Producción de electricidad con energía eólica Por Conrado Moreno Figueredo* En el inicio del tercer milenio la energía eólica presenta sus credenciales como alternativa competitiva en la generación de energía eléctrica. |  | Molino de viento holandés.
La historia de la producción de energía eléctrica con aerogeneradores tiene fechas importantes en la evolución de esta tecnología, y siempre resulta útil destacar los aspectos y momentos más importantes que han propiciado su desarrollo actual. Breve historia de los aeromotores Ya en el siglo v a.C. aparecen las primeras máquinas eólicas en Asia, que eran de eje vertical. En algunas islas griegas aún se pueden contemplar y se les conoce como panémonas. Por la misma época se usaban molinos de eje horizontal en Egipto y aunque eran distintos desde el punto de vista tecnológico, tenían el mismo principio: transformar la energía eólica en energía para el bombeo de agua, moler los granos, etcétera. En Europa aparecen las primeras máquinas eólicas en el siglo VII d.C., cuya tecnología evolucionará hasta nuestros días. Estas máquinas europeas dan lugar a los clásicos molinos holandeses, muy sofisticados mecánicamente, y en los Estados Unidos a los molinos de viento para el bombeo de agua, que se desarrollaron rápidamente después de la invención de la rueda multipala por los propios norteamericanos en 1870. El molino de eje horizontal con rotor multipala, diseñado por Daniel Halladay en 1854, fue el primero de una nueva generación de máquinas eólicas. Este molino se usó para bombear agua en zonas aisladas y desempeñó un papel fundamental en la colonización del Oeste americano. Por su lento movimiento, estas máquinas estaban apartadas de la idea de generar electricidad, pues se necesitaban máquinas más rápidas. En los países europeos, que tradicionalmente habían considerado el viento como una importante fuente de energía, esos molinos americanos no ofrecían interés, lo que conllevó a que los lentos molinos se trataran de reconvertir de forma tal que produjeran electricidad. Los intentos de producir electricidad con energía eólica surgen en 1802. Fue Lord Kelvin quien tuvo la idea de acoplar un generador eléctrico a una máquina eólica. No obstante, tuvo que esperarse hasta 1850, cuando se inventó la dinamo, para que llegara el momento de lo que hoy conocemos como aerogenerador. En 1890, el Gobierno danés inició un programa de desarrollo eólico dirigido a la producción de electricidad, y se responsabilizó al profesor La Cour con la dirección de los trabajos. La máquina de Poul La Cour (el Edison danés), puesta en marcha en 1892, fue la primera concebida, diseñada y construida para generar electricidad. Los trabajos de La Cour constituyen los primeros pasos de los aerogeneradores modernos, pero la teoría aerodinámica estaba todavía insuficientemente desarrollada y sus máquinas eólicas, a pesar de ser las más avanzadas de la época, seguían siendo rotores clásicos de bajo rendimiento. Desarrollo de la aerodinámica Desde finales del siglo XIX y principios del siglo xx los estudios sobre aerodinámica se desarrollaron de manera visible. Joukowski, Drzewieky y Sabinin en Rusia, Prandt y Betz en Alemania, y Constantin y Eiffel en Francia, determinaron los criterios de diseño que debían aplicarse en los perfiles aerodinámicos para la fabricación de las alas y hélices de los aviones. Sólo después de las primeras décadas del siglo XX se tuvieron conocimientos suficientes para aplicarlos a los rotores eólicos. Los criterios de diseño de estos investigadores se ajustaron a las nuevas generaciones de turbinas eólicas. Prandt y Betz demostraron analíticamente que el rendimiento máximo de los rotores eólicos no podía sobrepasar 59,3% (límite de Betz). En los momentos actuales, los rotores más modernos no rebasan 45%, lo cual certifica la validez de aquellos estudios. Se demuestra, además, que los nuevos rotores, con diseño aerodinámico, debían girar a altas velocidades para alcanzar altos rendimientos. Molino de viento multipala. Aerogenerador Gedser. El primer aerogenerador que se construyó provisto de palas con sección aerodinámica fue concebido por el holandés A. J. Dekker. Este aerogenerador fue capaz de alcanzar velocidades de punta de pala cuatro o cinco veces superiores a la del viento incidente. En los molinos multipalas norteamericanos se habían conseguido velocidades máximas de punta de pala de dos vecesla velocidad del viento. En los molinos tradicionales era menor que la velocidad del viento incidente. Desarrollo en el siglo XX Durante la primera mitad del siglo xx se realizaron numerosos aportes al desarrollo de la tecnología eólica, impulsados esencialmente por los conocimientos desarrollados en el campo de la aerodinámica, pero su principal aplicación durante todos estos años, y hasta principios de los años setenta, se limitó a los sistemas multipalas de bombeo mecánico de agua. Esto se debió en gran parte a la dificultad propia del recurso eólico, como lo es la variabilidad del viento, lo poco predecible y su baja densidad energética. En lo que respecta a la tecnología, las limitaciones estaban en la dificultad para la optimización de las máquinas eólicas. Por otro lado, el bajo costo relativo de las centrales termoeléctricas e hidroeléctricas hacía no competitiva la utilización de las plantas eólicas. Los combustibles fósiles, y en particular el petróleo, se habían ido imponiendo cada vez más como la principal e insustituible fuente de energía. Solamente en determinados períodos de crisis energética el desarrollo de los recursos renovables, y en particular la energía eólica, alcanzó cierto impulso. Después de la Primera Guerra Mundial apareció el primer tiempo de bonanza para la energía eólica. Los trabajos se dirigieron a los pequeños aerogeneradores para áreas rurales y, por otro lado, al diseño y construcción de grandes sistemas eólicos para producir electricidad a gran escala. En el período entre guerras fueron numerosos los trabajos realizados en Europa y los Estados Unidos. Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, y como resultado de la escasez de combustibles fósiles, los gobiernos europeos se interesaron de nuevo en el aprovechamiento de las energías renovables. En este período se desarrollaron metodologías de mediciones en varios países, así como para seleccionar los sitios idóneos para los emplazamientos. Este período se prolongó hasta mediados de los años sesenta, cuando la economía mundial se restableció. Ya la electrificación era lo suficientemente extendida para cubrir la mayor parte de las zonas rurales, y las plantas eólicas no resultaban competitivas con las plantas convencionales. En 1973, y como resultado de la crisis petrolera ocurrida a raíz del conflicto árabe-israelí, se inicia otra etapa en el campo del aprovechamiento eólico como fuente de energía, compartiendo el protagonismo con la energía solar fotovoltaica, como recursos renovables y no contaminantes. Ya en los años ochenta la energía eólica recibe un impulso decisivo cuando los aspectos medioambientales se convirtieron en problemas de primer orden. Como consecuencia de la ya mencionada crisis energética de 1973 aparecieron los primeros programas de investigación referentes a la energía eólica, tanto nacionales como supranacionales, que trajeron como resultado los prototipos de aerogeneradores antes mencionados. Ya a finales de la década de los años setenta aparecieron los primeros aerogeneradores comerciales, los que se denominan de nueva generación. Sin embargo, de esas primeras máquinas, a los aerogeneradores que se están instalando actualmente, se ha alcanzando un notable desarrollo, que permite afirmar que la tecnología de los aerogeneradores, medianos y grandes que se conectan a la red es una tecnología madura. Analizando las máquinas instaladas recientemente se concluye que la tecnología más usada en las plantas eólicas actuales son aerogeneradores de 40-60 m de diámetro de rotor, que equivale a una potencia unitaria de 500 a 1 500 kW y más. Aerogenerador tipo. El aerogenerador tipo más instalado es el tripala con viento de frente (barlovento), con torre tubular, regulación por pérdida y/o cambio de paso y sistema de orientación activa. Se denomina sistema de orientación al que ubica al rotor de frente al viento; cuando se usa la veleta como sistema de orientación, se le denomina sistema pasivo.. La optimización de los componentes y el paso a su producción en serie ha permitido disminuir los costos de los aerogeneradores, que por término medio se sitúan actualmente entre 800 y 1 000 USD/kW. Los costos de explotación y mantenimiento también han disminuido, por lo que el costo medio del kilowatt/hora producido está en el rango de 4-8 centavos, para zonas de aceptable potencial eólico. En la tabla 1 se presenta una comparación entre la tecnología utilizada en los sistemas conectados a la red en las últimas dos décadas. Para la comparación se utilizaron aerogeneradores tipo de las dos épocas comparadas, entre los años ochenta al 2002. Del estudio de esta tabla se llega a las conclusiones siguientes: • Incremento del tamaño unitario de los aerogeneradores, pasando de aerogeneradores de 55 kW de potencia nominal y 15 m de diámetro, a los actuales aerogeneradores de 850-1 500 kW y más, y 40-60 m de diámetro. • La producción se ha duplicado: de una producción específica de 600 kWh/año/m2 de área de rotor se pasa a valores por encima de 1 200 kWh/año/m2. • Importante disminución en el peso específico de los aerogeneradores, pasando de 68 kg/m2 a los valores actuales de 38 kg/m2. • El peso de las palas ha disminuido casi 50%: de 1,6 a 0,85 kg/m2. Estas mejoras han sido posibles debido a los nuevos diseños optimizados, junto con la utilización de materiales avanzados en su fabricación, esencialmente los denominados materiales compuestos. A pesar de este rápido desarrollo de los medianos y grandes aerogeneradores conectados a la red que está teniendo lugar, los sistemas eólicos usados para suministrar energía a lugares aislados de la red han experimentado un desarrollo mucho más lento. Esos sistemas presentan una problemática claramente diferenciada con respecto a los sistemas conectados a la red. Publicado en Energía y tú, No. 32, oct.-dic., 2005. * Doctor en Ciencias Técnicas. Especialista en energía eólica del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER). Miembro de la Junta Directiva de CUBASOLAR. tel.: (537) 2663637. e-mail: conrado@cujae.ceter.edu.cu
Molino de viento El molino de viento multipala tradicional es el más común de los molinos de viento y su desarrollo tuvo lugar entre 1850 y 1930. Esta máquina aprovecha la potencia del viento con un rotor compuesto por un rango de doce a veinticuatro palas o más, que mueve una bomba de pistón mediante una barra vertical. El acoplamiento entre el rotor y la barra se realiza por un mecanismo de biela y manivela con reducción por medio de engranes. |  |
La utilización de la caja reductora hace más versátil la máquina y la adecua para trabajar con agua a grandes profundidades. Por otro lado, la baja velocidad de trabajo hace la máquina más fiable debido al menor desgaste por fricción de los elementos de la bomba y disminuyen las roturas por fatigas. El diámetro del rotor de estos molinos oscila entre 2 y 5 m, pudiendo llegar excepcionalmente hasta 10 m. Estas máquinas pueden ser instaladas en sitios con bajas velocidades del viento, entre 2 y 5 m/s.