Construir y operar granjas eólicas en alta mar es un negocio muy costoso. Para poder estimar la rentabilidad de las plantas, primero el potencial del viento debe ser determinado. Investigadores del Instituto Fraunhofer ahora han creado una boya para medir la velocidad del viento con tecnologías sofísticadas y precisas de medición que suministran los datos necesarios.
Los planificadores de las granjas eólicas en alta mar necesitan conocer la forma en que sopla el viento, ya que su rentabilidad depende de la velocidad del viento. “Las velocidades constantes del viento en el mar pueden compensar los enormes costos de inversión en la construcción de las granjas y conectarlas con la red de suministro eléctrico. La rentabilidad de las granjas eólicas proviene de la diferencia entre la compensación de la alimentación y los costos de la construcción y el mantenimiento”, comentó Claudia Rudolph, científica del Instituto Fraunhofer para la Energía Eólica y Sistemas Tecnológicos de Energía IWES en Bremerhaven. Utilizando una boya especial de medición del viento, los meteorólogos y su equipo desean calcular el potencial del viento y por lo tanto el rendimiento de energía que pueden esperarse, por lo tanto proporcionan un soporte valioso para los planificadores de las granjas eólicas. Para esta iniciativa, los investigadores dependen de la tecnología LiDAR (Light Detection and Ranging).
Una alternativa a los mástiles eólicos
El diseño de la boya LiDAR del Instituto Fraunhofer está basado en las boyas de luz que se han estado utilizando en el Mar del Norte por más de treinta años, los caules los científicos las han adaptado para medir el potencial del viento. Con de más de ocho metros de longitud, cuentan con un diámetro de 2.55 metros y pesan 4.9 toneladas. La boya transporta un dispositivo de medición LiDAR que calcula las velocidades del viento a una altura de entre 40 y 200 metros. “Los sistemas LiDAR envían pulsos de rayos láser a la atmósfera, los cuales reflejan las partículas de aerosol en el aire. Desde el cambio de frecuencia de la señal de retrodispersión, la velocidad y dirección del viento son calculadas a las alturas correspondientes de medición”, explicó Rudolph.
Aunque la tecnología ya es utilizada en tierra firme, fue previamente considerada inadecuada para las mediciones en las boyas y plataformas flotantes debido a que eran muy imprecisas. Los propios movimientos de las boyas, los cuales tienden a distorsionar los valores de medición, impedían el uso confiable de un dispositivo LiDAR. Para permitir a estas mediciones ser desarrolladas en estructuras móviles, los investigadores del Instituto Fraunhofer IWES desarrollaron un algoritmo de corrección que resta el propio movimiento de las boyas de los valores de medición.
El nuevo sistema flotante LiDAR garantiza una alta precisión en la medición, comparables con los resultados obtenidos por los mástiles de viento fijos en alta mar. Esta fue la conclusión de la validación de los datos de medición desarrollados en el Mar del Norte, donde la boya fue instalada en una ubicación con una profunidad de 30 metros en la granja en alta mar Alpha Ventus a 45 kilómetros de la costa de la Isla Borkum, cercana al mástil eólico FINO 1. Exisitó un 99.7 por ciento de correspondencia entre los valores del mástil con aquellos obtenidos por la boya.
“En alta mar, la boya LiDAR es una alternativa genuina a los mástiles eólicos, los cuales miden la velocidad del viento a una altura de 100 metros”, comentó Rudolph. Otra ventaja del sistema es que la boya flexible puede ser utilizada en todas partes en el mar y es fácil de instalar, haciendo de los costos de cinco a diez veces menores. Las boyas también son mucho más sencillas y económicas para su mantenimiento en comparación con los mástiles eólicos. Dependiendo de los requerimientos individuales, el sistema también cuenta con la capacidad de medir parámetros adicionales tales como las olas, corrientes y temperaturas al mismo tiempo.
Otras características importantes de las boyas es la cubierta de aluminio que encapsula el dispositivo de medición LiDAR y lo protege contra la salinidad del agua y de las extremas condiciones ambientales en el mar. La cubierta contiene un cristal especial a través del cual pasan los rayos láser sin obstáculos e interrupciones a la atmósfera. Un sistema de suministro de energía autónomo completa el sistema: tres pequeños generadores eólicos de 400 watts y tres paneles solares de 70 watts generan la electricidad, y al mismo tiempo tres baterías de gel la almacenan. Esto asegura que una reserva de energía esté disponible por un periodo de una semana sin viento y sin la luz del sol. Dentro de la plataforma de flotación se encuentra una computadora para comunicación de los datos. El estatus y datos de medición son transmitidos al destinatario mediante una red inalámbrica WLAN o de forma satélital.
Proyectos en el Mar del Norte
Una boya LiDAR está siendo actualmente utilizada en un proyecto de investigación cerca de la costa de Dinamarca, mientras una boya adicional será utilizada para la demostración de los datos de medición en el Mar del Norte. A través de este proyecto, el objetivo de los científicos es presentar su desarrollo al consorcio Offshore Wind Accelerator (OWA) reunidos por la Carbon Trust, una organización sin fines de lucro cuya misión es la de fomentar la transición a una economía amigable con el medio ambiente. “Si cumple con los criterios establecidos por OWA, se les otorga un estatus pre-comercial, la cual transmite una señal importante a nuestros clientes potenciales. Demuestra que nuestro sistema es totalemte operativo, y nos permite aproximarnos a los planificadores y operadores de granjas eólicas con diversas ofertas tales como mediciones a largo plazo para el pronóstico del rendimiento y medidas de la velocidad del viento en línea durante la instalación”, comentó Rudolph.
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Sobre el Instituto Fraunhofer para Sistemas y Tecnologías de Energía Eólica (IWES)
El Instituto Fraunhofer IWES, fue fundado en el año 2009, cuenta con más de 500 investigadores que trabajan en el campo de la energía eólica y sistemas tecnológicos de energía. El presupuesto de operación alcanzó los 32.1 millones de Euros en el año 2014. El Instituto Fraunhofer IWES cuenta con extensas instalaciones de prueba y de experimentación, laboratorios, y equipos de vanguardia. Su experiencia le ha permitido al Instituto desarrollar y establecer nuevas instalaciones y metodologías de pruebas. El Instituto es un socio reconocido para el desarrollo y proyectos de cooperación a nivel internacional. Sus investigadores aportan su experiencia a los organismos de normalización y a los comités de normatividad www.iwes.fraunhofer.de.
