Aerogenerador marino vs Turbina de marea

Aerogeneradores marinos

Con el aumento de la demanda de generación de energía, el tamaño de las palas (radio del rotor) ha aumentado drásticamente. Esto ha resultado en un aumento de las tensiones en los componentes asociados y, específicamente, los componentes internos de las turbinas eólicas se han visto afectados negativamente. Actualmente, se están diseñando máquinas de 10MW, pero los materiales de las palas requeridos para el diámetro del rotor de 170 m necesitan tecnología compuesta de fibra de carbono para resistir las cargas; en lugar de la tecnología compuesta de fibra de vidrio usada actualmente para longitudes de hoja más pequeñas. El peso real (gravitacional) de las palas domina sobre las cargas inerciales a este tamaño de la máquina. En un desarrollo interesante, algunas palas de 60 m están disponibles basadas en fibras de bambú en resina. Estas palas compuestas biomiméticas de fibra (imitando las microestructuras de bambú reforzadas con fibra natural y sus excelentes propiedades mecánicas) tienen la rigidez y resistencia requeridas, ya que se basan en materiales sostenibles y ofrecen a los fabricantes de turbinas una opción de palas más ligera con menor coste. Las palas giran hasta 107 ciclos durante su vida útil, por lo que la resistencia a la fatiga debe ser alta.

La investigación de la UE sobre turbinas eólicas se ha concentrado en la demostración de tecnología y en los desafíos tecnológicos relacionados con la explotación de los extensos recursos eólicos marinos del mar del norte. La investigación apunta a mejorar la eficiencia y confiabilidad de la energía eólica, reducir el costo de la producción de energía, facilitar el emplazamiento de las máquinas en ubicaciones marinas y reducir el impacto en la infraestructura existente. El monitoreo de la condición de las turbinas eólicas se ha destacado como una forma de mejorar la confiabilidad y reducir los costos de mantenimiento. Aunque la vida estimada de las turbinas eólicas es de aproximadamente 20 años, en comparación con las unidades generadoras de turbinas de vapor convencionales que tienen un promedio de 40 años de vida, la tasa de fallas de las turbinas eólicas es aproximadamente tres veces mayor que la de los generadores convencionales debido a la fluctuación del viento. Por lo tanto, la fiabilidad es esencial para el éxito de los sistemas de energía eólica, y esto exige buenos diseños y estudios previos de las localizaciones.

Los informes estadísticos de los fabricantes de aerogeneradores  muestran que entre el 25 y el 70% del tiempo de inactividad de las turbinas eólicas se debe a una falla importante de los componentes. Las cajas de engranajes no son el único componente principal, por lo que las fallas de la caja de cambios están por debajo de estas cifras, mientras que el 60-85% de las fallas de la caja de engranajes de la turbina eólica se deben a fallas en los cojinetes. Los rodamientos sufren principalmente debido a los tamaños de rodamiento cada vez mayores y a las cargas extremadamente altas. El costo adicional de proporcionar mantenimiento y/o reparación inesperados a los sistemas de turbinas eólicas afecta significativamente el costo de la energía eólica en su conjunto y socava la reputación de esta energía como fuente confiable.

Turbinas de marea

Las corrientes marinas o mareomotrices, con flujos máximos de más de 2 m/s, generados por una topografía limitada, ofrecen una ruta para la extracción de energía confiable. Se está estudiando una amplia variedad de diseños diferentes para la conversión de energía de la corriente marina, aunque la mayoría se basan en un concepto de turbina mareomotriz de eje horizontal bajo el agua. Otros conceptos en diversas etapas de desarrollo,  incluyen: máquinas de ejes verticales similares a los aerogeneradores propuestos por Gorlov; Darrieus, cuyo eje, aunque horizontal, está orientado transversalmente a la dirección del flujo y por lo tanto puede aumentar significativamente el área de captura para una profundidad de agua fija; y varios tipos de máquinas de lámina oscilatoria, una vez más, que ofrecen un área de captura mayor que el diámetro fijo de una turbina de eje horizontal pero cambian esto por un rango mucho mayor de fuerzas oscilatorias que actúan sobre la estructura de la pala. Fundamentalmente, todos estos dispositivos extraen energía cinética del flujo de las mareas moviendo una superficie de elevación conectada a un generador de energía eléctrica. Es tentador usar aerogeneradores modernos como modelos para supuestos; ya que las turbinas eólicas de tamaño mediano operan rutinariamente a niveles de potencia y/o torsión similares al dispositivo mareomotriz genérico, por lo que podría esperarse que ciertos componentes o subsistemas principales (ej. caja de engranajes) se traduzcan en servicio de corriente de marea con poca o ninguna modificación. Este enfoque, sin embargo, es de uso limitado.

