Energía eólica

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CONRADOMORENO

FIGUEREDO

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CONRADOMORENO

FIGUEREDO

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Alejandro Montecinos Larrosa

Lourdes Tagle Rodríguezy Jorge Santamarina Guerra

Pablo Picasso

Alexis Rodríguez Diezcabezas de Armada

© Conrado Moreno Figueredo, 2006© Sobre la presente edición: Editorial CUBASOLAR, 2006

ISBN 959-7113-32-5

Calle 20 No. 4113, esq. a 47, Miramar, Playa,Ciudad de La Habana, Cuba.Tel.: (537) 2059949.e-mail: [email protected]://www.cubasolar.cu

EDICIÓN

Y DISEÑO:

CORRECCIÓN:

ILUSTRACIÓN

DE CUBIERTA:

DISEÑO

DE PERFIL:

EDITORIALCUBASOLAR

En CubaUn poco de historiaMolino de viento multipala tradicionalAerobombas de segunda generaciónAerobombas de manufactura informalAerobombas no convencionalesSistema avanzado de bombeo eólico-eléctricoDeterminación del número de molinos de viento

Breve hisotria de los aerogeneradoresDesarrollo de la aerodinámicaDesarrollo en el siglo XX

Realizaciones más importantes en oden cronológico

Desarrollo de los pequeños aerogeneradoresDesarrollo tecnológicoCostos

799

101215161718

19

2121232328

30

31

3335

Índice

CON TODOS LOS VIENTOS

MOLINOS DE VIENTO

PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD CON ENERGÍA EÓLICA

PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD

CON PEQUEÑOS AEROGENERADORES

Sistemas híbridosDiferencias entre aerogeneradoresTecnología de los pequeños aerogeneradoresExperiencia cubana

393940

42

Con todoslos vientos

Puede buscar el hispanoamericano en cual-quier rincón de la memoria y siempre descubrirá el rego-cijo de haber oído hablar de la batalla de un caballerocontra unos gigantes como de la más memorable histo-ria sobre los molinos de viento.

Con la adarga firme y la lanza en ristre nos llegó elingenioso hidalgo Don Quijote de la Mancha, quizá –se-gún razonamiento de Sancho Panza– con algún que otromolino de viento en la cabeza.

¿Son éstos los molinos de viento más famosos? Esono importa tanto: vale más ir, con todos los vientos, agozar la obra grande de Don Miguel de Cervantes y Saave-dra, de quien José Martí dijo ser el «temprano amigo delhombre que vivió en tiempos aciagos para la libertad y eldecoro, y con la dulce tristeza del genio prefirió la vidaentre los humildes al adelanto cortesano, y es a la vezdeleite de las letras y uno de los caracteres más bellosde la historia».

Desde mucho antes de los tiempos del Quijote y San-cho –y mucho después de quienes cuenten nuestra his-toria–, el viento acompaña al hombre en su peregrinarhacia la felicidad, ya sea para mover los velámenes de

sus barcos, triturar los granos del sustento familiar, ge-nerar electricidad, o empinar un papalote junto a losaños de la infancia.

Impulsadas por el viento llegaron a las costas cubanaslas tres carabelas colombinas. Más tarde, en las sabanasy serranías emergieron los molinos de viento para el bom-beo de agua. Y en las postrimerías del siglo XX, Cubainaugura su primer Parque Eólico Demostrativo en Turi-guanó, en Ciego de Ávila, el 16 de abril de 1999. El país,en su nueva estrategia energética, prevé la utilizacióncreciente de la energía eólica, para incorporarla como unode los soportes tecnológicos de la cultura solar que nosliberará del actual holocausto silencioso que provoca lacombustión de los combustibles fósiles.

A Conrado Moreno le agradecemos su sabiduría ypasión por la energía eólica –denominada así en honordel dios griego Eolo–, y por los textos que ya nos adelan-tó en algunos números de la revista Energía y tú.

ALEJANDRO MONTECINOS LARROSA

Director de la Editorial CUBASOLAR

CONRADO MORENO FIGUEREDO8

Molinosde viento

La más tradicionalde las fuentes renovables de energíaen Cuba.

La ventura va guiando nuestras cosas me-jor de lo que acertáramos á desear; porque ves allí, ami-go Sancho Panza, donde se descubren treinta ó pocosmas desaforados gigantes con quien pienso hacer bata-lla y quitarles á todos las vidas (...). –Mire vuestra mer-ced, respondió Sancho, que aquellos que allí se parecenno son gigantes, sino molinos de viento, y lo que enellos parecen brazos son las aspas que, volteadas delviento, hacen andar la piedra del molino.

He aquí un fragmento de la memorable historia sobrelos «gigantes» que embistió el ingenioso hidalgo donQuijote de la Mancha, quizás los molinos de viento másfamosos del mundo.

EN CUBA

¿Cuándo se instaló el primer molino de vien-to para el bombeo de agua en Cuba? Esta es una pregun-ta digna de ser investigada por algún historiador curio-so. Todos los interesados expresan que es tradicional eluso de los molinos de viento en Cuba, pero nadie sabecon exactitud cuándo comenzaron a utilizarse. Lo que síse conoce es que hay molinos instalados desde hace


más de cien años de trabajo, según la tradición oral y laaseveración de sus propietarios.

El molino de viento que hoy conocemos se desarrollóen los últimos cincuenta años del siglo XIX en Norteamé-rica. Con el conocimiento de la historia de Cuba decimo-nónica y sabiendo la ya fuerte influencia de la economíanorteamericana desde finales de ese siglo y principiosdel siglo xx, no es difícil asegurar que en el entorno deesa época debió instalarse el primer molino de viento.

¿Qué pasó ya en pleno siglo XX? Se difundió esta má-quina principalmente en las zonas ganaderas, desdeCamagüey hacia el oriente. Las llanuras camagüeyanas,sus posibilidades de buena exposición al viento y susuave brisa hicieron que fueran un éxito en esta región.De aquí que también en Camagüey se fabricaran losprimeros molinos de viento cubanos, tradición que semantuvo hasta finales de los años ochenta.

A principios de los años noventa estos molinos se fa-bricaban, en menor escala, en Bayamo, Ciego de Ávila y enotros talleres y fábricas de la Isla. Hoy continúan fabricán-dose en las provincias de Granma y Pinar del Río.

¿Cuántos molinos de viento hay instalados en la ac-tualidad en Cuba? Se estiman en más de seis mil, segúninvestigaciones de la Dirección de Ganadería del Minis-terio de la Agricultura. Si a esos les sumamos otros cien-tos de los campesinos particulares, llegamos a siete mil;aunque no todos funcionan, fundamentalmente por fal-ta de mantenimiento, reparación y piezas de repuesto.

UN POCO DE HISTORIA

Las turbinas eólicas se han utilizado desdehace muchos siglos para el bombeo de agua, la tritura-

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ción de granos, cortar madera, etc. La primera referenciade un molino de viento aparece en los escritos del histo-riador árabe Tabari, en el año 850 d.n.e., sobre la exis-tencia de estas máquinas en la provincia de Seistán, enPersia, en el 644 d.n.e.

Durante las cruzadas (1096-1191), la existencia de losmolinos de viento se conoció en Europa, más tarde co-menzó la expansión y los primeros se reportan en Ho-landa (1240), Alemania (1222), Grecia (1239), Dinamarca(1259), Finlandia (1463) y Rusia (1622). En América apare-cen en Brasil (1576), Estados Unidos (1621) y Barbados(1651). En África, al final del siglo XVII, en Sudáfrica.

