Wind-turbine wake effects on the rate of accumulation of fatigue damage in overhead conductors

Experimentos en túnel de viento que utilizan la detección por fibra óptica distribuida revelan que, bajo condiciones atmosféricas forestales, los conductores aéreos posicionados debajo o parcialmente fuera de la estela de un aerogenerador pueden experimentar daños por fatiga reducidos o manejables, lo que sugiere que la actual directriz de seguridad del Reino Unido de mantener una separación de tres diámetros de rotor podría reducirse potencialmente.

Lo esencial

Imagina un río gigante e invisible de aire fluyendo sobre el campo. A veces, este río es suave; otras veces, es agitado y salvaje. Ahora, imagina una turbina eólica de pie en este río. Mientras la turbina gira para captar el viento, deja una "estela" detrás de sí —un rastro turbulento y arremolinado de aire perturbado, muy parecido a la estela que deja un bote al moverse a través del agua.

La pregunta que esta investigación plantea es: ¿Qué les sucede a las líneas eléctricas (conductores aéreos) que pasan a través de esta estela turbulenta?

En el Reino Unido, las normas de seguridad actuales dicen que las líneas eléctricas deben estar al menos a tres veces el ancho de las palas de una turbina eólica de distancia de la misma. El temor es que el aire agitado en la estela haga que los cables se sacudan tan violentamente que eventualmente se rompan por fatiga, como un clip que se dobla hacia atrás y hacia adelante demasiadas veces.

Sin embargo, hasta ahora, nadie había realizado un experimento detallado y de alta tecnología para ver si esta regla se basa en la física o si es solo una suposición. Este artículo describe ese experimento.

El Experimento: Un Mundo en Miniatura

Los investigadores construyerim un mundo en miniatura dentro de un túnel de viento en el Imperial College de Londres.

• La Turbina Eólica: Utilizaron un modelo a escala de una turbina real.
• La Línea Eléctrica: En lugar de un pesado cable de acero, utilizaron un cable de goma flexible (EPDM) que se comporta de manera similar a un cable real cuando vibra.
• Los "Ojos": Para ver exactamente cómo se sacudía el cable, pegaron un hilo especial de fibra óptica a lo largo de toda su longitud. Este hilo actúa como un sistema nervioso super sensible, sintiendo cada pequeño estiramiento y tensión en miles de puntos a lo largo del cable.

Probaron el cable a diferentes alturas y a diferentes distancias detrás de la turbina (1.5, 2, 3, 4 veces el ancho de la turbina). Mantuvieron la velocidad del viento constante, simulando un día con brisa.

Los Hallazgos Sorprendentes

1. La "Abrazadera" es el Punto Débil
Al igual que la cuerda de una guitarra sufre más estrés donde se ata al puente, la línea eléctrica sufre más estrés justo donde está sujeta a la torre. Los investigadores descubrieron que este es el punto crítico donde el cable tiene más probabilidades de romperse.

2. La Estela No Siempre Empeora las Cosas
Uno esperaría que la estela turbulenta siempre hiciera que el cable se sacudiera con más fuerza. Pero los resultados fueron más bien como un juego de "Ricitos de Oro":

• Arriba (Cerca del Centro de la Turbina): Cuando el cable estaba en lo alto, directamente en medio de la estela, la turbulencia sí aumentó la sacudida. Este es el escenario "malo" donde el daño por fatiga se acumula más rápido.
• Abajo (Cerca del Suelo): Cuando el cable estaba más bajo, más cerca del suelo, la estela de hecho hizo que las cosas fueran menos peligrosas. Los investigadores creen que el suelo actúa como una pared, "comprimiendo" el aire entre el suelo y la estela. Esto crea una corriente de aire más rápida y suave que, en comparación con el viento salvaje y sin obstrucciones, calma el cable.
• El "Punto Dulce": El lugar más peligroso no fue necesariamente la distancia más cercana. Para los cables a ciertas alturas, estar a dos anchos de turbina de distancia causó la mayor sacudida y daño.

3. La Regla de las 3 Distancias Podría Ser Demasiado Conservadora
La regla actual del Reino Unido dice "mantente a 3 anchos de distancia". El estudio sugiere que esta regla podría ser demasiado estricta para los cables que están más bajos respecto al suelo.

• Si un cable está bajo, estar más cerca que 3 anchos (como a 1.5 o 2 anchos) podría ser en realidad más seguro que estar más lejos, porque el cable no está totalmente sumergido en la peor parte de la estela.
• La marca de "3 anchos" no es una línea mágica donde el peligro aparece o desaparece de repente. El peligro depende enteramente de qué tan alto esté el cable y de qué tan profundo se encuentre en la estela.

La Analogía del Gran Cuadro

Piensa en la estela de la turbina eólica como una pista de baile desordenada y arremolinada.

