Instituto de Investigaciones Eléctricas Gerencia de Energías No Convencionales Taller de Introducción a la Tecnología de 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 aquellos que 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. Las recomendaciones iniciales, dudas y preguntas sin resolver serán registradas y se buscará información adicional para su análisis y consideración posterior. De manera participativa se realizará un primer ejercicio para identificar los posibles conceptos del aerogenerador por desarrollar
Módulo 1 Introducción
Historia El primer aerogenerador fue desarrollado por Charles F. Brush entre 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 Electric Company, bajo el nombre de General Electric Company (GE).
Aerogenerador Brush 1888 Diámetro: 17 metros Aspas: 144 Capacidad: 12 kw Operó por 20 años cargando baterías Lección principal: los aerogeneradores con 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 la energía eléctrica de sus aerogeneradores para producir hidrógeno (por electrólisis) para alimentar algunas lámparas de gas en su escuela.
Dos de los aerogeneradores de Paul Le Cour. Askov, Dinamarca (1897). En 1918, cerca de 120 compañías eléctricas en Dinamarca, tenían un aerogenerador, típicamente de 20 a 35 kw, lo que acumulaba cerca de 3 MW que cubrían cerca de 3% de la electricidad que se consumía en Dinamarca en esas fechas.
Durante la segunda guerra mundial, la compañía Danesa F.L. Smidth construyó 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 isla como 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 compañía Danesa. 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 realizar mediciones 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: Dinamarca Alemania Estados Unidos Reino Unido Varias compañías eléctricas emprendieron el desarrollo e instalación de grandes aerogeneradores En 1979 y 1980 se construyeron dos aerogeneradores de 630 kw de 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 capacidad y 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 información muy 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 otorgar amplios incentivos económicos para la construcción y operación de centrales eoloeléctricas. Esto dio lugar al precipitado desarrollo de una cantidad considerable de modelos de aerogeneradores de pequeña capacidad, conocidos como La generación de 55 kw. Entre 1980 y 1985 en California se instalaron miles de aerogeneradores fabricados en Estados Unidos y en Europa (principalmente en Dinamarca, Alemania y Holanda California se convirtió en un gran centro de pruebas de aerogeneradores en 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 de Origen 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 o abandonó el negocio. Los Europeos tomaron gran ventaja de la experiencia y avanzaron de manera importante en el desarrollo de aerogeneradores (y los demás aspectos 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 decidieron impulsar 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 de modelos que, con base en un proceso de mejora tecnológica continua, compiten actualmente en los mercados eoloeléctricos más prósperos.