El desarrollo de los molinos de viento cambió de Euro-pa a Estados Unidos durante el siglo XIX, motivado por elmovimiento de los colonos hacia las grandes llanurasdurante los años cincuenta, cuando el mayor problemaera el aprovisionamiento de agua para las dotaciones deganado. Con el desarrollo del ferrocarril, la necesidad deagua para alimentar las locomotoras impulsó aún más elprogreso de esta tecnología.

A finales de la década de los ochenta tuvo lugar lamayor producción de molinos de viento en Estados Uni-dos. El primer éxito comercial lo alcanzó el American FarmWindpump, inventado en 1854 por un mecánico de NewEngland llamado Daniel Halladay, que tenía un rotor enforma de flor muy parecido al que conocemos hoy.

Los primeros molinos de viento fueron hechos demadera y el uso del hierro y el acero comenzó en el 1870,pero se necesitaron dos décadas para que fuera produ-cido un gran número de molinos de acero.

A principios del siglo xx la mayor parte de los molinosse fabricaba de acero, posteriormente le introdujeron los

MOLINOS DE VIENTO


cojinetes en el eje principal, la autolubricación y el meca-nismo reciprocante, que fue encerrado en un recipientede hierro fundido que contenía aceite.

El pico de producción de molinos de viento en EstadosUnidos tuvo lugar desde finales del siglo XIX hasta la Pri-mera Guerra Mundial. Al finalizar el siglo XIX sólo la compa-ñía Aermotor produjo más de ochocientos mil molinos deviento.

La tecnología del molino americano se difundió en elmundo durante la última década del siglo XIX y se produ-cían, bajo licencia o con diseños similares, en Australia,Argentina, África del Sur, Inglaterra, Francia, Italia, Ale-mania y Suecia. Esta situación favorable se mantuvo hastala década de los años veinte. En la década posterior, lagran depresión económica, los motores de combustióninterna y la electrificación después de 1945 afectaronfuertemente a la industria de los molinos de viento. Du-rante los años cincuenta y sesenta sólo unos pocos fa-bricantes permanecían activos.

Sin embargo, la crisis del petróleo en 1973 provocó uninterés renovado en las fuentes renovables de energía,en particular en la energía eólica, y las inversiones en lafabricación de molinos se tornaron nuevamente atracti-vas. A partir de este momento en que tuvo lugar el rena-cimiento de las aerobombas, apareció un gran númerode interesantes innovaciones. Sin embargo, los siste-mas de bombeo eólico pueden ser divididos en cincocategorías en dependencia de su diseño y construcción.

MOLINO DE VIENTO MULTIPALA TRADICIONAL

Este es el más común de los molinos deviento, su desarrollo tuvo lugar entre 1850 y 1930 y es

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conocido comúnmente como el molino de viento ameri-cano (American Farm Windpump).

Este tipo de máquina aprovecha la potencia del vientocon un rotor compuesto por un rango de doce a veinti-cuatro palas o más, que mueve una bomba de pistónmediante una barra vertical. El acoplamiento entre el ro-tor y la barra se realiza por un mecanismo de biela ymanivela con reducción por medio de engranes. La utili-zación de la caja reductora hace más versátil la máquinay la adecua para trabajar con agua a grandes profundi-dades. Por otro lado, la baja velocidad de trabajo hace lamáquina más fiable debido al menor desgaste por fric-ción de los elementos de la bomba y disminuyen lasroturas por fatigas. Los engranajes giran en un baño deaceite lubricante que debe ser comprobado periódica-mente. En conclusión, estas máquinas requieren unmantenimiento mínimo.

El diámetro del rotor de estos molinos oscila entre 2 y5 m, pudiendo llegar excepcionalmente hasta 10 m. Es-tas máquinas pueden ser instaladas en sitios con bajasvelocidades del viento, entre 2 y 5 m/s.

A pesar de las bondades de estos molinos, poseenuna serie de problemas, como son:

La construcción es muy pesada debido a las necesi-dades del alto par de arranque (torque) requerido porla bomba, y en otros casos por el uso de una tecnolo-gía de fabricación obsoleta, lo que influye en los altoscostes, tanto de la propia máquina como en el trans-porte e instalación.

El molino de viento debe ser ubicado sobre el pozo ocercano a él; es decir, no tiene flexibilidad para insta-lar separadamente el rotor y la bomba. Esto ocasiona

MOLINOS DE VIENTO


serios problemas en el caso de terrenos que no sonllanos.

Tiene poca resistencia al polvo y la arena que pe-netran en el mecanismo de transmisión. Y el aguasalobre puede reducir considerablemente la vida útilde los sellos de la bomba (de 6 a 12 meses).

La tecnología no es fácil de reproducir en países conbajo desarrollo industrial.

La eficiencia general es muy baja, principalmentedebido al pobre diseño del rotor, al incorrecto acopla-miento entre el par entregado por el rotor y necesita-do por la bomba, y el comportamiento del par de labomba de simple efecto, caracterizado por una altarazón entre el par máximo y el par promedio (pulsa-ción del par). La eficiencia global promedio, definidacomo la razón entre la energía hidráulica neta produ-cida y la energía disponible en el viento, se encuentranormalmente entre 2 y 5 %.Los principales esfuerzos para aumentar la eficiencia

están dirigidos a reducir los efectos de las pulsacionesdel par, por medio de bombas de doble efecto (bajascargas) y por el balanceo del peso de la barra mediantecontrapesos y muelles.

Un esfuerzo muy importante se realiza con la introduc-ción de un mecanismo reciprocante variable para incre-mentar el par entregado a la bomba a medida que aumen-ta la velocidad de rotación. Igualmente se trabaja en elmejoramiento de la aerodinámica de las palas. Un aumen-to de 30 a 100 % puede esperarse en el volumen de aguabombeada con la aplicación de estos mecanismos.

Otras mejoras pueden incrementar la fiabilidad deestas máquinas, como son el uso de cámaras de aire

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que reducen las ondas de choque en la carrera haciaarriba, y la utilización de sistemas de transmisión sella-dos y elementos de la bomba reemplazables que incre-mentan, en gran medida, la vida útil de la bomba.

En algunos casos la bomba que se acopla al molino estambién de activación manual, con el fin de garantizar elsuministro de agua en períodos de calma del viento.

Actualmente, los principales productores de estasmáquinas en el mundo son Australia, África del Sur,Estados Unidos y Argentina. Este tipo de molino se cono-ce también en la literatura técnica como aerobombas deprimera generación.

AEROBOMBAS DE SEGUNDA GENERACIÓN

En un intento por superar las limitacionesque aún persisten en el molino tradicional para su apli-cación extensiva en los países en desarrollo, ha surgidootro grupo de aerobombas con diferentes característi-cas, a las que se les ha denominado aerobombas desegunda generación.

La mayor parte de estas máquinas fue desarrolladadespués del año 1975 por varios fabricantes y organiza-ciones, como IT Power en Inglaterra, Gaviotas en Colom-bia, CWD en Holanda, Vita en Estados Unidos, CAAMS enChina, entre otros.

Los objetivos del diseño de estas nuevas aerobom-bas son, esencialmente, más bajo coste inicial, menorpeso de la estructura, mayor eficiencia, y manufactura,producción y mantenimiento locales.

