Instituto de Investigaciones EléctricasGerencia de Energías No Convencionales

Taller de Introducción a la Tecnologíade Aerogeneradores

Módulo 1: Introducción

Marco Borja(Julio de 2007)

Estructura del Taller

• Módulo 1.- Introducción• Módulo 2.- Consideraciones iniciales• Módulo 3.- Recurso eólico• Módulo 4.- Tecnología de aerogeneradores• Módulo 5.- Ejercicio: Análisis de mercado (oferta)• Módulo 6.- Ejercicio: Consideraciones iniciales de concepto

Desarrollo del Taller

• Se presentarán los aspectos generales para cada uno de los temas, señalando los principales aspectos particulares que han influido en el desarrollo tecnológico, así como aquellosque pueden influir en la toma de decisiones para nuestro caso.

• En cada tema, los especialistas de los grupos de trabajo podrán presentar sus comentarios sobre los aspectos que consideren más relevantes para la toma de decisiones. Lasrecomendaciones iniciales, dudas y preguntas sin resolver serán registradas y se buscará información adicional para suanálisis y consideración posterior.

• De manera participativa se realizará un primer ejercicio para identificar los posibles conceptos del aerogenerador pordesarrollar

Módulo 1

Introducción

Historia

• El primer aerogenerador fue desarrollado por Charles F. Brushentre 1887 y 1888. Él fue uno de los pioneros de la industria eléctrica Estadounidense. Su compañía Brush Electric en Cleveland, Ohio fue fusionada con la Edison General ElectricCompany, bajo el nombre de General Electric Company (GE).

Aerogenerador Brush 1888Diámetro: 17 metrosAspas: 144Capacidad: 12 kWOperó por 20 años cargando baterías

Lección principal: los aerogeneradorescon rotores sólidos que operan a muy baja velocidad tienen eficiencia muy baja.

• El científico danés Paul Le Cour (1846-1908) , fue el pionero de la tecnología moderna de aerogeneradores.

• Diseñó aerogeneradores con rotores de baja solidez (4 y 6 aspas) que operaban a velocidades relativamente altas.

• A Le Cour le interesaba el almacenamiento de energía y usó laenergía eléctrica de sus aerogeneradores para producirhidrógeno (por electrólisis) para alimentar algunas lámparas de gasen su escuela.

Dos de los aerogeneradoresde Paul Le Cour.Askov, Dinamarca (1897).

En 1918, cerca de 120 compañíaseléctricas en Dinamarca, teníanun aerogenerador, típicamentede 20 a 35 kW, lo que acumulabacerca de 3 MW que cubrían cercade 3% de la electricidad quese consumía en Dinamarca en esas fechas.

Durante la segunda guerra mundial, la compañía Danesa F.L. Smidthconstruyó varios aerogeneradores de dos y tres aspas.

El diseño de tres aspas se conoce como el “Concepto Danés”. Estos modelos, como sus predecesores, generaban en C.D.

El aerogenerador de tres aspas, construido en 1942, se instaló en una islacomo parte de un sistema híbrido eólico-diesel.

En 1950, Johannes Juul (uno de los primeros estudiantes de La Cour),fue el primero en construir el primer aerogenerador en C.A.

En 1956 Juul construyó un aerogenerador de 200 kW para una compañíaDanesa. Se instaló en en Gedser al sur de Dinamarca. Este modelo ya contaba con:

• Sistema electromecánico para orientación• Generador eléctrico asíncrono• Regulación de velocidad por desprendimiento de flujo• Elementos aerodinámicos de punta de aspa para frenado(aerodynamic tip brakes)

• Operó 11 años sin mantenimiento correctivo.• En 1975 fue reconstruido por solicitud de la NASA quien deseaba realizarmediciones para su nuevo programa eólico.

“Aerogenerador Gedser”200 kW

Dinamarca, 1956

Después de la crisis petrolera de 1973, el interés por la tecnología eoloeléctrica se incrementó en varios países, incluyendo:

DinamarcaAlemaniaEstados UnidosReino Unido

Varias compañías eléctricas emprendieron el desarrollo e instalación de “grandes aerogeneradores”

En 1979 y 1980 se construyeron dos aerogeneradores de 630 kWde 40 metros de diámetro. Uno de ellos controlado por desprendimiento de flujo (Stall regulated) y el otro controlado por ángulo de paso (Pitch regulated). Se conocieron como las turbinas Nibe y se desmantelaron en el 2001.

Aerogeneradores NIBE

Se desarrollaron y construyeron máquinas de hasta 3.2 MW de capacidady cerca de 100 metros de diámetro (MOD 5, desarrollado bajo el liderazgo de la NASA).

En esas fechas, el desarrollo de “grandes aerogeneradores” no fue comercialmente exitoso por alguna de las siguientes causas (dependiendo de los modelos).

• Fallas estructurales• Poca confiabilidad• Muy altos costos de fabricación y/o mantenimiento

No obstante, algunas de estas máquinas operaron durante varios años y, bajo programas de mediciones y evaluación, generaron informaciónmuy valiosa.

La precipitación del mercado eoloeléctrico de California(The Great California Wind Rush)

A principios de la década de 1980, el estado de California decidió otorgaramplios incentivos económicos para la construcción y operación decentrales eoloeléctricas.

Esto dio lugar al “precipitado desarrollo” de una cantidad considerable demodelos de aerogeneradores de “pequeña capacidad”, conocidos como“La generación de 55 kW”.

Entre 1980 y 1985 en California se instalaron miles de aerogeneradoresfabricados en Estados Unidos y en Europa (principalmente en Dinamarca, Alemania y Holanda

California se convirtió en un gran “centro de pruebas” de aerogeneradoresen donde surgieron todo tipo de problemas

MICON 55 kW, 1,000 máquinas en Palm Springs

Los principales problemas técnicos fueron:

• Fallas estructurales• Fatiga prematura de ciertos subsistemas• Fallas recurrentes de ciertos subsistemas y componentes• Baja producción por efectos de estela• Baja producción por mala microlocalización• Calidad de energía

Cerca de 50% de las máquinas que se instalaron en California fueron deOrigen Danés.

El desarrollo del mercado eoloeléctrico en California prácticamente se detuvo en 1985, después de que se retiraron los incentivos económicos.

La mayoría de las compañías estadounidenses se fue a la quiebra oabandonó el negocio.

Los Europeos tomaron gran ventaja de la experiencia y avanzaron demanera importante en el desarrollo de aerogeneradores (y los demásaspectos asociados al desarrollo de proyectos eoloeléctricos) hasta lograr cierto nivel de madurez tecnológica y comercial.

Fue hasta la década de 1990 cuando algunos países europeos decidieronimpulsar sus mercados eoloeléctricos de manera decidida.

El “Concepto Danés” (tres aspas, eje horizontal), es el que se ha mantenido en el mercado y ha sido adoptado por la gran mayoría de los desarrolladores y fabricantes de aerogeneradores.

Con base en este concepto básico, han surgido una gran cantidad demodelos que, con base en un proceso de mejora tecnológica continua,compiten actualmente en los mercados eoloeléctricos más prósperos.