Módulo 4.- Tecnología de aerogeneradores

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.