Estas modernas aerobombas de bajo peso trabajantambién con bombas de pistón y se caracterizan por eluso de materiales estándar, disponibles en el mercado

MOLINOS DE VIENTO


(rodamientos, tuberías, angulares, etc.), la ausencia deelementos de fundición y de cajas reductoras.

Otro parámetro fundamental para disminuir el peso yel coste es la reducción del par de arranque de la bomba,lo que permite la utilización de pocos álabes (de 3 a 8álabes para bajas cargas), por medio de un pequeñoorificio en el pistón; de esta forma el par de arranque escasi nulo y la velocidad del rotor aumenta. El efecto defuga de líquido por el orificio es despreciable.

La eliminación de la caja reductora hace que la bombatrabaje con mayor velocidad, lo que aumenta las cargassobre la bomba y disminuye la vida útil si la máquina noha sido diseñada adecuadamente. La vida útil estimadade estas máquinas es de sólo diez años, lo que contras-ta apreciablemente con el molino tradicional, que en mu-chos casos alcanza más de cincuenta años.

Una de las desventajas fundamentales de este tipode máquinas es que sólo son capaces de trabajar a ba-jas cargas, como consecuencia de las transformacionesdel rotor y la transmisión.

AEROBOMBAS DE MANUFACTURA INFORMAL

Este tipo de aerobomba se caracteriza porsu simplicidad, y por su fabricación y explotación conmateriales disponibles localmente.

Los diseños pueden ser originales o modelos simpli-ficados según los existentes, para adaptarlos a las dis-ponibilidades locales.

Los materiales de construcción son de gran variedad.Pueden emplearse, por ejemplo, madera u otros mate-riales que se trabajan de forma artesanal con un mínimode facilidades. La mayor parte de estas aerobombas no

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usan caja reductora de velocidad, sino simplemente uncigüeñal rudimentario o un sistema de leva.

No obstante, la fiabilidad y el comportamiento resul-tan pobres en la mayor parte de los casos. Las ventajasson los bajos costes y el fácil mantenimiento por el pro-pio usuario.

La aplicación de estas máquinas está restringida parabajas cargas. Un ejemplo de estas aerobombas es lafabricada en Nicaragua basada en una de segunda ge-neración, CWD, y acoplada a una bomba de soga quepuede bombear agua desde 40 m de profundidad.

AEROBOMBAS NO CONVENCIONALES

Bajo esta denominación se agrupan lasaerobombas cuyo diseño y formas exteriores difieren delos tipos antes mencionados. Sus inventores, buscandomáquinas más eficientes y simples a la vez, utilizan tec-nologías de última generación, resultantes de investiga-ciones científicas en el campo de la aerodinámica, losnuevos materiales, la hidráulica, la mecánica, etc., queaportan como resultado máquinas atípicas.

En este grupo se encuentran también las aerobom-bas que retoman patentes que fueron desechadas ensu momento y que pueden, con los adelantos de la cien-cia, reutilizarse y mejorarse.

Ejemplo de las primeras son las aerobombas tipoDelta, varias de ellas instaladas y en operación en elCentro Integrado de Tecnología Apropiada (CITA), de Ca-magüey. Esta es una máquina con aletas en forma dedelta, muy diferentes a las aspas que mueven los moli-nos tradicionales, porque son más cortas, se distribuyeun número mayor y se ubican en el perímetro del rotor.

MOLINOS DE VIENTO


Los resultados alcanzados indican mayor entrega de aguaen las mismas condiciones que otras aerobombas simi-lares.

Al segundo grupo pertenecen los conocidos molinostipo Savonius, máquina patentada a principios del si-glo XIX y retomada en los comienzos de la crisis petrolerade los años setenta, que por su alto torque de arranquepermite extraer agua de mayores profundidades. Son,además, muy simples y fáciles de fabricar. Han sidoretomadas y desarrolladas en centros de investigaciónde varios países, distinguiéndose entre ellos Canadá.

SISTEMA AVANZADO DE BOMBEO EÓLICO-ELÉCTRICO

En los países desarrollados hay un grannúmero de productores de aerogeneradores que reco-miendan el uso de sus equipos acoplados a electrobom-bas para el trasiego de líquidos, los denominados siste-mas avanzados de bombeo eólico-eléctrico.

Estos se componen de un aerogenerador que produ-ce potencia eléctrica y alimenta al motor eléctrico, el cualmueve una bomba con baterías o sin ellas, y otros equi-pos de conversión de potencia.

Las principales ventajas con respecto a los sistemasmencionados anteriormente son:

Mayor flexibilidad en cuanto a la ubicación; o sea,se puede ubicar el aerogenerador en el lugar de másfuerte viento, aún cuando éste no coincida con el lu-gar del pozo.

Mayor eficiencia de bombeo (de 10 a 12 %). Incremento del volumen de agua bombeada y ma-

yores cargas (de 10 a 40 m), debido a la posibilidadde usar rotores de mayor diámetro.

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Mayor versatilidad en su uso (bombeo, iluminación). Menor requerimiento de mantenimiento. Mayor fiabilidad.

Las desventajas principales son: Mayor coste de la inversión inicial. Para la instalación y el mantenimiento se necesita

personal especializado. Necesita mayores velocidades del viento para ope-

rar (v > 4 m/s).La clasificación expuesta intenta sistematizar la am-

plia gama de molinos de viento que se producen en laactualidad. Y se puede concluir que los sistemas avan-zados de bombeo eólico-eléctrico son más adecuadospara regímenes de viento entre medios y altos, y uso degran potencia; mientras que los sistemas mecánicos re-sultan más convenientes para regímenes de viento en-tre bajos y medio, y aplicaciones de baja potencia.

DETERMINACIÓN DEL NÚMERO DE MOLINOS DE VIENTO

Si conocemos las estadísticas del viento,las capacidades de bombeo de los molinos, las profun-didades del manto freático y los volúmenes de agua quese deben satisfacer, se puede determinar el tipo de mo-lino que debemos emplear para cada sitio o región concaracterísticas diferentes.

El mejor aprovechamiento de la potencia obtenida selogra al evitar pérdidas innecesarias de agua y con unainterrelación eficiente entre los diferentes componentesdel sistema: la fuente de agua, la velocidad y la estabili-dad de los vientos, el molino, el cilindro o bomba, lastuberías de succión y conducción, y el almacenamientodel agua.

MOLINOS DE VIENTO

Para determinar el número de molinos de viento quedeben instalarse para satisfacer una demanda, se divi-de la necesidad de bombeo horaria requerida por la ca-pacidad de bombeo horaria del molino específico. Estaecuación se comprende fácilmente mediante el siguien-te ejemplo:

Partimos de la existencia de una vaquería de cienvacas lecheras. Como cada animal debe consumir comopromedio 140 L de agua diarios, entonces se necesitan14 000 L de agua cada día. Si consideramos que pode-mos disponer de sólo 5 h de aire favorable diariamente,dividimos los 14 000 L por 5 y nos dará la necesidad debombeo horaria requerida, que es igual a 2 800 L/h.

Si optamos por instalar el molino MV-2/9, que conuna velocidad del viento de 8 m/s tiene una capacidadde bombeo horaria de 600 L/h, entonces la división de2 800 po 600 nos da un resultado de 4,7. Esto significaque deben instalarse 5 molinos de este tipo para satis-facer la demanda de agua.

(Publicado en Energía y tú,No. 18, abril-junio de 2002)


La historia de la producción de energía eléc-trica con aerogeneradores tiene fechas importantes enla evolución de la tecnología eólica y el uso de las turbi-nas eólicas, y siempre resulta útil destacar los aspectosy momentos más importantes que han propiciado el ni-vel de desarrollo actual de esta tecnología.