• Si te paras justo en medio de la pista de baile (cable alto), te golpearán y empujarán mucho, y podrías cansarte (fatiga) rápidamente.
• Si te paras cerca del borde de la habitación, cerca de la pared (cable bajo), los bailarines (el viento) podrían incluso empujarte lejos del caos, o la pared podría bloquear los peores golpes. En algunos casos, estar más cerca de la pared te mantiene más seguro que estar más lejos en el espacio abierto.

La Conclusión

El artículo concluye que la regla de "talla única" de mantenerse a 3 anchos de turbina de distancia podría no ser necesaria para todos los cables eléctricos. Si el cable está bajo respecto al suelo, podría ser seguro construirlo más cerca de la turbina sin preocuparse de que se rompa por la fatiga del viento. La clave es entender que el viento no se comporta de la misma manera a todas las alturas.

En resumen: La estela de la turbina eólica es un desorden complejo y arremolinado. A veces sacude las líneas eléctricas con más fuerza, pero otras veces, especialmente para los cables más cercanos al suelo, las sacude menos. La vieja regla de "mantente lejos" podría ser más segura de lo necesario para algunos cables, lo que potencialmente ahorraría dinero y espacio para nuevos proyectos energéticos.

Resumen técnico

Resumen Técnico: Efectos de la estela de turbinas eólicas en la tasa de acumulación de daño por fatiga en conductores aéreos

Planteamiento del Problema
La transición global hacia las emisiones netas cero está impulsando una expansión simultánea de la generación de energía eólica terrestre y la construcción de nuevas líneas de transmisión aéreas (OHL). Esta convergencia requiere la coubicación de turbinas eólicas y conductores aéreos (OHC). La orientación actual con respecto a la distancia mínima de separación segura entre estos activos varía significativamente según la jurisdicción; por ejemplo, el Reino Unido recomienda una distancia mínima de tres diámetros de rotor (3D) para mitigar la fatiga inducida por la estela, mientras que otras naciones ofrecen orientaciones aerodinámicas diferentes o ninguna específica. A pesar de las implicaciones económicas de imponer estas distancias, la base física de la recomendación de 3D permanece mayoritmente sin verificar mediante datos experimentales de alta fidelidad. Estudios previos han dependido de modelos gruesos o mediciones de campo limitadas con grandes incertidumbres, concluyendo a menudo que los efectos de la estela sobre la fatiga son mínimos, pero sin lograr resolver los mecanismos contrapuestos de déficit de velocidad de la estela e incremento de la intensidad de la turbulencia.

Metodología
Para abordar esta brecha, los autores realizaron experimentos de túnel de viento de alta fidelidad en el Imperial College London, diseñados para simular la interacción entre la estela de una turbina eólica y un OHC en condiciones atmosféricas forestales.

• Configuración Experimental: Se colocó un modelo de turbina eólica a escala (diámetro del rotor $D = 500$ mm) aguas arriba de un modelo de conductor instrumentado. La configuración simuló el terreno forestal de Gordon Bush en Escocia, replicando el terreno forestal mediante espiras tipo Counihan, una valla y rugosidad de cubos montada en la superficie para lograr un exponente de Hellmann de $\alpha = 0.22$.
• Escalamiento y Parámetros: Los experimentos mantuvieron la similitud geométrica para la separación turbina-conductor ($x_C$) y la altura del conductor ($H$) en relación con el diámetro de la turbina. Se probaron tres alturas de conductor ($H/D \in \{0.25, 0.475, 0.925\}$), y se evaluaron cuatro distancias de separación ($x_C/D \in \{1.5, 2, 3, 4\}$), junto con una línea base sin turbina. La velocidad del viento incidente en el conductor se fijó en $7$m s$^{-1}$, un valor elegido para representar el extremo superior del rango que típicamente es responsable de la vibración eólica.
• Instrumentación: Una innovación clave fue el uso de detección de deformación por fibra óptica distribuida basada en la retrodispersión de Rayleigh (RBS). Se unió una fibra óptica al conductor, proporcionando mediciones de deformación espacialmente resueltas con una resolución de 2.6 mm a lo largo de todo el tramo de 1.125 m. Esto permitió capturar tanto la deformación media como la fluctuante con alta fidelidad espacial, superando las limitaciones de los extensómetros discretos.
• Análisis de Fatiga: Los datos de deformación se procesaron mediante el conteo rainflow para descomponer los ciclos de esfuerzo. Se calculó una métrica de daño por fatiga relativa ($D_{rel}$) utilizando una formulación de ley de potencia ($D_{rel} = \sum n_i (\Delta \sigma_b)^m$) con exponentes $m=1.5$ y $m=2$ para considerar las propiedades materiales desconocidas del modelo de caucho EPDM, el cual fue seleccionado para mejorar la relación señal-ruido manteniendo la similitud dinámica.

