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Las turbinas eólicas sin aspas pueden ofrecer más forma que función
La energía eólica se ha convertido en una fuente legítima de energía en las últimas décadas, ya que los diseños de turbinas más grandes y eficientes han producido cantidades cada vez mayores de energía. Pero a pesar de que la industria vio una inversión global récord de $ 99,5 mil millones en 2014, el crecimiento de las turbinas puede estar llegando a sus límites.
Vortex dice que sus turbinas sin aspas generarán electricidad por un 40 por ciento menos que el costo de la energía de las turbinas eólicas convencionales.
El transporte es cada vez más desafiante debido al tamaño de los componentes: las palas individuales y las secciones de la torre a menudo requieren camiones especializados y caminos rectos y anchos. Las turbinas eólicas de hoy también son increíblemente pesadas. Los generadores y cajas de engranajes colocados en torres de apoyo a 100 metros del suelo pueden pesar más de 100 toneladas. A medida que aumentan el peso y la altura de las turbinas, los costos de materiales de las torres de soporte más anchas y fuertes, así como el costo de mantener los componentes alojados tan lejos del suelo, reducen los beneficios de eficiencia de las turbinas más grandes.
La industria de la energía alternativa ha intentado repetidamente resolver estos problemas sin éxito. Pero la última entrada promete un tipo de turbina eólica radicalmente diferente: un cilindro sin aspas que oscila o vibra.
La startup española Vortex Bladeless ha desarrollado turbinas que aprovechan la vorticidad, el movimiento giratorio del aire u otros fluidos. Cuando el viento pasa por una de las turbinas cilíndricas, corta el lado del cilindro a favor del viento en un remolino giratorio o vórtice. Ese vórtice luego ejerce fuerza sobre el cilindro, haciendo que vibre. La energía cinética del cilindro oscilante se convierte en electricidad a través de un generador lineal similar a los que se utilizan para aprovechar la energía de las olas.
David Yáñez, uno de los cofundadores de la empresa, descubrió el concepto por primera vez cuando estudiaba el colapso del puente Tacoma Narrows en Washington. El puente se derrumbó en 1940 debido a las vibraciones excesivas formadas por el movimiento giratorio del viento al pasar por el puente y es una falla de ingeniería de libro de texto. Yáñez, sin embargo, aprendió una lección diferente. Esta es una muy buena manera de transmitir energía de un fluido a una estructura, dice.
El diseño de cilindro liviano de Vortex no tiene engranajes ni cojinetes. Yáñez dice que generará electricidad por un 40 por ciento menos que el costo de la energía de las turbinas eólicas convencionales. La empresa ha recibido 1 millón de dólares de capital privado y financiación pública en España y está buscando otros 5 millones de dólares en financiación de capital riesgo. Yáñez dice que la compañía planea lanzar un sistema de cuatro kilovatios en 2016 y un dispositivo mucho más grande de un megavatio alrededor de 2018.
La turbina Vortex suena prometedora, pero como cualquier nuevo diseño de energía alternativa radical, las turbinas sin aspas tienen muchos escépticos.
Si tiene una turbina eólica de tipo hélice común, las aspas barren una gran área, dice Martin Hansen, especialista en energía eólica de la Universidad Técnica de Dinamarca. Aquí solo tienes un poste.
Además de capturar menos energía, los cilindros oscilantes no pueden convertir tanta energía en electricidad, dice Hansen. Una turbina eólica convencional normalmente convierte del 80 al 90 por ciento de la energía cinética de su rotor giratorio en electricidad. Yáñez dice que el generador lineal personalizado de su empresa tendrá una eficiencia de conversión del 70 por ciento.
Yáñez admite que el diseño de la turbina oscilante barrerá un área más pequeña y tendrá una eficiencia de conversión más baja, pero dice que las reducciones significativas en los costos de fabricación y mantenimiento compensarán las pérdidas.
A medida que Vortex construya dispositivos más grandes que atrapen vientos de mayor velocidad más lejos del suelo, también se enfrentará a otros desafíos inherentes a la física de la mecánica de fluidos. El aire u otros fluidos que se mueven a bajas velocidades a través de cilindros de pequeño diámetro fluyen con un movimiento suave y constante. Sin embargo, si aumenta el diámetro del cilindro y la velocidad a la que el aire fluye a través de él, el flujo se vuelve turbulento y produce remolinos o vórtices caóticos. El flujo turbulento hace que varíe la frecuencia de oscilación del cilindro, lo que dificulta su optimización para la producción de energía.
Con cilindros muy delgados y velocidades muy lentas, obtienes líneas telefónicas cantarinas, una frecuencia o tono absolutamente puro, dice Sheila Widnall, profesora de aeronáutica y astronáutica en el MIT. Pero cuando el cilindro se vuelve muy grande y el viento es muy alto, obtienes un rango de frecuencias. No podrá obtener tanta energía como quiera porque la oscilación es fundamentalmente turbulenta.
Widnall también cuestiona la afirmación de la empresa de que sus turbinas serán silenciosas. Las frecuencias oscilantes que sacuden el cilindro harán ruido, dice ella. Sonará como un tren de carga que pasa por su parque eólico.
Los cilindros oscilantes son solo una de varias tecnologías emergentes destinadas a recolectar más viento por menos. Makani Power está desarrollando una cometa de energía atada (ver Flying Windmills). Vuela en un gran círculo similar a la punta de una pala de turbina convencional mientras aprovecha la energía eólica a través de turbinas a bordo más pequeñas. Astro Teller, jefe de Google X, la instalación de investigación semisecreta de Google que adquirió Makani en 2013, dijo en marzo que la compañía pronto comenzaría las pruebas de una cometa a gran escala de 600 kilovatios.
John Dabiri, profesor de aeronáutica y bioingeniería en Caltech, está probando diferentes configuraciones de turbinas de eje vertical, que son esencialmente molinos de viento que giran como un tiovivo en lugar de un eje horizontal como una rueda de bicicleta. Por lo general, las turbinas eólicas se colocan lejos unas de otras para optimizar la producción de energía. Basándose en los mismos principios que utilizan los peces para conservar energía mediante la educación, Dabiri descubrió que las turbinas colocadas cerca unas de otras podrían producir más energía que las que están alejadas.
Puede coordinar el funcionamiento de múltiples aerogeneradores de modo que el todo sea mayor que la suma de sus partes, dice.
Dabiri dice que tales efectos sinérgicos también podrían aplicarse a los molinos de viento de eje horizontal convencionales o incluso a las turbinas oscilantes. Este último plantea un desafío mayor porque la estela de tales turbinas es muy caótica, pero también un beneficio potencial porque la estela contiene mucha energía, dice.
Queda mucho por ver con la turbina oscilante de Vortex, dice Dabiri, pero agrega que está entusiasmado con el concepto de la compañía. Cualquiera que diga que la turbina de tres palas es lo mejor que podemos hacer carece de visión.