ENERGIA EOLICA

Jaime Moragues y Alfredo Rapallini

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1. Origen de los vientos

El calentamiento dispar de la superficie terrestre por accin de la radiacin solar es el principal causante de los vientos. En las regiones ecuatoriales se produce una mayor absorcin de radiacin solar que en las polares; el aire caliente que se eleva en los trpicos es reemplazado por las masas de aire fresco superficiales provenien-te de los polos. El ciclo se cierra con el desplazamiento, por la alta atmsfera, del aire caliente hacia los polos. Esta circulacin general, que sera la observada si la tierra no girase, se ve profundamente alterada por el movimiento de rotacin de la tierra generando zonas de vientos dominantes que responden a patrones definidos (ver Figura 1 ). A lo largo de un ao las variaciones estacionales de la radiacin solar incidente provo-can variaciones en la intensidad y di-reccin de los vientos dominantes en cada uno de los puntos de la corteza terrestre.

Adems del movimiento general de la atmsfera, que define los vientos do-minantes en las grandes regiones de la tierra, al estar sta ms caliente, existen fenmenos de caractersticas locales que originan estructuras parti-culares de los vientos. Tal es el caso de las brisas de tierra y de mar, moti-vadas por el calentamiento desigual de las masas de aire. Durante el da

Figura 1 - Circulacin de la atmsfera

Figura 2 - Vientos locales

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se generan a lo largo de la costa vientos desde el mar hacia tierra, revirtindose el proceso en horas nocturnas (Figura 2). Un fenmeno similar sucede en zonas mon-taosas donde las brisas de montaa y de valle son originadas por el calentamiento del aire en contacto con las laderas, generndose corrientes ascendentes durante las horas de sol y descendentes durante la noche.

Es importante sealar que la velocidad del viento vara con la altura (Figura 3) y de-pende fundamentalmente de la naturaleza del terreno sobre el cual se desplazan las masas de aire. La variacin de velocidad puede represen-tase mediante la siguiente expresin:

=

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1

1

2

hh

VV

donde V1 < V2 representan las velocidades del viento a las alturas h1 < h2, respectivamente. El exponente caracte-riza al terreno, pudiendo variar entre 0,08 (sobre superfi-cies lisas como hielo, lagunas, etc.) y 0,40 (sobre terrenos muy accidentados).

De todo lo dicho se concluye que el viento es un recurso esencialmente variable y dependiente de muchos factores. La correcta utilizacin de la energa elica exige tomar en cuenta velocidades me-dias, rfagas, direcciones dominantes y eventuales obstculos para seleccionar tan-to los lugares de emplazamiento como las caractersticas constructivas (altura de la torre, velocidades mximas que soportan, velocidad de puesta en marcha, etc.) de las mquinas a instalar.

2. Historia de la energia eolica

El uso ms antiguo de la energa elica del que se tiene documentacin es como medio de locomocin. Existen dibujos egipcios, de 5000 aos de antigedad, que muestran naves con velas utilizadas para trasladarse por el Nilo. Hasta el siglo XIX, con el perfeccionamiento e introduccin de las mquinas de vapor, la navegacin dependi casi exclusivamente de este recurso energtico. Ya en el siglo XX, con la invencin de los motores de combustin interna, la navegacin a vela quedo relega-da solo a las actividades deportivas y a algunas actividades comerciales en pueblos costeros. Recientemente, sobre todo motivadas por los aumentos de los precios del petrleo de los aos 1973 y 1979, se realizaron experiencias y construyeron barcos prototipo que utilizan la energa elica como medio para ahorrar combustible. En transporte transocenico, con los diseos actuales, podran alcanzarse ahorros del orden del 10%.

Las primeras mquinas elicas de las que se tiene documentacin datan del siglo VI d.c.. Eran de eje vertical (Ver Figura 4) y se las utilizaba para moler granos y bom-bear agua en la regin de Sijistn, entre Irn y Afganistn. Existen indicios, aunque

Figura 3 - Perfil del vi-ento con la altura

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no demostrados, de que el uso de estos mo-linos, denominados panmonas, se remonta segn distintos autores a entre 200 y 500 aos antes de nuestra era.

Con posterioridad, y especialmente en las islas griegas del Mediterrneo, se desarrolla-ron molinos de viento de eje horizontal (Figura 5) cuya principal caracterstica fue la utilizacin de velas triangulares a modo de palas. An hoy son utilizados en la isla grie-ga de Mikonos para moler granos. Es de destacar que este tipo de diseo permite ajustar la superficie de captacin, segn la velocidad del viento, arrollando las velas en sus "mstiles".

En el siglo XI d.c. los molinos de viento eran extensivamente utilizados en el Medio Oriente. Recin en el siglo XIII y como consecuencia de las Cruzadas fueron intro-ducidos en Europa.

