El ingeniero aeroespacial Martín Sánchez Bettiol investigó para su tesis de grado el fenómeno de generación de vórtices en aerogeneradores sin aspas, una tecnología experimental que busca aprovechar la vibración inducida por el viento para producir electricidad.
La energía eólica convencional utiliza aerogeneradores que consisten en enormes torres con tres palas que giran con el viento. Ese giro acciona un sistema de generación eléctrica, que transformar la energía del aire en electricidad. Si bien se trata de una tecnología ampliamente utilizada, también tiene algunas limitaciones o desventajas: requiere estructuras muy grandes, sistemas mecánicos complejos, una logística complicada y mantenimiento periódico.
En ese escenario, surge una alternativa: los aerogeneradores sin aspas, que producen electricidad a partir de la oscilación. Consisten en un mástil o cilindro flexible, sujeto al suelo por uno de sus extremos y libre en el otro, que vibra con el viento.
El principio físico del movimiento se conoce como Vibración Inducida por Vórtices (VIV). Cuando el flujo de aire rodea un cuerpo cilíndrico, se desprenden pequeños remolinos que generan fuerzas variables sobre la estructura. Si esas fuerzas se acoplan con la frecuencia natural del sistema, el cilindro entra en oscilación y ese movimiento puede convertirse en energía eléctrica mediante un sistema de generación.
Esta tecnología, aún en etapa de desarrollo, presenta grandes ventajas respecto a la generación eólica convencional y podría utilizarse para aplicaciones alternativas en las que los aerogeneradores no son viables. Sobre este principio trabajó Martín Sánchez Bettiol, ingeniero aeroespacial de la Universidad Nacional de La Plata (UNLP), durante su tesis de grado. Su investigación se enfocó en estudiar cómo se generan esos vórtices, cómo interactúan con la estructura y qué condiciones permiten transformar la vibración del cilindro en una posible fuente de energía renovable. A partir de ese trabajo, el ingeniero analizó el comportamiento aerodinámico del sistema y el potencial de una tecnología que todavía busca demostrar hasta dónde puede llegar.
El fenómeno de acoplamiento
Para entender por qué este tipo de aerogenerador puede producir movimiento, Sánchez Bettiol parte de un fenómeno aerodinámico: el desprendimiento de vórtices. “Básicamente, cuando el viento encuentra un cuerpo romo, como un cilindro, por detrás del cuerpo el flujo de aire se separa y forma remolinos alternados. Ese desprendimiento no ocurre de manera desordenada, sino con una frecuencia característica que depende, entre otros factores, de la velocidad del viento y de la geometría del cuerpo”, explicó el ingeniero.
El otro concepto clave para estudiar esta tecnología es la frecuencia natural de la estructura. Es decir, la frecuencia propia con la que un objeto tiende a vibrar cuando se lo desplaza de su posición de equilibrio y se lo deja libre. Para explicarlo de forma simple, Sánchez Bettiol propone pensar en una regla sostenida desde un extremo: “si se flexiona la punta libre y se la suelta, la regla comienza a oscilar de un lado a otro con una frecuencia particular. Esa es su frecuencia natural a flexión”.
En un aerogenerador sin aspas, el objetivo es que ambos fenómenos coincidan: la frecuencia con la que el viento desprende vórtices alrededor del cilindro debe ser muy similar a la frecuencia natural de vibración de la estructura. Cuando esas frecuencias se aproximan, el movimiento del cilindro se amplifica. Ese acoplamiento es el punto de partida para transformar la oscilación en energía eléctrica.
“Lo que queríamos probar era qué tan fácil era acoplar la frecuencia característica de desprendimiento de los vórtices con la primera frecuencia natural a flexión del modelo de generador”, señaló Sánchez Bettiol. “Buscábamos acoplar las dos frecuencias para amplificar los desplazamientos laterales, que son de donde después se podría sacar la energía eléctrica”.
Según explicó, uno de los aspectos más interesantes del trabajo fue determinar qué tan precisa debía ser esa coincidencia. Es decir, si ambas frecuencias tenían que ser prácticamente idénticas o si existía un margen dentro del cual el acoplamiento seguía funcionando. “Visualmente, se puede reconocer que hay acoplamiento porque el cilindro empieza a moverse con una amplitud mucho mayor”, detalló.
Para avanzar en esa caracterización, el trabajo tuvo varias etapas. Primero, se estudió la frecuencia de desprendimiento de vórtices para cilindros sometidos a bajas velocidades de viento. Luego, se caracterizó la frecuencia natural de la estructura. “Lo que hice fue el desarrollo de modelo dinámico simple, basado en una varilla con una masa en la punta, y luego incorporé un modelo de cuerpo rígido. Finalmente, realicé ensayos con un acelerómetro para medir experimentalmente la frecuencia de vibración y comparar esos resultados con el modelo teórico”, explicó Sánchez Bettiol.
