Diseño Aerodinámico de palas para miniaerogeneradores

En la industria de miniaerogeneradores, tradicionalmente, se ha sacrificado el diseño de las palas para centrarse en los componentes eléctricos. Un diseño aerodinámico eficiente repercute en un aumento de la potencia generada y en una disminución de las cargas en el rotor y en consecuencia en toda la máquina, aumentando la fiabilidad y la vida del aerogenerador.

Autores: Borja Plaza Gallardo / Rita Gómez González-INTA

La generación de energía renovable distribuida tiene un gran interés, no solo económico, sino también estratégico. Utilizar recursos propios del país, y que la generación se produzca de forma uniformemente distribuida, disminuye la dependencia energética y aumenta la eficiencia de la red de distribución minimizando las pérdidas en el transporte.

Los aerogeneradores de pequeña potencia son una de las tecnologías renovables que más pueden ayudar a la creación de una red eléctrica de generación distribuida. Su reducido impacto visual, comparado con aerogeneradores de mayor potencia, y su disponibilidad para ser instalados tanto a la red eléctrica como para autoconsumo, incluyendo diferentes técnicas de almacenamiento, permite su utilización en distintos emplazamientos y una mayor facilidad de implantación.

Para mejorar su posición frente a otras energías renovables es preciso mejorar el rendimiento energético, realizar diseños más silenciosos, aumentar la fiabilidad y reducir los riesgos estructurales.

En la fabricación de nuevos aerogeneradores, uno de los puntos más importantes, es el diseño aerodinámico de las palas. La generación eléctrica anual de un aerogenerador depende de su capacidad de obtener el máximo rendimiento posible en la extracción de energía del aire. En la eólica de baja potencia se tiende a prestar una atención limitada a la aerodinámica en favor del problema eléctrico, la fabricación a bajo coste, un precio de compra reducido, o la fiabilidad de operación, por ejemplo.

Sin embargo, un diseño eficiente repercute en un aumento de la potencia generada, una disminución del ruido generado y en una disminución de las cargas en el rotor y en consecuencia en toda la máquina, aumentando la fiabilidad y la vida de la máquina, lo que repercute en la “eficiencia económica” del aerogenerador.

El cálculo de fuerzas que aparecen sobre un cuerpo fuselado puede ser muy complicado. Ciertos cuerpos tridimensionales, como las palas de un aerogenerador, cumplen una serie de condiciones geométricas que permiten estudiar la generación de fuerza en cada sección o perfil de la pala (problema bidimensional) y aplicar las fuerzas así calculadas como una distribución de fuerzas que se integra para obtener las fuerzas totales.

El diseño o selección de los perfiles aerodinámicos determina el comportamiento del generador en todas las situaciones de operación. Perfiles con mucha resistencia producirán menor potencia, pero perfiles más eficientes pueden presentar disminuciones drásticas de la potencia producida si se deterioran (suciedad, impactos, etc.) y variaciones bruscas de las cargas en la pala. Perfiles muy delgados impedirán el arraigo estructural al buje y las palas no serán suficientemente rígidas.

Para seleccionar los perfiles que conforman una pala adecuada, es necesario conocer las condiciones de operación, en particular, cómo es el flujo en el que va a trabajar el perfil.

Anteriormente,  los perfiles utilizados para fabricar palas de aerogeneradores eran los diseños desarrollados para la industria aeronáutica pero las condiciones operativas difieren, ya que los aviones operan a ángulos de ataque pequeños, sus métodos de fabricaciones son mejores, están sometidos a un mantenimiento periódico exhaustivo y el número de Reynolds de operación es mucho mayor.

Para el análisis de nuevos perfiles, especialmente diseñados para las condiciones propias de funcionamiento de los miniaerogeneradores, existen herramientas de cálculo que van desde las más rápidas y sencillas basadas en métodos potenciales y en la resolución de las ecuaciones de Euler, hasta las más complejas y costosas basadas en códigos Navier-Stokes con modelos CFD.

Las investigaciones realizadas por el Área de Dinámica de fluidos del INTA (Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial) van encaminadas a reducir las fuentes de error de los códigos de cálculo de aerogeneradores, como son los datos de los perfiles a su actuación en bajo número de Reynolds, sus características para altos ángulos de ataque, fundamentalmente la entrada en pérdida, los modelos de estimación de pérdidas en punta de pala y el efecto de aumento de sustentación y retraso de la entrada en pérdida debido a la rotación.

Para todas estas características existen múltiples modelos que presentan gran dispersión en los resultados según se utilice uno u otro, lo cual hace necesario su ajuste mediante datos experimentales (ensayos en túnel de viento, Área de Ensayos Aerodinámicos, INTA) y cálculos

con CFD de alto nivel, además de una investigación más profunda en el desarrollo de la aerodinámica detrás de estos fenómenos.

El conocimiento de la aerodinámica del aerogenerador es crucial para aumentar su tiempo de vida y operatividad, así como la captura de energía y la calida de ésta. La innovación en los diseños, no solo crea máquinas mejores y aumenta las posibilidades de emplazamiento, sino que adicionalmente, genera mayor confianza por parte de la opinión pública en las energías renovables y conciencia del problema energético.