Producción de electricidad
con pequeños aerogeneradores
Por
Por Conrado Moreno Figueredo*
En la nueva estrategia energética
cubana también se prevé la
generación de electricidad con
pequeños sistemas eólicos aislados. |
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El corazón de un pequeño sistema eólico aislado para la producción de electricidad es la turbina eólica, que se encuentra en la parte superior del sistema y que se apropia de la energía del viento a través del rotor. Estos sistemas están provistos, además, de un sistema de control y un banco de baterías para acumular la energía.
Cuando se habla de energía eólica y nos referimos a su magnitud hay que mencionar el diámetro del rotor. Actualmente, el rango de las turbinas eólicas se extiende desde las minúsculas, de 500 mm de diámetro (20 W), a las gigantescas máquinas cuyos diámetros alcanzan casi 100 m, capaces de entregar 3 MW, es decir, tres millones de watts.
Las pequeñas turbinas eólicas son usualmente divididas en micro, mini y de tamaño doméstico. Las microturbinas son las más pequeñas, y por lo general sus rotores tienen menos de 1,25 m de diámetro. Las miniturbinas son las intermedias y sus rotores llegan a 3 m de diámetro. Por su parte, turbinas de tamaño doméstico (del término danés hustandmolle) son más grandes (llegan hasta 10 m de diámetro), cubren un amplio rango y son capaces de suministrar energía a viviendas en lugares aislados.
Esta subdivisión no es única, ya que algunos autores toman otros rangos; es decir, no hay una definición precisa de lo que se identifica como «pequeño». Algunos investigadores aplican el término a turbinas eólicas de hasta 30 kW
de potencia. No obstante, las normas de certificación de aerogeneradores del Comité Electrónico Internacional (IEC) definen los aerogeneradores pequeños como «aeroturbinas eólicas con una superficie de captación del rotor inferior a 40 m2». En el caso de aerogeneradores de eje horizontal, esto corresponde a rotores con un radio inferior a 3,57 m, o sea, aproximadamente 7 m de diámetro. En conclusión, no existe un consenso general para limitar el tamaño de las turbinas eólicas de pequeño tamaño.
Desarrollo de los pequeños aerogeneradores
Cuando los generadores eléctricos aparecieron en los finales del siglo XIX, el hombre razonablemente trató de hacerlos girar con rotores eólicos. El ejemplo más conocido de un pequeño aerogenerador fue el construido por Charles Brush, en Cleveland, Ohio, en 1888, el cual no tuvo el impacto esperado en ese momento, aunque después estas máquinas se difundieron por todos los Estados Unidos. De estos pequeños aerogeneradores, el más reconocido como pionero fue el construido por Marcellus Jacobs, que en los años veinte se dedicó a estudiar cómo adaptar los antiguos molinos de bombeo como aerogeneradores.
Estos equipos eran de tres palas (tripalas) con perfiles de sección aerodinámica, por lo que puede decirse que poseían la arquitectura de los modernos aerogeneradores actuales (Figs. 1 y 2). Algo interesante también es que Jacobs le incorporó la batería de acumulación, para adaptarla a los usos en residencias particulares. Los pequeños aerogeneradores, como los de Jacobs, se hicieron muy populares en los Estados Unidos hasta que la expansión de la red eléctrica durante los años treinta marcó el comienzo del fin de su uso generalizado. Este aerogenerador ha sido recuperado por otras firmas y actualmente se encuentran otra vez disponibles.

Fig. 1. Modelo de aerogenerador de 1 kW de potencia,
desarrollado en la décadade los años veinte.
En el intervalo antes de la Segunda Guerra Mundial apareció otro aerogenerador de pequeña potencia, que todavía se puede encontrar en el mercado, la turbina Windcharger, que tiene dos palas y un sistema de regulación mediante freno aerodinámico.
Posteriormente resurgieron las pequeñas turbinas eólicas, y China es uno de los países abanderados de este resurgimiento. Los grupos nómadas de la parte noroccidental del pueblo asiático emplean más de cien mil pequeños sistemas eólicos. Estas turbinas eólicas son llevadas en los lomos de los caballos de un campamento a otro, y son la única fuente de energía disponible en las grandes llanuras de Asia, que se extienden desde China hasta Rusia. En total, en China se han instalado hasta el 2002 más de doscientas treinta mil pequeñas turbinas eólicas, fabricadas fundamentalmente en el propio país.
Un estudio realizado en España, en el 2000, llegó a la conclusión de que actualmente existen unos treinta fabricantes de pequeños aerogeneradores, principalmente en la Unión Europea y los Estados Unidos.
El listado de ejemplos de aplicación de las pequeñas turbinas eólicas para la producción de electricidad es sorprendente. Las podemos encontrar en los exploradores de la Antártica para alimentar de energía a los campamentos aislados; en las grandes llanuras mongolas, donde los grupos nómadas las emplean para cocinar sus alimentos; en las zonas ecuatoriales para la conservación de alimentos; en las antenas repetidoras de comunicación, radio y televisión; para la carga de cercas eléctricas; en los yates de recreo; en fin, son ilimitadas las aplicaciones de las pequeñas turbinas eólicas.
