El efecto estela en la energía eólica: una influencia clave en el rendimiento de los parques eólicos

En el campo de la energía eólica, un fenómeno de gran relevancia es el conocido como efecto estela en los parques eólicos. Este fenómeno se produce debido a la interacción entre los aerogeneradores, lo que afecta en el rendimiento y la eficiencia energética del parque eólico. Esta corriente de aire perturbada puede ocasionar una disminución en la producción de energía y una mayor carga sobre los componentes de los aerogeneradores. En este artículo, exploraremos en detalle cómo el efecto estela influye en la producción de energía eólica, examinando cómo la turbulencia y la disposición estratégica de los aerogeneradores pueden mitigar sus efectos perjudiciales.

¿Qué es el efecto estela en la energía eólica?

El efecto estela en la energía eólica se produce cuando el flujo de viento se ve afectado por la presencia de un aerogenerador, lo cual impacta a los aerogeneradores cercanos. Al encontrarse con un aerogenerador, el viento crea una zona de baja presión detrás de él, lo que resulta en un viento más lento y menos energético para los aerogeneradores subsiguientes. Esta situación reduce la eficiencia y el rendimiento de los aerogeneradores ubicados aguas abajo, conocido como el efecto estela.

La optimización de la disposición de los aerogeneradores es crucial para aprovechar al máximo la superficie disponible en un parque eólico. Por un lado, es necesario mantener una separación adecuada entre los aerogeneradores para evitar la influencia de las sombras eólicas y las turbulencias generadas, lo cual reduce la producción del parque. Por otro lado, se busca que estén lo suficientemente cercanos para optimizar la superficie disponible y minimizar los costes de la red de media tensión interna del parque, así como las pérdidas de energía en dicha red.

El diseño de parques eólicos representa un desafío debido al fenómeno de las múltiples estelas. El cálculo del efecto estela es un problema significativo en los parques eólicos y requiere un modelado preciso para reducir las pérdidas de potencia causadas por el efecto estela tanto en distancias cercanas como lejanas.

En este video, descubriremos cómo Siemens Gamesa Renewable Energy está maximizando la producción de energía eólica mediante la optimización de estela. Exploraremos cómo su enfoque innovador en la colocación estratégica de aerogeneradores y el uso de tecnología de punta está permitiendo generar más energía de manera eficiente y rentable. Gracias a la utilización de NVIDIA Modulus and Omniverse, los diseñadores de empresas especializadas en parques eólicos tienen la capacidad de combinar métodos tradicionales con modelos de inteligencia artificial de súper resolución basados en principios físicos. Esto les permite generar datos de simulación de alta resolución de manera significativamente más rápida, lo que resulta en la creación de modelos de estela de ingeniería más precisos y detallados.

Impacto del efecto estela en el rendimiento de los parques eólicos

El impacto del efecto estela en un parque eólico es significativo y puede tener varias consecuencias en la eficiencia y el rendimiento global del sistema. A continuación, se describen algunos de los principales impactos:

a) Disminución de la producción de energía:

El efecto estela provoca una disminución en la velocidad y la energía del viento que llega a los aerogeneradores ubicados aguas abajo producido por los aerogeneradores aguas arriba. Esto reduce la producción de energía de los aerogeneradores aguas abajo, ya que reciben un flujo de viento menos potente. Además, el efecto puede ser acumulativo y perjudicial para los aerogeneradores que están a la última fila de la distribución en el parque eólico.

b) Pérdida de eficiencia:

Debido a la disminución en la velocidad del viento, los aerogeneradores afectados por el efecto estela operan a velocidades menores a las óptimas. Esto resulta en una reducción de la eficiencia de conversión de energía, ya que no aprovechan plenamente el potencial del viento disponible. La eficiencia (ɳ) puede definirse como:

Donde is the measured power output of turbine , is la power output for free stream conditions, and is the number of turbines.

c) Desgaste desigual de los aerogeneradores:

El efecto estela también puede provocar un desgaste desigual en los aerogeneradores del parque. Los aerogeneradores ubicados aguas abajo experimentan cargas de viento fluctuantes y turbulencias, es decir, la velocidad del viento no se distribuye de manera uniforme en toda el área de barrido de las palas, lo que puede generar un mayor desgaste mecánico y acortar la vida útil de las turbinas eólicas.

d) Limitaciones en la disposición de los aerogeneradores:

El efecto estela impone restricciones en la disposición óptima de los aerogeneradores en un parque eólico. Es necesario encontrar un equilibrio entre maximizar la producción de energía y minimizar el impacto del efecto estela. Esto implica considerar la distancia y la configuración de los aerogeneradores para evitar interferencias entre las estelas generadas. También, depende mucho de la geografía del lugar de instalación, ya que un punto de ubicación en el terreno puede ser óptimo, pero no es un lugar adecuado para la instalación de la torre.

Criterio en la distribución de los aerogeneradores

Los aerogeneradores se disponen en una o varias filas alineadas perpendicularmente a la componente más energética del viento (la de mayor magnitud), como se indica en la representación gráfica de la rosa de los vientos de energía. Al establecer la separación entre los aerogeneradores, generalmente se siguen las siguientes recomendaciones:

• Para la separación entre aerogeneradores dentro de la misma fila, se establece una distancia que oscila entre 2 y 3 veces el diámetro del rotor D.

• Para la separación entre filas, se aplica una distancia de 6 a 8 veces el diámetro del rotor D.

La separación entre los aerogeneradores se determina en función de la sombra eólica" que se pueda generar entre ellos, la cual depende de la dirección predominante del viento.

En la Figura 3 se muestra la distribución de 48 aerogeneradores en un parque eólico de 120 MW con una orientación de la fila de 25 grados respecto a la dirección de referencia.

Conclusión

El efecto estela en la energía eólica es un factor crucial que influye en el rendimiento de los parques eólicos. Su impacto se traduce en una disminución en la producción de energía, pérdida de eficiencia y desgaste desigual de los aerogeneradores. Para maximizar la producción y minimizar los efectos negativos, es necesario optimizar la disposición estratégica de los aerogeneradores. En este sentido, la combinación de métodos tradicionales con modelos de inteligencia artificial de alta resolución, como los ofrecidos por NVIDIA Modulus y Omniverse, permite generar datos de simulación más rápidos y precisos, mejorando la capacidad de mitigar el efecto estela y maximizar la eficiencia en la generación de energía eólica. La correcta distribución de los aerogeneradores, considerando la separación y la configuración adecuada, es esencial para optimizar el rendimiento de un parque eólico y minimizar las interferencias entre las estelas generadas.