido por las fuerzas laterales del viento en un objeto sumergido en un flujo laminar. El flujo del viento genera un patrón cíclico de vórtices, que puede convertirse en un desafío de ingeniería para estructuras esbeltas, como torres, mástiles y chimeneas. Uno de esos ejemplos es el colapso del puente Tacoma Narrow en 1940, USA.
«Vortex adapta con éxito su frecuencia natural de oscilación para resonar con las frecuencias de desprendimiento de vórtices dentro de un amplio rango de velocidades de viento«
ENTENDIENDO LAS VIBRACIONES
La idea detrás de la nueva tecnología Vortex Bladeless es la posibilidad de que puedan aprovecharse las fuerzas de sustentación de este desprendimiento de vórtices para producir energía. Cuando los vórtices del viento coinciden con la frecuencia natural de la estructura del dispositivo, comienza a resonar, por lo tanto, a oscilar, de modo que el aerogenerador sin palas adquiere una energía mecánica que posteriormente puede convertirse en energía eléctrica.
Encontrará muchos ejemplos en su vida cotidiana, en los que podrá observar las consecuencias del efecto Vortex Shedding. Basado en este principio y teniendo en cuenta otros fenómenos físicos, como la Ley de Betz, la aerodinámica de los cuerpos finitos, las regiones de turbulencia, el gradiente de viento, etc. Durante este tiempo el equipo Vortex ha creado muchos modelos computacionales que nos han llevado hasta la geometría más adecuada para el mástil, así como a encontrar los parámetros que alcanzan una mayor eficiencia y rendimiento del diseño.
Simulaciones computacionales
Aunque las simulaciones en 2D son muy interesantes para nosotros, el fenómeno VIV es un fenómeno en 3D. La interacción entre vórtices a lo largo del dispositivo ha sido descrita por otros autores. Dado que la nuestra es una nueva tecnología, tenemos que crear nuevos modelos y confirmar su validez. Estas simulaciones en 3D se basan en el número de Reynolds, un importante número adimensional utilizado en fluidodinámica para predecir los patrones de flujo ante diferentes condiciones.
La cantidad de recursos de computación que se necesitan para estos cálculos es enorme. Trabajamos arduamente con el software de simulación de Altair para encontrar la mejor manera y la más rápida de optimizar nuestros resultados invirtiendo recursos de forma asequible. También colaboramos con el Centro de Supercomputación de Barcelona aprovechando su experiencia, además del equipamiento que ponen a disposición del proyecto.
Fuentes.: Vortex Bladeless