BREVE HISTORIA DE LOS AEROMOTORES

Ya en el siglo V a.C. aparecen las primerasmáquinas eólicas en Asia, que eran de eje vertical. Enalgunas islas griegas aún se pueden contemplar y se lesconoce como panémonas. Por la misma época se usabanmolinos de eje horizontal en Egipto y aunque eran dis-tintos desde el punto de vista tecnológico, tenían el mis-mo principio: transformar la energía eólica en energíapara el bombeo de agua, moler los granos, etcétera.

En Europa aparecen las primeras máquinas eólicasen el siglo VII d.C., cuya tecnología evolucionará hastanuestros días. Estas máquinas europeas dan lugar a losclásicos molinos holandeses, muy sofisticados mecáni-camente, y en los Estados Unidos a los molinos de vientopara el bombeo de agua, que se desarrollaron rápida-

Producciónde electricidadcon energía eólica

En el inicio del tercer mileniola energía eólica presenta sus credencialescomo alternativa competitivaen la generación de energía eléctrica.


mente después de la invención de la rueda multipalapor los propios norteamericanos en 1870. El molino deeje horizontal con rotor multipala, diseñado por DanielHalladay en 1854, fue el primero de una nueva genera-ción de máquinas eólicas. Este molino se usó para bom-bear agua en zonas aisladas y desempeñó un papel fun-damental en la colonización del Oeste americano. Por sulento movimiento, estas máquinas estaban apartadasde la idea de generar electricidad, pues para esto senecesitaban máquinas más rápidas. En los países euro-peos, que tradicionalmente habían considerado el vien-to como una importante fuente de energía, estos moli-nos americanos no ofrecían interés, lo que conllevó aque los lentos molinos se trataran de reconvertir de for-ma tal que produjeran electricidad.

Los intentos de producir electricidad con energía eóli-ca surgen en 1802. Fue Lord Kelvin quien tuvo la idea deacoplar un generador eléctrico a una máquina eólica. Noobstante, tuvo que esperarse hasta 1850, cuando se in-ventó la dinamo, para que llegara el momento de lo quehoy conocemos como aerogenerador.

En 1890, el Gobierno danés inició un programa de de-sarrollo eólico dirigido a la producción de electricidad, y seresponsabilizó al profesor La Cour con la dirección de lostrabajos. La máquina de Poul La Cour (el Edison danés),puesta en marcha en 1892, fue la primera concebida, di-señada y construida para generar electricidad. Los traba-jos de La Cour constituyen los primeros pasos de los aero-generadores modernos, pero la teoría aerodinámica estabatodavía insuficientemente desarrollada y sus máquinaseólicas, a pesar de ser las más avanzadas de la época,seguían siendo rotores clásicos de bajo rendimiento.

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DESARROLLO DE LA AERODINÁMICA

Desde finales del siglo XIX y principios delsiglo xx, los estudios sobre aerodinámica se desarrollaronde manera visible. Joukowski, Drzewieky y Sabinin en Ru-sia, Prandt y Betz en Alemania, y Constantin y Eiffel enFrancia, determinaron los criterios de diseño que debíanaplicarse en los perfiles aerodinámicos para la fabricaciónde alas y las hélices de los aviones. Sólo después de lasprimeras décadas del siglo XX se tuvieron conocimientossuficientes para aplicarlos a los rotores eólicos. Los crite-rios de diseño de estos investigadores se ajustaron a lasnuevas generaciones de turbinas eólicas. Prandt y Betzdemostraron analíticamente que el rendimiento máxi-mo de los rotores eólicos no podía sobrepasar 59,3 %(límite de Betz). En los momentos actuales, los rotoresmás modernos no rebasan 45 %, lo cual certifica la validezde aquellos estudios. Se demuestra, además, que losnuevos rotores, con diseño aerodinámico, debían girar aaltas velocidades para alcanzar altos rendimientos.

El primer aerogenerador que se construyó provisto depalas con sección aerodinámica fue concebido por elholandés A. J. Dekker. Este aerogenerador fue capaz dealcanzar velocidades de punta de pala cuatro o cincoveces superiores a la del viento incidente. En los molinosmultipalas norteamericanos se habían conseguido velo-cidades máximas de punta de pala de dos veces la velo-cidad del viento. En los molinos clásicos era menor quela velocidad del viento incidente.

DESARROLLO EN EL SIGLO XX

Durante la primera mitad del siglo xx se rea-lizaron numerosos aportes al desarrollo de la tecnología



eólica, impulsados esencialmente por los conocimien-tos adquiridos en el campo de la aerodinámica, pero suprincipal aplicación durante estos años, y hasta princi-pios de los años setenta, se limitó a los sistemas mul-tipalas de bombeo mecánico de agua, debido en granparte a la dificultad propia del recurso eólico, como lo es lavariabilidad del viento, lo poco predecible y su baja densi-dad energética. En cuanto a la tecnología, las limitacionesestaban en la dificultad para la optimización de las má-quinas eólicas. Por otro lado, el bajo costo relativo de lascentrales termoeléctricas e hidroeléctricas hacía no com-petitiva la utilización de las plantas eólicas. Los combusti-bles fósiles, y en particular el petróleo, se imponían cadavez más como la principal e insustituible fuente de ener-gía. Solamente en determinados períodos de crisis ener-gética, el desarrollo de los recursos renovables, y en parti-cular la energía eólica, alcanzó cierto impulso.

Después de la Primera Guerra Mundial apareció el pri-mer tiempo de bonanza para la energía eólica. Los traba-jos se dirigieron a los pequeños aerogeneradores paraáreas rurales y, por otro lado, al diseño y construcción degrandes sistemas eólicos para producir electricidad a granescala. En este período entre guerras fueron numerososlos trabajos realizados en Europa y los Estados Unidos.

Al finalizar la Segunda Guerra Mundial, y como resul-tado de la escasez de combustibles fósiles, los gobier-nos europeos se interesaron de nuevo en el aprovecha-miento de las energías renovables. En este período sedesarrollaron metodologías de mediciones en varios paí-ses, así como para seleccionar los sitios idóneos para losemplazamientos. Este período se prolongó hasta media-dos de los años sesenta, cuando la economía mundial

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se restableció. Ya la electrificación era lo suficientementeextendida para cubrir la mayor parte de las zonas rura-les, y las plantas eólicas no resultaban competitivas conlas plantas convencionales.

En 1973, y como resultado de la crisis petrolera ocurri-da a raíz del conflicto árabe-israelí, se inicia otra etapa enel campo del aprovechamiento eólico como fuente deenergía, compartiendo el protagonismo con la energíasolar fotovoltaica, como recursos renovables y no conta-minantes. Ya en los años ochenta la energía eólica recibeun impulso decisivo cuando los aspectos medioambien-tales se convirtieron en problemas de primer orden.

Como consecuencia de la ya mencionada crisis ener-gética de 1973, aparecieron los primeros programas deinvestigación en torno a la energía eólica, tanto naciona-les como supranacionales, que trajeron como resultadolos prototipos de aerogeneradores antes mencionados.

Ya a finales de la década de los años setenta apare-cieron los primeros aerogeneradores comerciales, los quese denominaron de nueva generación. De estas prime-ras máquinas, a los aerogeneradores que se están ins-talando actualmente, se ha alcanzando un notable de-sarrollo, lo que permite afirmar que la tecnología de losaerogeneradores, medianos y grandes, que se conectana la red, es una tecnología madura.