Una aplicación más reciente es la protección catódica de tubos, donde los pequeños aerogeneradores suministran carga eléctrica a la superficie metálica del tubo. La carga evita la corrosión galvánica en sitios altamente agresivos. No se necesitan baterías durante los períodos de calma, pues la corrosión es un proceso lento que ocurre en períodos largos. Cuando vuelve el viento se recupera la protección.
Desarrollo tecnológico
Como se señaló en un artículo en esta revista (Energía y tú, No. 32), el desarrollo experimentado en el aprovechamiento de la energía eólica en los últimos años ha situado esta fuente renovable de energía en posición competitiva respecto a los sistemas convencionales de producción de energía. Esto ha sido posible gracias a la aplicación de programas nacionales y supranacionales de investigación y desarrollo. Como resultado del impulso realizado en la investigación a raíz de las crisis energética de 1973, a finales de la década de los setenta y principios de los ochenta, aparecen los primeros aerogeneradores comerciales de lo que se denomina nueva generación de sistemas de conversión eólica.
Actualmente se puede afirmar que la tecnología de aerogeneradores de media potencia (menos de 1 000 kW) es una tecnología madura. Los de gran potencia o megaturbinas (más de 1 000 kW) se encuentran en fase de consolidación.
A pesar de este rápido desarrollo de los medianos y grandes aerogeneradores conectados a la red que está teniendo lugar, los sistemas eólicos para generación de electricidad en áreas sin red eléctrica, o descentralizados, no han experimentado un desarrollo con la misma celeridad; es decir, la madurez tecnológica de los medianos y grandes aerogeneradores está más avanzada que los pequeños.
Existen varias razones:
• Mercados menos atractivos.
• Mayor complejidad técnica.
• Son producidos por pequeñas empresas sin acceso a herramientas de diseño de última generación.
• Insuficientes programas de investigación y desarrollo.
En los últimos años se ha trabajado en busca de disminuir los costos y aumentar la fiabilidad, lo que los ha convertido en máquinas insustituibles en aquellos sitios donde la red no alcanza y los vientos son sencillamente evidentes.

Fig. 2. Aerogenerador Windcharger
de baja potencia desarrollado en los años treinta.
En el pasado, el talón de Aquiles era la fiabilidad de estos pequeños aerogeneradores. Estas máquinas en los años setenta se ganaron la mala fama de ser poco fiables, expuestos a fallas frecuentes. En el presente, han avanzado técnicamente de forma tal que si se comparan con aquellos modelos, estos son mucho más fiables. La práctica ha demostrado que la mayoría de las turbinas comerciales actuales pueden operar durante tres años o más, en sitios de ambiente agresivo, sin necesidad de mantenimiento ni inspección. La fiabilidad y los costos de operación y mantenimiento de estas máquinas es igual al de las instalaciones fotovoltaicas.
Costos
Los costos de la instalación de un sistema aislado de energía eólica incluyen los costos de la turbina eólica, la torre, el sistema de control, los cables y demás componentes eléctricos, las baterías, el inversor (si se incluye) y la instalación. Los otros gastos son los correspondientes a la operación, mantenimiento y reparación del sistema eólico. Estos pueden ser expresados en centavos por kilowatt-hora, o como un tanto por ciento del costo inicial. La experiencia alcanzada en los medianos y grandes aerogeneradores indica que estos costos de O y M llegan a 1-2 centavos por kilowatt-hora, y en las pequeñas turbinas evidentemente son menores. Estos sistemas se producen de forma tal que prácticamente están libres de mantenimiento en los primeros años. Experiencias de fabricantes norteamericanos han mostrado que después de tres años de servicio sin mantenimiento, los costos son mínimos.
Hay varias formas de expresar el costo de inversión de estos sistemas: el costo por área de barrido del rotor ($/m2) y el costo por kilowatt de potencia nominal del aerogenerador ($/kW). El más empleado es el costo por kilowatt, aunque este es más adecuado para plantas de potencia eléctrica que trabajan entregando una potencia constante, como las termoeléctricas o los grupos electrógenos. En los sistemas que entregan valores de potencia irregularmente, como los sistemas eólicos y fotovoltaicos, este indicador puede traer confusión y no ser totalmente objetivo; no obstante, es el que se emplea para hacer comparaciones. Un indicador más realista y útil para las máquinas eólicas es el costo por área de barrido del rotor ($/m2). La limitación de este indicador es que no tiene en cuenta la eficiencia del sistema que convierte la energía del viento en electricidad.
Un resultado del análisis de los costos por área de barrido del rotor, en función de la potencia nominal, demostró una gran dispersión de estos en los valores obtenidos. Lo mismo ocurrió en el caso del costo por kilowatt, lo que demuestra inmadurez tecnológica en su desarrollo. No obstante, la tabla 1 muestra valores promedio de estos indicadores.