Resultos Clave
El estudio arrojó hallazgos críticos sobre la interacción entre las estelas de las turbinas y la fatiga de los conductores:

1. Ubicación Crítica de la Deformación: Las deformaciones medias más altas se observaron consistentemente en una región inmediatamente adyacente a la abrazadera del conductor ($L_c$), donde el cable se comporta como una viga libre vibrante. Esta región se identifica como la más susceptible a la falla por fatiga.
2. Comportamiento de la Deformación Media: La presencia de una turbina eólica aguas arriba no aumentó sustancialmente la deformación media en la ubicación crítica de la abrazadera en comparación con la línea base sin turbina. De hecho, para conductores totalmente inmersos en la estela (cerca de la altura del buje), la deformación media disminuyó. Para alturas de conductor más bajas, la presencia de la turbina a veces indujo un efecto de "compresión" entre la estela y el suelo, aumentando ligeramente la deformación en separaciones cercanas ($1.5D$ y $2D$), pero estos aumentos fueron marginales.
3. Deformación Fluctuante y Vibración Eólica: Las deformaciones fluctuantes estuvieron dominadas por la vibración eólica (vibración inducida por vórtices) más que por el bombardeo turbulento. La estela de la turbina generalmente aumentó la amplitud de estas vibraciones y redujo su frecuencia característica debido al déficit de velocidad de la estela.
   • Cuando el conductor estaba totalmente inmerso en la estela (altura del buje), la deformación fluctuante aumentó a medida que la turbina se alejaba aguas arriba (recuperación de la estela), aunque se mantuvo por debajo de los niveles de la línea base.
   • Para alturas de conductor más bajas, las separaciones más cercanas ($1.5D$ y $2D$) resultaron en ligeros aumentos en la deformación fluctuante, mientras que las separaciones de $3D$ y $4D$ a menudo redujeron las fluctuaciones de deformación por debajo de la línea base.
4. Acumulación de Daño por Fatiga: El daño por fatiga acumulado dependió altamente de la altura del conductor y la separación:
   • Totalmente Inmerso (Altura del Buje): Las tasas de daño por fatiga aumentaron cuando el conductor estaba totalmente inmerso en la estela, ocurriendo el daño máximo en una separación de $2D$.
   • Alturas Más Bajas: Contrario al supuesto de que la proximidad siempre aumenta el riesgo, las alturas de conductor más bajas experimentaron una reducción en la acumulación de daño por fatiga cuando se colocaron más cerca de la turbina (específicamente en $1.5D$ y $2D$) en comparación con la línea base.
   • El Umbral de 3D: Los datos no mostraron una discontinuidad específica o un comportamiento "especial" en la respuesta mecánica o en la acumulación de daño en la distancia de separación de $3D$ actualmente recomendada en el Reino Unido.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que estos resultados proporcionan la primera base física derivada de experimentos controlados de alta fidelidad para desafiar la universalidad de la actual guía de separación de 3D. El estudio sugiere que, bajo condiciones atmosféricas forestales, el supuesto de que una estela de turbina invariablemente acelera el daño por fatiga es incorrecto. Específicamente:

• Viabilidad de Separaciones más Cercanas: El artículo concluye que las separaciones conductor-turbina menores que la guía actual de 3D pueden ser factibles, siempre que el conductor no esté totalmente inmerso en la estela de la turbina. En tales casos, el déficit de velocidad de la estela puede de hecho reducir la acumulación de daño por fatiga en comparación con un flujo sin impedimentos.
• Riesgo Dependiente del Contexto: El riesgo de falla por fatiga no es una función simple de la distancia, sino que está fuertemente modulado por la altura del conductor en relación con la estructura de la estela. La ubicación "más peligrosa" identificada fue a $2D$ aguas abajo para conductores totalmente inmersos en la estela, probablemente debido a la ruptura de los movimientos coherentes de gran escala (por ejemplo, vórtices de punta) en la región de transición.
• Limitaciones: Los autores reconocen modestamente las limitaciones, incluyendo el uso de un modelo de caucho EPDM (que difiere de los conductores de aluminio reales en propiedades de material) y los límites de respuesta de frecuencia del sistema RBS, que no pudo resolver las oscilaciones de vórtices de mayor frecuencia pero capturó los modos de frecuencia natural dominantes.

En resumen, el trabajo argumenta que la aplicación generalizada de un margen de seguridad de 3D puede ser excesivamente conservadora para conductores situados por debajo de la altura del buje de la turbina, lo que potencialmente permite un uso del suelo más eficiente en el desarrollo de infraestructuras de energía renovable.