Analizando las máquinas instaladas recientementese concluye que la tecnología más usada en las plantaseólicas actuales son aerogeneradores de 40-60 m dediámetro de rotor, que equivale a una potencia unitariade 500 a 1 500 kW y más.

El aerogenerador tipo más instalado es uno tripala conviento de frente (barlovento), con torre tubular, regulación



por pérdida y/o cambio de paso y sistema de orientaciónactiva. Se denomina sistema de orientación al que ubicael rotor de frente al viento. Cuando se usa la veleta comosistema de orientación, se le denomina sistema pasivo.

La optimización de los componentes y el paso a suproducción en serie ha permitido disminuir los costos delos aerogeneradores, que por término medio se sitúanactualmente entre 800 y 1 000 USD por kW. Los costos deexplotación y mantenimiento igualmente han disminui-do, por lo que el costo medio del kilowatt-hora producidose sitúa en el rango de 4-8 centavos, para zonas de acep-table potencial eólico.

Tabla 1. Evolución de los aerogeneradores (1982-2002)CARACTERÍSTICAS 1982 2002Diámetro del rotor (m) 15 52Área barrida (m2) 177 2 124Altura de la torre (m) 20 50Potencia nominal (kW) 55 850Producción anual (kWh) 110 000 2 550 000Peso total (T) 12 80Costo estimado ($) 66 600 850 000Producción/área barrida (kWh/m2) 621 1 200Peso palas/área barrida (kg/m2) 1,6 0,85Peso góndola/área barrida (kg/m2) 31 17Peso total/área barrida (kg/m2) 67 37,6Costo potencia instalada ($/kW) 1 212 1 000

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En la tabla 1 se presenta una comparación entre latecnología utilizada en los sistemas conectados a lasredes centralizadas de distribución en las últimas dosdécadas. Para la comparación se utilizaron aerogenera-dores tipo de las dos épocas comparadas, entre los añosochenta al 2002. Del estudio de esta tabla se llega a lasconclusiones siguientes:

Incremento del tamaño unitario de los aerogenera-dores, pasando de aerogeneradores de 55 kW de po-tencia nominal y 15 m de diámetro, a los actualesaerogeneradores de 850-1 500 kW y más, y 40-60 mde diámetro.

La producción se ha duplicado, de una producciónespecífica de 600 kWh/año/m2 de área de rotor sepasa a valores por encima de 1 200 kWh/año/m2.

Importante disminución en el peso específico de losaerogeneradores, pasando de 68 kg/m2 a los valoresactuales de 38 kg/m2.

El peso de las palas ha disminuido casi 50 %: de1,6 a 0,85 kg/m2.Estas mejoras han sido posibles debido a los nuevos

diseños optimizados, junto con la utilización de materia-les avanzados en su fabricación, esencialmente los de-nominados materiales compuestos.

A pesar de este rápido desarrollo de los medianos ygrandes aerogeneradores conectados a la red que estáteniendo lugar, los sistemas eólicos usados para sumi-nistrar energía a lugares aislados de la red han experi-mentado un desarrollo mucho más lento. Esos sistemaspresentan una problemática claramente diferenciada conrespecto a los sistemas conectados a la red.



REALIZACIONES MÁS IMPORTANTES

EN ORDEN CRONOLÓGICO

1892. Dinamarca. Profesor La Cour. Rotor de cuatro pa-las, 22,8 m de diámetro, 200 kW, con viento de 15 m/s.Parado en 1966.

1931. Rusia (Crimea, Balaklava). Rotor de tres palas, de30 m de diámetro, 100 kW, con viento de 11 m/s. Para-do en 1943.

1940. Gran Bretaña (Les Orcades). E. Golding y A. Stod-dard. Rotor de tres palas, 12,5 m de diámetro, 100 kW.Funcionamiento defectuoso, desmontado.

1941. Estados Unidos (Grandpa’s Knob, Vermont). P. C.Putnam. Fue la primera máquina con potencia superiora 1 000 kW. Rotor bipala, 53 m de diámetro, 1 250 kWa 15,3 m/s.

1950. Gran Bretaña (St. Albans). Enfield y Andreu. Rotorbipala con palas huecas, 24 m de diámetro y turbinaalojada en el interior de la torre de soporte. Ayudadopor la aspiración de aire desde la base de la torre,creada por la expulsión de aire por las puntas de laspalas, 100 kW a 13,5 m/s. Rendimiento muy débil conrelación a las máquinas clásicas. Desmontado.

1958. Francia. Experiencias de la Compañía de Electrici-dad de Francia (E.D.F.):

1. Saint-Remy-des-Landes-Neyrpic. Rotor de tres palas, 21,2m de diámetro, 132 kW a 12,5 m/s. Desmontado en 1966.

2. Saint-Remy-des-Landes-Neyrpic. Rotor de tres palas,de 35 m de diámetro, 1 000 kW a 17 m/s. Desmontadoen 1966.

3. Nogent-le-Rois. Rotor de tres palas, 30 m de diámetro,800 kW a 17 m/s. Alto rendimiento para el momento:70 % del límite de Betz (59,3 %).

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1959. República Federal Alemana. Profesor U. Huter. Ro-tor bipala, 34 m de diámetro, 100 kW a 8 m/s.

1975. Estados Unidos. NASA-Erda. Rotor bipala, 37,5 mde diámetro, 100 kW a 8 m/s.

1977. Dinamarca. Aerogenerador Gedser. Rotor de trespalas, 24 m de diámetro, 200 kW. Funcionó duranteocho años.

1978. Estados Unidos. NASA-Erda. Cinco unidades ins-taladas en diversos lugares de Estados Unidos. Rotorbipala, 38 m de diámetro, 200 kW, con viento entre8,3 y 17,5 m/s. Parado en ese año por rotura en labase de la pala.

1978. Dinamarca. Escuela de Tvind, Ultbor. Rotor de trespalas, 54 m de diámetro, 2 MW con viento de 15 m/s,velocidad variable. Se emplea principalmente para ca-lefacción.

1979. Francia. Aerowatt, financiado por E.D.F. Rotor bipa-la, 18 m de diámetro, 100 kW a 15 m/s. Conectado a lared autónoma de la isla de Ouessant.

1979. Dinamarca. NIBE A y B. Rotor tripala, 40 m de diá-metro, 630 kW a 13 m/s.

1979. Estados Unidos. MOD-1 General Electric, 61 m dediámetro, 2 MW a 11,4 m/s. Instalado en Boone, Caro-lina del Norte.

(Publicado en Energía y tú,No. 32, octubre-diciembre de 2005)


El corazón de un pequeño sistema eólicoaislado para la producción de electricidad es la turbinaeólica, que se encuentra en la parte superior del siste-ma y se apropia de la energía del viento a través del ro-tor. Estos sistemas están provistos, además, de un sis-tema de control y un banco de baterías para acumularla energía.

Cuando se habla de energía eólica y nos referimos asu magnitud hay que mencionar el diámetro del rotor.Actualmente, el rango de las turbinas eólicas se extiendedesde las minúsculas, de 500 mm de diámetro (20 W),hasta las gigantescas máquinas cuyos diámetros alcan-zan casi 100 m, capaces de entregar 3 MW, es decir, tresmillones de watt.