Una vez caracterizadas ambas frecuencias, el paso siguiente fue buscar el acoplamiento. Para eso, el equipo modificó la longitud de la varilla, ya que ese cambio permite alterar la frecuencia natural de la estructura. Al mismo tiempo, para cada velocidad de viento existe una frecuencia particular de desprendimiento de vórtices. “El desafío era encontrar las condiciones en las que ambas frecuencias coincidieran lo suficiente como para generar una oscilación amplificada”.
El problema del sistema de control
Una vez que se logra el acoplamiento, esa dinámica no se mantiene indefinidamente. “Si la velocidad del viento cambia demasiado, también cambia la frecuencia de desprendimiento de vórtices”, explicó Sánchez Bettiol. “Una vez que superás la velocidad de viento en la que tenés el acoplamiento, el fenómeno desaparece“.
“Entonces, para que estos generadores puedan seguir funcionando para distintas velocidades de viento, se necesita un sistema de control que vaya ajustando la frecuencia natural de la estructura para mantener el acoplamiento”. Según el ingeniero, esa podría ser una segunda parte para su trabajo de investigación: el desarrollo del sistema de control.
Ese control es uno de los principales desafíos tecnológicos. Por un lado, los aerogeneradores sin aspas buscan la simplicidad, por lo que el sistema de control debería adaptarse sin volver demasiado complejo al dispositivo. Además, tendría que consumir muy poca energía, porque parte de la electricidad producida por el propio sistema debería destinarse a sostener su operación. “El sistema de control debería operar con la energía generada. La idea es que no consuma mucho, para poder usar esa energía en otra cosa”, indicó.
La generación eléctrica en sí misma también es un reto. “En los aerogeneradores convencionales, la conversión de energía se basa en la rotación de las palas, que hace girar un eje conectado a un generador. Pero acá no hay nada girando, es un cilindro que se mueve de forma aproximadamente lineal”. Esto obliga a tener que desarrollar un nuevo sistema capaz de convertir una vibración lineal en electricidad. “Ya existen algunas soluciones, por ejemplo, con imanes permanentes. Pero aún es una tecnología en desarrollo”.
Los ensayos del aerogenerador en tunel de viento
Para los ensayos, realizados en el tunel de viento del Laboratorio de Capa Límite y Fluidodinámica Ambiental (LaCLyFA) de la UNLP, el modelo utilizado fue deliberadamente simple. “Se utilizaron varillas de acero y un tubo de PVC, porque son materiales fáciles de conseguir. Eso permitió evaluar si el fenómeno se podía observar en un modelo bastante rudimentario”, contó el ingeniero. “La idea también era poder fabricar algo simple y con poco presupuesto, para que sea aún más sencillo, económico y viable”.
Los resultados, según explicó, fueron alentadores. “El modelo funcionó muy bien. Si bien se hicieron ensayos para algunas velocidades determinadas, la estructura se acoplaba”, resumió Sánchez Bettiol. Aunque eso no significa que la tecnología ya esté lista para aplicaciones comerciales, sí muestra que el principio físico puede reproducirse con una estructura simple. “Deja pensando: está bueno, es bastante sencillo. Si uno logra hacer un sistema de generación relativamente simple, tiene que funcionar”.
Otro punto a resolver es la durabilidad de la estructura. Como el sistema trabaja en una condición en la que las cargas se amplifican, eso puede generar problemas de fatiga en los elementos sometidos a ciclos repetidos. “En el caso del prototipo ensayado, se podría evaluar cuántos ciclos resiste la varilla o, por ejemplo, analizar cambiarla por una varilla de carbono”.
Proyecciones futuras
Para Sánchez Bettiol, el interés de esta tecnología no está solamente en su novedad técnica, sino también en las posibles aplicaciones que podría tener si logra desarrollarse de manera simple y económica. Por su escala, la ausencia de palas y la posibilidad de fabricar sistemas más pequeños, los aerogeneradores sin aspas podrían pensarse como una solución complementaria para lugares donde no llega la red eléctrica o donde no tiene sentido instalar infraestructura eólica convencional.
“Yo creo que es una forma de producir un generador para llevarlo a zonas que están aisladas de la red”, planteó. “Además de lo tecnológico, se podría encarar la idea por el lado social, para producir energía en zonas remotas o aisladas”.
La potencia disponible dependería del tamaño del dispositivo, de la velocidad del viento y de la cantidad de unidades instaladas. “En principio, podría servir para aplicaciones simples como luces de servicio, sistemas de emergencia, balizas o consumos simples”, concluyó Sánchez Bettiol. “El mensaje que me gustaría dejar es que todavía es una tecnología incipiente, con muchos desafíos por resolver, pero también con un campo abierto para investigar y desarrollar nuevas soluciones.”
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