Un nuevo modelo mejora la predicción de la aerodinámica de palas de aerogeneradores

El ingeniero burgalés Rubén Gutiérrez Amo propone en su tesis doctoral, defendida en la Universidad Pública de Navarra (UPNA), una nueva manera de ajustar el modelo de simulación por ordenador utilizado para analizar la aerodinámica en las palas de los aerogeneradores empleados en la industria eólica.

Este nuevo enfoque, desarrollado en parte en la Universidad Técnica de Delft (TU-Delft) en Países Bajos y en colaboración con la empresa Nordex SE, mejora la fiabilidad de las simulaciones, cuyos resultados se usan posteriormente en modelos aeroelásticos para calcular las fuerzas del viento a lo largo de la pala y cuánta energía genera dicha pieza cuando es más gruesa y presenta rugosidades por desgaste o suciedad.

Tener estos datos es crucial para un diseño más aerodinámico y eficiente de los aerogeneradores, informa la UPNA en un comunicado.

“La situación económica actual y la urgente transición energética hacia una producción de energía libre de emisiones de gases invernadero pueden influir significativamente en la toma de decisiones durante el proceso de diseño de las palas de los aerogeneradores”, señala Rubén Gutiérrez.

El objetivo de la eficiencia de las palas de los aerogeneradores

En este sentido, con el objetivo de recudir costes, una posible estrategia podría consistir en incrementar el espesor de la pala de los aerogeneradores para reducir material y mantener, a su vez, la rigidez necesaria con el fin de asegurar su integridad.

El incremento del espesor conlleva que el aire esté sometido a una mayor oposición en su movimiento tras circular alrededor de la pala y esto "no conlleva un impacto significativo en la producción de energía siempre y cuando el estado superficial de la pala no reduzca la velocidad del aire”, añade el investigador.

Sin embargo, los aerogeneradores, al estar ubicados en diferentes entornos naturales, se enfrentan a diversas condiciones ambientales, que pueden ocasionar que la superficie de las palas se ensucie o se desgaste, lo que altera su rugosidad.

Cuando una pala de aerogenerador tiene una superficie rugosa, no puede captar el viento tan eficientemente, al enfrentarse a más resistencia y más intensidad de turbulencia, lo que reduce su rendimiento aerodinámico. “Como resultado, la aerodinámica de la pala podría verse impactada”, apunta el autor de la tesis.

Para solucionar este problema, Rubén Gutiérrez trabajó en un método, tanto numérico como experimental, con el fin de cuantificar el posible impacto aerodinámico en la superficie rugosa de las palas. Según constató en su tesis, las metodologías existentes funcionaban bien con aquellas que son delgadas, pero presentaban limitaciones con las gruesas.

Así, realizó pruebas físicas en el túnel de viento en la Universidad Técnica de Delft, recurrió a técnicas avanzadas de medición (como la velocimetría de imagen de partículas o PIV, por sus siglas en inglés), aplicó modelos matemáticos y usó simulaciones por ordenador con el fin de estudiar la manera en que se mueve el aire alrededor de las palas de los aerogeneradores.

Con los datos obtenidos, Gutiérrez descubrió que los modelos existentes no estaban prediciendo correctamente el comportamiento del aire. Para mejorarlos, seleccionó dos correcciones numéricas planteadas en la literatura científica y que no habían sido probadas experimentalmente antes.

Los resultados de la tesis demostraron que estas correcciones no solo tenían sentido desde un punto de vista teórico, sino que también funcionaban en la práctica. En concreto, las correcciones lograron reducir en un 75% el error en la predicción de las fuerzas aerodinámicas, lo que significa que los modelos ahora son mucho más precisos.

Por último, la tesis sugiere a la comunidad científica un nuevo enfoque para mejorar la precisión del modelo de simulación por ordenador.

Al aplicar esta nueva metodología, se logran predicciones más precisas de cómo se distribuyen las fuerzas y la potencia a lo largo de dicha pieza. La metodología anterior, en cambio, producía errores y subestimaba en un 2,5% la energía anual que los aerogeneradores podían producir.