Las pequeñas turbinas eólicas son usualmente divi-didas en micro, mini y de tamaño doméstico. Las micro-turbinas son las más pequeñas, y por lo general susrotores tienen menos de 1,25 m de diámetro. Las mini-turbinas son las intermedias y sus rotores llegan a 3 mde diámetro. Por su parte, turbinas de tamaño domésti-co (del término danés hustandmolle) son más grandes(llegan hasta 10 m de diámetro), cubren un amplio rango

Producción de electricidadcon pequeños aerogenadores

En la nueva estrategia energética cubanatambién se prevé la generaciónde electricidad con pequeñossistemas eólicos aislados.

y son capaces de suministrar energía a viviendas en lu-gares aislados.

Esta subdivisión no es única, ya que algunos auto-res toman otros rangos; es decir, no hay una definiciónprecisa de lo que se identifica como «pequeño». Algu-nos investigadores aplican el término a turbinas eóli-cas de hasta 30 kW de potencia. No obstante, las nor-mas de certificación de aerogeneradores del ComitéElectrónico Internacional (IEC) definen los aerogenera-dores pequeños como «aeroturbinas eólicas con unasuperficie de captación del rotor inferior a 40 m2». En elcaso de aerogeneradores de eje horizontal, esto corres-ponde a rotores con un radio inferior a 3,57 m, o sea,aproximadamente 7 m de diámetro. En conclusión, noexiste un consenso general para identificar el tamaño delas turbinas eólicas de pequeño tamaño.

DESARROLLO DE LOS PEQUEÑOS AEROGENERADORES

Cuando los generadores eléctricos apare-cieron en los finales del siglo XIX, el hombre razonable-mente trató de hacerlos girar con rotores eólicos. El ejem-plo más conocido de un pequeño aerogenerador fue elconstruido por Charles Brush, en Cleveland, Ohio, en1888, el cual no tuvo el impacto esperado en ese mo-mento, aunque después estas máquinas se difundie-ron por todos los Estados Unidos. De estos pequeñosaerogeneradores, el más reconocido como pionero fue elconstruido por Marcellus Jacobs, quien en los años vein-te se dedicó a estudiar cómo adaptar los antiguos mo-linos de bombeo como aerogeneradores. Estos equiposeran de tres palas (tripalas) con perfiles de sección aero-dinámica, por lo que puede decirse que poseían la ar-

PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD CON PEQUEÑOS... 31


quitectura de los modernos aerogeneradores actuales.Algo interesante también es que Jacobs le incorporó labatería de acumulación, para adaptarla a los usos enresidencias particulares. Los pequeños aerogenerado-res, como los de Jacobs, se hicieron muy populares enlos Estados Unidos hasta que la expansión de la redeléctrica durante los años treinta marcó el comienzo delfin de su uso generalizado. Este aerogenerador ha sidorecuperado por otras firmas y actualmente se encuen-tran otra vez disponible.

En el intervalo antes de la Segunda Guerra Mundialapareció otro aerogenerador de pequeña potencia, quetodavía se puede encontrar en el mercado, la turbinaWindcharger, de dos palas y un sistema de regulaciónmediante freno aerodinámico.

Posteriormente resurgieron las pequeñas turbinaseólicas, y China es uno de los países abanderados de esteresurgimiento. Los grupos nómadas de la parte norocci-dental de la nación asiática emplean más de cien mil pe-queños sistemas eólicos. Estas turbinas eólicas son lleva-das en lomos de caballos de un campamento a otro, yconstituyen la única fuente de energía disponible en lasgrandes llanuras de Asia, que se extienden desde Chinahasta Rusia. En total, en China se han instalado hasta el2002 más de doscientas treinta mil pequeñas turbinaseólicas, fabricadas fundamentalmente en el propio país.

Un estudio realizado en España, en el 2000, llegó a laconclusión de que actualmente existen unos treinta fa-bricantes de pequeños aerogeneradores, principalmen-te en la Unión Europea y los Estados Unidos.

El listado de ejemplos de aplicación de las pequeñasturbinas eólicas para la producción de electricidad es

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sorprendente. Las podemos encontrar en los explorado-res de la Antártica para alimentar de energía a los cam-pamentos aislados; en las grandes llanuras mongolas,donde los grupos nómadas las emplean para cocinarsus alimentos; en las zonas ecuatoriales para la conser-vación de alimentos; en las antenas repetidoras de co-municación, radio y televisión; para la carga de cercaseléctricas; en los yates de recreo; en fin, son ilimitadaslas aplicaciones de las pequeñas turbinas eólicas.

Una aplicación más reciente es la protección catódicade tubos, en el que los pequeños aerogeneradores su-ministran carga eléctrica a la superficie metálica del tubo.La carga evita la corrosión galvánica en sitios altamenteagresivos. No se necesitan baterías durante los períodosde calma, pues la corrosión es un proceso lento queocurre en períodos largos. Cuando vuelve el viento serecupera la protección.

DESARROLLO TECNOLÓGICO

Como se señaló en un artículo en esta re-vista (Energía y tú, No. 32), el desarrollo experimentadoen el aprovechamiento de la energía eólica en los últimosaños ha situado esta fuente renovable de energía enposición competitiva respecto a los sistemas convencio-nales de producción de energía. Esto ha sido posiblegracias a la aplicación de programas nacionales y supra-nacionales de investigación y desarrollo. Como resulta-do del impulso realizado en la investigación a raíz de lacrisis energética de 1973, a finales de la década de lossetenta y principios de los ochenta, aparecen los prime-ros aerogeneradores comerciales de lo que se denominanueva generación de sistemas de conversión eólica.

PRODUCCIÓN DE ELECTRICIDAD CON PEQUEÑOS...


Actualmente se puede afirmar que la tecnología deaerogeneradores de media potencia (menos de 1 000 kW)es una tecnología madura. Los de gran potencia o mega-turbinas (más de 1 000 kW) se encuentran en fase deconsolidación.

A pesar de este rápido desarrollo de los medianos ygrandes aerogeneradores conectados a la red que estáteniendo lugar, los sistemas eólicos para generación deelectricidad en áreas sin red eléctrica, o descentraliza-dos, no han experimentado un desarrollo con la mismaceleridad; es decir, la madurez tecnológica de los media-nos y grandes aerogeneradores está más avanzada quelos pequeños.

Existen varias razones:• Mercados menos atractivos.• Mayor complejidad técnica.• Son producidos por pequeñas empresas sin accesoa herramientas de diseño de última generación.• Insuficientes programas de investigación y desarrollo.En los últimos años se ha trabajado en busca de dis-

minuir los costos y aumentar la fiabilidad, lo que los haconvertido en máquinas insustituibles en aquellos si-tios donde la red no alcanza y los vientos son sencilla-mente evidentes.

En el pasado, el talón de Aquiles era la fiabilidad deestos pequeños aerogeneradores. Estas máquinas enlos años setenta se ganaron la mala fama de ser pocofiables, expuestos a fallas frecuentes. En el presente,han avanzado técnicamente de forma tal que si se com-paran con aquellos modelos, estos son mucho más fia-bles. La práctica ha demostrado que la mayoría de lasturbinas comerciales actuales pueden operar durante

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tres años o más, en sitios de ambiente agresivo, sinnecesidad de mantenimiento ni inspección. La fiabili-dad y los costos de operación y mantenimiento de estasmáquinas es igual al de las instalaciones fotovoltaicas.