Durante la Edad Media se construyeron muchos molinos llegando al extremo de que los seores feudales se reservaban el derecho de autorizar su construccin, como modo de obligar a sus sbditos a moler los granos en los molinos de su propiedad. Plantar rboles cerca de ellos estaba prohibido pues deba asegu-rarse la libre incidencia del viento.

En el siglo XIV los holandeses tomaron el liderazgo en el mejoramiento de los molinos y comenzaron a utilizarlos ex-tensivamente para drenar las regiones pantanosas del delta del ro Rin. A fines del siglo XV se construyeron los prime-ros molinos de viento para la elaboracin de aceites, papel y procesar la madera en aserraderos. A comienzos del siglo XVI se empezaron a utilizar para el dre-naje de "polders", emplendose mqui-nas de hasta 37 kW (50 HP) cada una,

ver Figura 6. A mediados del siglo XIX cerca de 9000 molinos operaban en Holanda con diferentes propsitos, algunos de hasta 65 kW (90 HP). Con la introduccin de las mquinas de vapor durante la Revolucin Industrial comenzaron a declinar y me-nos de 1000 mquinas estaban en condiciones de operacin a mediados del si-glo XX.

Figura 4 - Panmonas

Figura 5 - Molino griego

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En Dinamarca, al finalizar el siglo XIX, cerca de 3000 molinos eran utilizados con fi-nes industriales y cerca de 30.000 en casa y granjas, proveyendo una potencia equi-valente a 200 MW.

Como en otras regiones del mundo la apari-cin de alternativas ms baratas de abaste-cimiento energtico hizo que paulatinamen-te fueran reemplazndose por mquinas trmicas o motores elctricos alimentados desde las redes.

Procesos similares tuvieron lugar en otras regiones del mundo, haciendo que el uso del recurso elico quedase relegado a satis-facer necesidades puntuales en medios ru-rales o comunidades aisladas, sin ninguna participacin en el mercado energtico.

Como sealamos en la introduccin, la toma de conciencia sobre la agotabilidad de los recursos energticos no renovables (o de los renovables no debidamente utilizados), la creciente preocupacin por el impacto sobre el medio ambiente de los combusti-bles fsiles y la energa nuclear, y las bruscas alzas de los precios del petrleo ocu-rridos en la dcada del 70, intensificaron la bsqueda de alternativas de abasteci-miento energtico, renaciendo el inters por el recurso elico.

Los pases industrializados focalizaron sus desarrollos en el abastecimiento de ener-ga elctrica. Los logros alcanzados en el plano de la investigacin y desarrollo y, ms an, en las tecnologas de produccin de turbinas elicas, han hecho que, en el presente, el recurso elico haya dejado de ser una potencial alternativa de abaste-cimiento para convertirse en una realidad. Las turbinas elicas son hoy una opcin ms en el mercado de la generacin elctrica.

Distinto es el caso de los pases no industrializados, o menos desarrollados, donde la falta de sistemas de distribucin y la carencia de recursos para afrontar las enor-mes inversiones necesarias, modifican el enfoque. En muchos de estos pases el inters se focaliza en la urgente necesidad de cubrir demandas insatisfechas y po-tenciar el desarrollo regional. Esto a motorizado el desarrollo de mquinas elicas de menor porte que, experiencias mediante, han demostraron ser competitivas.

Ms adelante, luego de analizar las caractersticas particulares del recurso elico y de los equipos necesarios para su aprovechamiento, veremos con mayor detalle el estado actual de la tecnologa y su implementacin.

Figura 6 - Molino holands

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3. Energa obtenible del viento

La energa mxima terica que puede ser extrada de una masa de aire en movi-miento est dada por la expresin:

Ec = m V2

donde Ec = energa cintica [joule/s] m = flujo de aire [kg/s] V = velocidad del viento [m/s]

Si suponemos una rea de captacin A (o rea barrida por las palas) perpendicular a la direccin del viento, el flujo de aire circulante que la atraviesa ser:

m = A V siendo = densidad del aire [kg/m3] A = rea de captacin [m2]

la energa terica mxima por unidad de tiempo y de rea (A=1) que podremos ex-traer de una masa de aire en movimiento, ser entonces:

Pm = V3

A esta energa se la denomina potencia meteorolgica y se la expresa en W/m2,

Como la velocidad del viento, luego de atravesar la superficie de captacin, no es nula, la potencia dada por la expresin anterior no ser totalmente aprovechable. Betz demostr que la mxima energa recuperable, con un aerogenerador ideal, es igual a 16/27 (60%) de la energa total. Tomando en cuenta que ningn rotor es ideal, para caracterizarlo es necesario conocer su eficiencia o rendimiento . La po-tencia obtenible por unidad de rea de rotor, medida en W/m2, puede expresarse en-tonces como:

Pa = V3

y la potencia total para el rea descripta por las palas al girar, A =