Sistema inteligente antihielo para aspas de rotor

Muchas empresas eluden construir sistemas eólicos en regiones nórdicas, a pesar de que allí el viento sopla con mucha fuerza. Para empezar, las condiciones meteorológicas representan un desafío hercúleo: Cuando se forma una capa de hielo en las aspas del motor las propiedades aerodinámicas suelen deteriorarse, ya que en caso de tormenta de nieve, la temperatura desciende por debajo de los cero grados y, en consencuencia, las turbinas producen menos energía. La inexorable redistribución de las cargas altera el balance general lo que, por otra parte, puede hacer que las aspas se rompan antes. Además de todo esto, existe una evidencia de riesgo debido a la ruptura de los carámbanos. Cuando hay peligro de formación de hielo, los operarios cierran inmediatamente el sistema. La producción anual de energía se ve considerablemente reducida.

La acumulación de hielo origina una pérdida de potencia que suele oscilar entre el 14 y el 20%. En consecuencia, la probabilidad de que se construyan turbinas eólicas en regiones con climas gélidos es bastante menor a pesar de su vasto potencial. Aquí es donde interviene el 'Proyecto Windheat' de la UE: En conjunta colaboración con seis corporaciones pertenecientes a cuatro países de la UE, los investigadores del Instituto Fraunhofer de Ingeniería de Fabricación y Automatización IPA de Stuttgart están desarrollando un sistema eficiente de detección de hielo y antihielo (o deshielo) para generadores de energía con turbinas eólicas pequeñas. De este modo, se evitarían los periodos de inactividad provocados por las condiciones atmosféricas. El recubrimiento de los nanotubos de carbono hace que el hielo se derrita.

Los sistemas antihielo existentes son de alto consumo energético porque tienen que calentar toda la aspa del rotor, independientemente de si el problema afecta al aspa entera. Pero gracias a ‘Windheat’, los socios del proyecto están tomando un camino distinto: Esta aspa de rotor se divide en diversas zonas que terminan con un recubrimiento de nanotubo de carbón (CNT). Después, se integra por separado un detector de hielo en cada recubrimiento de CNT. "Nuestro recubrimiento de nanotubo de carbón solo calienta las zonas recubiertas de hielo. Estas son, en primer lugar, los bordes de la cuchilla del rotor", afirma Anne Gerten, científica del IPA.

Estas pequeñas y delicadas indagaciones miden constantemente la temperatura y la humedad en la superficie, reaccionan ante fluctuaciones leves y detectan cuándo se congela el agua. Si se detecta hielo, los detectores activan en cuestión de segundos el elemento térmico que suministra la capa CNT correspondiente. Una vez derretido el hielo, el calentamiento se desactiva automáticamente. Combinando el recubrimiento CNT y los sensores, podemos identificar y calentar las zonas congeladas únicamente cuando así se requiere», añade Gerten. El objetivo del proyecto es incrementar la eficiencia energética al menos en un 18%, empleando esta estrategia de deshielo.

El recubrimiento CNT, de tan solo unos micrómetros de grosor, puede aplicarse con facilidad al aspa del rotor. Se aplica rociando CNT sobre una película de polímero autoadhesiva. El revestimiento transparente aísla el recubrimiento y además lo protege de la humedad y de los efectos mecánicos. Los investigadores escogieron este material debido a sus excelentes propiedades mecánicas. "En principio, estos nanotubos de carbón son capas envueltas en grafito que se conectan en varios puntos. En estos puntos de contacto, la corriente eléctrica se convierte en calor."

¿En qué partes de las aspas del rotor existe mayor probabilidad de que se acumule hielo? En el proyecto utilizan simulaciones por ordenador para averiguarlo. Los bordes de las aspas resultaron ser, sobre todo, los puntos neurálgicos. Los investigadores del IPA fueron capaces de confirmar estas averiguaciones a través de las pruebas realizadas en el túnel de viento. Se probaron prototipos con hielo y lluvia a menos 30 ºC, y velocidades de viento hasta 120 km/h en condiciones reales. Entre otras cosas, se equipó el aspa del rotor de un generador con una turbina eólica pequeña con recubrimiento CNT, aplicando materiales económicamente asequibles a los sensores y a los elementos térmicos. Una precondición importante para que el sistema antihielo sea factible en la producción en serie, en opinión de la ingeniera diplomada Sascha Getto, colega de Anne Gerten en el IPA e investigadora a cargo de las pruebas en el túnel de viento. “Hemos diseñado y fabricado los prototipos para turbinas eólicas pequeñas, pero son absolutamente apropiadas para actualizaciones exclusivas”. Getto considera que la aviación es un campo potencial de aplicación para el Sistema Windheat, ya que podría descongelar las alas de los aviones.