COSTOS

Los costos de la instalación de un sistemaaislado de energía eólica incluyen los costos de la turbi-na eólica, la torre, el sistema de control, los cables ydemás componentes eléctricos, las baterías, el inversor(si se incluye) y la instalación. Los otros gastos son loscorrespondientes a la operación, mantenimiento y repa-ración del sistema eólico. Estos pueden ser expresadosen centavos por kilowatt-hora, o como un tanto por cien-to del costo inicial. La experiencia alcanzada en los me-dianos y grandes aerogeneradores indica que estos cos-tos de O y M llegan a 1-2 centavos por kilowatt-hora, y enlas pequeñas turbinas evidentemente son menores.Estos sistemas se producen de forma tal que práctica-mente están libres de mantenimiento en los primerosaños. Experiencias de fabricantes norteamericanos hanmostrado que después de tres años de servicio sin man-tenimiento, los costos son mínimos.

Hay varias formas de expresar el costo de inversiónde estos sistemas: el costo por área de barrido del rotor($/m2) y el costo por kilowatt de potencia nominal delaerogenerador ($/kW). El más empleado es el costo porkilowatt, aunque este es más adecuado para plantas depotencia eléctrica que trabajan entregando una potenciaconstante, como las termoeléctricas o los grupos electró-genos. En los sistemas que entregan valores de potenciairregularmente, como los sistemas eólicos y fotovoltai-



cos, este indicador puede traer confusión y no ser total-mente objetivo; no obstante, es el que se emplea parahacer comparaciones. Un indicador más realista y útilpara las máquinas eólicas es el costo por área de barridodel rotor ($/m2). La limitación de este indicador es queno tiene en cuenta la eficiencia del sistema que convier-te la energía del viento en electricidad.

Un resultado del análisis de los costos por área debarrido del rotor, en función de la potencia nominal, de-mostró una gran dispersión de estos en los valores obte-nidos. Lo mismo ocurrió en el caso del costo por kilowatt,lo que demuestra inmadurez tecnológica en su desarro-llo. No obstante, la tabla 1 muestra valores promedio deestos indicadores.

Tabla 1. Costos específicosTAMAÑO COSTO ($/KW) COSTO ($/M2)DE LA TURBINA (M) DE LA TURBINA SOLA

1 (0,2 kW) 13 000 1 0001,5 (0,4 kW) 5 500 7003 (1 kW) 2 500 4304 (2 kW) 2 100 4005 (3,5 kW) 2 000 3906 (4,5 kW) 1 700 3707 (6,5 kW) 1 500 350

Las cifras entre paréntesis en la primera columna ex-presan aproximadamente la potencia nominal correspon-diente, aunque en esto también hay dispersión de losvalores, fundamentalmente a partir de turbinas de diá-metros mayores de 3 m. En el mercado hay turbinas de5 m de diámetro, de 1, 3, 4 y hasta 5 kW.

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La tabla 1 confirma la tendencia general de que lasturbinas eólicas se tornan más efectivas económicamentemientras mayor sea su tamaño. Esto las hace competiti-vas con los sistemas fotovoltaicos, pues en estos el cos-to por kilowatt prácticamente no varía, independiente-mente del tamaño. Las turbinas eólicas son más baratasmientras mayor es el tamaño, y el costo de los sistemasauxiliares de regulación y control son similares en am-bos casos. Inclusive el costo de la torre no se diferenciamucho de los sistemas de sustentación de los sistemasfotovoltaicos.

Los sistemas fotovoltaicos resultan muy atractivospara la solución de necesidades de electricidad en sitiosaislados de la red, y es una tecnología probada en mu-chas regiones del mundo, incluyendo a Cuba. Al igualque los sistemas eólicos, no necesitan del suministro decombustibles fósiles y pueden trabajar por largo tiemposin necesidad de mantenimiento. Es reconocida su fia-bilidad porque no poseen partes móviles, son silencio-sos y no provocan ninguna emisión dañina al medioambiente. La combinación de estas ventajas ha hechoque la energía solar fotovoltaica sea una buena soluciónpara los problemas que se plantean en sitios remotosque requieran un suministro pequeño y fiable de ener-gía eléctrica.

Si tiene tantas ventajas, ¿por qué se cuestiona enocasiones el empleo de la energía solar fotovoltaica? Larazón principal es el costo. Una instalación fotovoltaicacuesta alrededor de $5,00 por watt pico generado (Wp),y a esto se le añaden los no menos significativos costosde las baterías, inversores, controladores electrónicos yla instalación.



No obstante, los costos de los sistemas fotovoltaicoshan descendido significativamente en los últimos veinteaños y se espera que este descenso continúe en el futu-ro, en la medida en que avance la tecnología de las cel-das fotovoltaicas, su tecnología de producción y la eco-nomía de escala se desarrolle y afiance. El costo del wattpico ha decrecido desde alrededor de $100,00 en 1970 a$5,00 actualmente, y se espera que decrezca hasta $2,00en el 2010. En la medida en que estos costos disminu-yan, los sistemas fotovoltaicos se tornarán mucho másatractivos en todo el mundo. No obstante, es convenien-te señalar que los costos de las instalaciones fotovoltai-cas aún son superiores a los actuales precios de lossistemas eólicos, según se evidencia en la tabla 1.

SISTEMAS HÍBRIDOS

Con el auge de las fuentes renovables deenergía, desde hace ya treinta años, los defensores de lossistemas eólicos y solares enfocaron el problema a sumodo de ver y conveniencia. En aquellos tiempos, cuan-do se solicitaba un sistema eólico para un sitio aisladode la red, el proveedor le suministraba las turbinas eóli-cas necesarias con sus baterías, según la demanda y losdías sin viento estimados en el sitio. Si se hacía la solici-tud a un proveedor de sistemas fotovoltaicos, éste lehubiera hecho lo mismo, le habría suministrado tantospaneles fotovoltaicos como hubiera sido necesario. Hoyno es así, porque todos los proveedores de estos siste-mas están conscientes de que el uso de los sistemashíbridos es lo más adecuado, es decir, están de acuerdoen el uso de las energías fotovoltaica y eólica, simultá-neamente. En muchos sitios los recursos solares y eóli-

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cos se complementan. Los fuertes vientos del inviernose compensan con los largos y soleados días del verano.De esta forma los diseñadores reducen el tamaño de cadacomponente. Más aún, se ha comprobado que estos sis-temas híbridos trabajan mejor cuando se acoplan a pe-queños grupos electrógenos, y así reducen la cantidad debaterías, que los hacen más costosos y se reducen loscostos de operación y mantenimiento.

DIFERENCIAS ENTRE AEROGENERADORES

Existen evidentes diferencias entre los pe-queños aerogeneradores instalados como sistemas ais-lados, y los de mediano y gran tamaño conectados a lared. Ambos presentan problemáticas muy diferentes.

• En el caso de las instalaciones conectadas a la red, lainstalación entrega energía de acuerdo con la velocidaddel viento. En el caso de las instalaciones aisladas,éstas tienen que cubrir las necesidades de la deman-da, por lo que son necesarios sistemas de acumula-ción y regulación de la cantidad de energía generada.• En los sistemas aislados, el emplazamiento y el consu-mo normalmente viene dado por la localización. Elaerogenerador pequeño se ubica en el lugar dondeexiste la demanda o muy cercano a ella, para evitarpérdidas por transmisión de electricidad. En el casode los sistemas conectados a la red, se selecciona elemplazamiento y no hay limitación de la energía ge-nerada.• Desde el punto de vista técnico, en los aerogenera-dores conectados a la red, es la propia red, a través dela frecuencia constante (60 Hz), la que mantiene lavelocidad de rotación constante; pero en cambio, en



los sistemas aislados hay que controlar mediantesubsistemas específicamente diseñados al efecto.• Para instalar aerogeneradores pequeños no se ne-cesitan estudios de viento, pero estos resultan im-prescindibles en el caso de los aerogeneradores co-nectados a la red. Exploraciones in situ, análisis deevidencias ecológicas y extrapolaciones desde esta-ciones meteorológicas cercanas, son suficientes parala instalación de pequeñas máquinas. Los estudiosque se necesitan para la instalación de parques eóli-cos son mucho más costosos que los que se realizanpara los pequeños sistemas.

