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TECNOLOGÍA. La formación de hielo puede costar a las turbinas eólicas hasta el 80% de la producción de energía

 

Los investigadores salieron al campo para estudiar la formación de hielo en este parque eólico en la cima de una cresta en el este de China. Foto cortesía de Hui Hu / Iowa State University

Los investigadores dirigidos por Hui Hu del estado de Iowa sacaron sus estudios del engelamiento de turbinas eólicas del laboratorio y los llevaron al campo para aprender cómo y dónde se acumula el hielo en las palas giratorias. Aprendieron que el hielo en las palas puede reducir la producción de energía hasta en un 80%. El estudio de campo también validó sus hallazgos experimentales, teorías y predicciones.

Las palas de las turbinas eólicas que giran en condiciones frías y húmedas pueden acumular hielo de casi un pie de espesor en las puntas de sus palas de un metro de ancho.

Eso altera la aerodinámica de las palas. Eso altera el equilibrio de toda la turbina. Y eso puede interrumpir la producción de energía hasta en un 80 por ciento, según un estudio de campo recientemente publicado dirigido por Hui Hu, profesor Martin C. Jischke de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad Estatal de Iowa y director de Física de Icing de Aeronaves y Anti- / Deshielo de la universidad. Laboratorio de Tecnología.

Hu ha estado realizando estudios de laboratorio sobre la formación de hielo en las palas de las turbinas durante unos 10 años, incluida la realización de experimentos en el exclusivo túnel de investigación de formación de hielo de ISU. Gran parte de ese trabajo ha sido financiado por subvenciones del Iowa Energy Center y la National Science Foundation.

"Pero siempre tenemos preguntas sobre si lo que hacemos en el laboratorio representa lo que sucede en el campo", dijo Hu. "¿Qué sucede sobre las superficies de las palas de grandes turbinas eólicas a escala de servicios públicos?"

La producción de energía eólica y otras fuentes de energía se congelaron y fallaron en Texas durante la tormenta de invierno del mes pasado.

Buscando un emplazamiento para los aerogeradores

Hu quería cuantificar lo que sucede en los parques eólicos durante el invierno, por lo que hace varios años comenzó a organizar un estudio de campo. Pero eso fue más complicado de lo que esperaba. Incluso en Iowa, donde unas 5.100 turbinas eólicas producen más del 40% de la electricidad del estado (según la Asociación de Información Energética de EE.UU.), no se le dio acceso a las turbinas. 

Las empresas de energía generalmente no quieren que los datos de rendimiento de sus turbinas se hagan públicos.

Así que Hu, que había hecho conexiones con investigadores de la Escuela de Energía Renovable de la Universidad de Energía Eléctrica del Norte de China en Beijing como parte de un programa de Experiencias de Investigación Internacional para Estudiantes financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, preguntó si los parques eólicos chinos cooperarían.

Esta foto de un dron de un estudio de campo de la formación de hielo en turbinas eólicas muestra cómo el hielo se acumuló en la punta de la pala de una turbina durante una tormenta de invierno.  Foto cortesía de Hui Hu / Iowa State University

Los operadores de un parque eólico de 34 turbinas y 50 megavatios en la cima de una montaña en el este de China acordaron un estudio de campo en enero de 2019. Hu dijo que la mayoría de las turbinas generan 1,5 megavatios de electricidad y son muy similares a las turbinas a escala de servicios públicos que operar en los Estados Unidos.

Debido a que el parque eólico que estudiaron los investigadores no está lejos del Mar de China Oriental, Hu dijo que las turbinas eólicas allí enfrentan condiciones de formación de hielo más parecidas a las de Texas que a las de Iowa. Los parques eólicos de Iowa están expuestos a condiciones invernales más frías y secas; cuando el frío invernal cae sobre Texas, los parques eólicos están expuestos a más humedad debido al cercano Golfo de México.

Midiendo la formación de hielo

Como parte de su trabajo de campo, los investigadores utilizaron drones para tomar fotos de palas de turbinas de 50 metros de largo después de la exposición a hasta 30 horas de condiciones invernales heladas, que incluyen lluvia helada, llovizna helada, nieve húmeda y niebla helada.

Las fotografías permitieron mediciones y análisis detallados de cómo y dónde se acumulaba el hielo en las palas de la turbinaHu dijo que las fotos también permitieron a los investigadores comparar el glaseado natural con el glaseado de laboratorio y validaron en gran medida sus hallazgos, teorías y predicciones experimentales.

Las fotos mostraban: "Si bien el hielo se acumulaba en todos los tramos de las palas, se encontró que se acumulaba más hielo en las palas exteriores con un espesor de hielo que alcanzaba hasta 0,3 metros (casi 1 pie) cerca de las puntas de las palas", escribieron los investigadores en un artículo publicado recientemente por la revista Renewable Energy.

Los investigadores utilizaron los sistemas de adquisición de datos y control integrados de las turbinas para comparar el estado de funcionamiento y la producción de energía con hielo en las palas con las condiciones más típicas sin hielo.

Los investigadores encontraron que, no solo la falta de viento, sino también la formación de hielo (en invierno pueden venir acompañados) tuvo un efecto importante en la merma de producción de energía

“A pesar del fuerte viento, se descubrió que las turbinas eólicas con hielo giraban mucho más lento e incluso se apagaban con frecuencia durante el evento de formación de hielo, con una pérdida de potencia inducida por la formación de hielo de hasta un 80%”, escribieron los investigadores. El siguiente reto es encontrar formas efectivas de descongelar las palas para que sigan girando y la electricidad siga fluyendo durante todo el invierno.

Fuente: “A field study of ice accretion and its effects on the power production of utility-scale wind turbines” by Linyue Gao, Tao Tao, Yongqian Liu and Hui Hu, 7 December 2020, Renewable EnergyDOI: 10.1016/j.renene.2020.12.014

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