Aerogenerador vs Turbina de marea

Las condiciones experimentadas por una turbina de marea no son directamente análogas a las experimentadas por una turbina eólica, escalada por alguna función de densidad relativa y velocidad actual. Por ejemplo, las velocidades de la corriente de las mareas son predecibles en escalas de tiempo prolongadas y no están sujetas a excursiones aleatorias sobre estos valores, mientras que la velocidad del viento es una expresión de una serie de procesos estocásticos, que incluyen ráfagas aleatorias. La turbina de marea podría decirse que necesita márgenes estructurales más bajos en las palas del rotor. Por el contrario, el entorno de trabajo de la turbina mareomotriz es corrosivo, con sólidos suspendidos que conducen al menos a la posibilidad de daños erosivos durante la vida útil del dispositivo. Otra consideración importante para las turbinas de marea es la presencia de vida marina.

La eficacia con la que se extrae la energía mediante una turbina mareomotriz genérica está determinada por la efectividad del diseño de la pala. Es importante optimizar la forma hidrodinámica de la hoja y el ángulo de ataque para que coincida con las capacidades del generador eléctrico. Ciertamente, para las grandes turbinas eólicas, el uso del control de paso es esencial para proteger las palas en condiciones de viento extremo y optimizar la captura de potencia. Este no es necesariamente el caso de las turbinas de eje horizontal, en los que la carga extrema es mucho más predecible.

En cualquier estado dado de la corriente de marea, habrá una combinación óptima de paso de pala y velocidad de rotación que maximiza la captura de energía. Las principales diferencias con respecto a la operación de la turbina eólica son que, por lo general, la dirección de la marea se produce en solo dos direcciones, que generalmente están separadas por 180 °; que las restricciones topográficas debidas a una profundidad finita y, por lo general, al ancho del canal, así como a la presencia de la superficie libre, limitarán la velocidad del flujo volumétrico de la corriente; y que la presión de vapor de agua limitará la velocidad de rotación de la pala antes de que los efectos significativos de cavitación causen un rápido aumento en la resistencia de la pala y la pérdida de sustentación. Las cargas centrípetas dominan en las palas largas y esbeltas de las turbinas eólicas, y estas restringen la flexión. En las turbinas de agua, sin embargo, predominan las cargas de flexión. Para una turbina mareomotriz de 1MW, el empuje es quizás de 100 toneladas, que es aproximadamente el doble que en una turbina eólica de clasificación similar. Una alternativa, que podría eliminar la necesidad de un mecanismo de cabeceo mecánico, es usar la flexibilidad y anisotropía inherentes asociadas con la construcción de la pala compuesta. Tal enfoque utiliza la carga de fluidos para adaptar efectivamente la forma de la pala para maximizar la captura de energía o minimizar la carga de fatiga. Otro aspecto critico de las turbinas de mareas es lo difícil y costoso que supone cualquier proceso de manutención o reparación, mientras que sus homólogos de viento cuentan con procesos estandarizados los cuales disponen de unos costos muy delimitados.

En la siguiente tabla se muestran algunas de las principales características de ambos tipos de turbinas:

Source:

Wood RJ, Bahaj AS, Turnock SR, Wang L and Evans M. Tribological design constraints of marine renewable energy systems. Phil. Trans. R. Soc. A 368. 

Burton, T., Sharpe, D., Jenkins, N. & Bossanyi, E. Wind energy handbook. New York, NY: Wiley.

Ciang, C. C., Lee, J.-R. & Bang, H.-J. Structural health monitoring for a wind turbine system: a review of damage detection methods. Meas. Sci. Technol. 19.

Garrett, C. & Cummins, P. The efficiency of a turbine in a tidal channel. J. Fluid Mech. 588.

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