TECNOLOGÍA DE LOS PEQUEÑOS AEROGENERADORES

Los pequeños aerogeneradores de menosde 7 m de diámetro poseen varios subsistemas: rotor,generador, sistema de frenado, sistema de orientación,sistema de generación de la velocidad de rotación y torresoportante.

En cuanto al rotor, la mayor parte de los modelos co-rresponde a aerogeneradores tripalas, y en menor medi-da bipalas, aunque se producen también de cuatro, cin-co y seis palas. De igual manera, son mayoritariamentepara trabajar a barlovento (viento de frente).

Los diseños de pequeña potencia utilizan, casi siem-pre, conexión directa entre el rotor del aerogenerador y elgenerador eléctrico, sin multiplicador. El generador másempleado es el alternador de imanes permanentes (PMG),de 4, 6, 8 y 10 polos. Existen también algunos diseñoscon generadores de reluctancia variable.

Los pequeños aerogeneradores deben poseer unmecanismo que detenga el aerogenerador cuando so-

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brepasa la velocidad máxima permisible, es decir, unsistema de frenado capaz de reducir la velocidad delrotor o detener la rotación. Existen varias variantes eneste caso: con un solo sistema de frenado, sin sistemay, la mayoría, con dos sistemas. El sistema más comúnes el freno mecánico, que se emplea en la mayor partede las variantes. Existe también el freno aerodinámico,el de pala a bandera, el de desorientación, el de cabeceoy el de cortocircuito del generador. En los aerogeneradoresque sólo llevan un sistema de frenado, la solución máscomún es mediante cortocircuito del generador eléctrico.

El sistema de orientación es por veleta de cola. En elcaso de los modelos que trabajan a sotavento (viento pordetrás), no emplean sistema de orientación.

El sistema de regulación de la velocidad de rotaciónes necesario para mantener el aerogenerador dentro delos límites de diseño. En particular, deben existir me-dios disponibles para prevenir que se supere la veloci-dad límite de rotación de cálculo. Los sistemas más usa-dos son por cabeceo y por cambio de paso.

En relación con los diferentes tipos de torres, existenlas atirantadas o autoportantes, tubulares y de celosía.En cuanto a las alturas, se encuentran torres de 6, 8, 12,18, 24, 30 y 40 m.

En conclusión, el aerogenerador tipo de pequeña po-tencia sería uno de eje horizontal, tripala a barlovento, conun generador síncrono de imanes permanentes, orienta-do por timón de cola y con regulación de la velocidad me-diante cabeceo o cambio de paso pasivo. Dispondría dedos sistemas de frenado, siendo uno de ellos un frenomecánico. El aerogenerador se ofrecería con diferentes ti-pos de torres soporte y alturas de buje.



EXPERIENCIA CUBANA

Se conoce que después del auge alcanzadopor los aerogeneradores tipo Windchargers, fundamen-talmente en los Estados Unidos, algunos equipos fueroninstalados en Cuba en fincas y residencias. No obstante,no han quedado huellas de esas instalaciones.

Tabla 2. Sistemas híbridos, con paticipación eólica, instala-dos por la empresa EcoSol Solar

TIPO POTENCIA INSTALADA (KW) CANTIDAD DE

(E) (FV) (DS) AEROGENERAD.Híbrido E-FV 0,40 0,24 1Híbrido E-FV 0,40 0,17 1Híbrido E-FV 0,40 0,17 1Híbrido E-FV 0,40 0,17 1Híbrido E-FV 0,40 0,10 1Híbrido E-FV 0,40 0,17 1Híbrido E-FV 0,40 0,17 1Híbrido E-FV 0,80 0,33 2Eólico 0,40 1Híbrido E-FV 0,40 0,80 1Híbrido E-FV 0,80 0,24 2Híbrido E-FV 0,80 0,24 2Híbrido E-FV 0,80 0,24 2Híbrido E-Ds 3,00 10,00 1Híbrido E-FV 3,00 2,00 1Híbrido E-FV-Ds 6,00 16,00 10,00 1Híbrido E-FV-Ds 1,50 2,40 20,00 1Eólico 3,00 1Eólico 1,50 1Total 24,80 23,42 40,00 23Leyenda: Eólico (E). Fotovoltaico (FV). Diésel (Ds).

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A partir de los años noventa, algunas instituciones,como el Centro de Investigación de Energía Solar (CIES) yel Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renova-bles (CETER), incursionaron en el diseño y construcciónde sistemas eólicos, aunque sin llegar a un grado demadurez tecnológico aceptable para acceder a su pro-ducción industrial.

También la Comisión Nacional de Energía en esos añosimportó más de diez pequeños aerogeneradores chinos,que fueron distribuidos por diferentes organismos, perodejaron de operar por diversas razones. A esto se añadela producción informal de estas máquinas por parte dealgunas entidades y personas interesadas en el tema.

Tabla 3. Resumen de las instalacionesSistemas eólicos simples 3Sistemas híbridos eólico-fotovoltaicos 13Sistemas híbridos eólico-diésel 1Sistemas híbridos eólico-FV-diésel 2Total aerogeneradores instalados 2Total sistemas instalados 19Total aerogeneradores funcionando 16

A partir de 1996 la empresa EcoSol Solar, División deCopextel S.A., comienza un programa más coherente deinstalación de sistemas eólicos e híbridos, que en la ac-tualidad ya cuenta con una potencia instalada de 28,9 kW(Tablas 2 y 3), en dieciséis instalaciones, con veintitrésaerogeneradores de diferentes marcas y procedencias.

(Publicado en Energía y tú,No. 33, enero-marzo de 2006)


Este libro ha sido impresopor la Editorial CUBASOLAR.Se terminó de imprimir en La Habana,en abril de 2006.«Año de la Revolución Energética en Cuba».

Cuadernos de fuentes renovablesde energía y educación ambiental

CONRADO MORENO FIGUEREDO (Santa Rita, 1946).Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular y directordel Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Reno-vables (CETER), del Instituto Superior Politécnico JoséAntonio Echevería (CUJAE). Académico Titular de la Aca-demia de Ciencias de Cuba. Autor del libro inédito Fun-damentos para el diseño y selección de aerobombas.

Ejemplar firmado y numerado por el autor.

Cuba, en su nueva estrategia energética, pre-vé la utilización creciente de la energía eólica, para incor-porarla como uno de los soportes tecnológicos de la cultu-ra solar que nos liberará del actual holocausto silenciosoque provoca la combustión de los combustibles fósiles.Como uno de los artífices de ese vector hacia el desarrollosostenible, a Conrado Moreno le agradecemos su sabidu-ría y pasión por la energía eólica –denominada así enhonor del dios griego Eolo–, y por los textos que ya nosadelantó en algunos números de la revista Energía y tú.

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