Las cifras entre paréntesis en la primera columna expresan aproximadamente la potencia nominal correspondiente, aunque en esto también hay dispersión de los valores, fundamentalmente a partir de turbinas de diámetros mayores de 3 m. En el mercado hay turbinas de 5 m de diámetro, de 1, 3, 4 y hasta 5 kW (Figs. 3 y 4).
 
Figs. 3 y 4. Distintos modelos de aerogeneradores pequeños.
La tabla 1 confirma la tendencia general de que las turbinas eólicas se tornan más efectivas económicamente mientras mayor sea su tamaño. Esto las hace competitivas con los sistemas fotovoltaicos, pues en estos el costo por kilowatt prácticamente no varía, independientemente del tamaño. Las turbinas eólicas son más baratas mientras mayor es el tamaño, y el costo de los sistemas auxiliares de regulación y control son similares en ambos casos. Inclusive el costo de la torre no se diferencia mucho de los sistemas de sustentación de los sistemas fotovoltaicos.
Tabla 1. Costos específicos

Los sistemas fotovoltaicos resultan muy atractivos para la solución de necesidades de electricidad en sitios aislados de la red, y es una tecnología probada en muchas regiones del mundo, incluyendo a Cuba. Al igual que los sistemas eólicos, no necesitan del suministro de combustibles fósiles y pueden trabajar por largo tiempo sin necesidad de mantenimiento. Es reconocida su fiabilidad porque no poseen partes móviles, son silenciosos y no provocan ninguna emisión dañina al medio ambiente. La combinación de estas ventajas ha hecho que la energía solar fotovoltaica sea una buena solución para los problemas que se plantean en sitios remotos, que requieran un suministro pequeño y fiable de energía eléctrica.
Si tiene tantas ventajas, ¿por qué se cuestiona en ocasiones el empleo de la energía solar fotovoltaica? La razón principal es el costo. Una instalación fotovoltaica cuesta alrededor de $5.00 por watt pico generado (Wp), y a esto se le añaden los no menos significativos costos de las baterías, inversores, controladores electrónicos y la instalación.
No obstante, los costos de los sistemas fotovoltaicos han caído significativamente en los últimos veinte años y se espera que esta caída continúe en el futuro, en la medida en que avance la tecnología de las celdas fotovoltaicas, su tecnología de producción y la economía de escala se desarrolle y afiance. El costo del watt pico ha decrecido desde alrededor de $100,00 en 1970 a $5,00 actualmente, y se espera que decrezca hasta $2,00 en el 2010. En la medida en que estos costos disminuyan, los sistemas fotovoltaicos se tornarán mucho más atractivos en todo el mundo. No obstante, es interesante señalar que los costos de las instalaciones fotovoltaicas aún son superiores a los actuales precios de los sistemas eólicos, según se evidencia en la tabla 1.
Sistemas híbridos
Con el auge de las fuentes renovables de energía, desde hace ya treinta años, los defensores de los sistemas eólicos y solares enfocaron el problema a su modo de ver el problema y su conveniencia. En aquellos tiempos, cuando se solicitaba un sistema eólico para un sitio aislado de la red, el proveedor le suministraba las turbinas eólicas necesarias con sus baterías, según la demanda y los días sin viento estimados en el sitio. Si se hacía la solicitud a un proveedor de sistemas fotovoltaicos, éste le hubiera hecho lo mismo, le habría suministrado tantos paneles fotovoltaicos como hubiera sido necesario. Hoy no es así, porque todos los proveedores de estos sistemas están conscientes de que el uso de los sistemas híbridos es lo más adecuado, es decir, están de acuerdo en el uso de las energías fotovoltaica y eólica, simultáneamente.
En muchos sitios los recursos solares y eólicos se complementan. Los fuertes vientos del invierno se compensan con los largos y soleados días del verano. De esta forma los diseñadores reducen el tamaño de cada componente. Más aún, se ha comprobado que estos sistemas híbridos trabajan mejor cuando se acoplan a pequeños grupos electrógenos, y así reducen la cantidad de baterías, que lo hacen más costosos y se reducen los costos de operación y mantenimiento (Fig. 5).
Diferencias entre aerogeneradores
Existen evidentes diferencias entre los pequeños aerogeneradores instalados como sistemas aislados y los de mediano y gran tamaño conectados a la red. Ambos presentan una problemática muy diferente.
• En el caso de las instalaciones conectadas a la red, la instalación entrega energía de acuerdo con la velocidad del viento. En el caso de las instalaciones aisladas, éstas tienen que cubrir las necesidades de la demanda, por lo que son necesarios sistemas de acumulación y regulación de la cantidad de energía generada.
• En los sistemas aislados, el emplazamiento y el consumo normalmente viene dado por la localización. El aerogenerador pequeño se ubica en el lugar donde existe la demanda o muy cercano a ella para evitar pérdidas por transmisión de electricidad. En el caso de los sistemas conectados a la red se selecciona el emplazamiento y no hay limitación de la energía generada.
• Desde el punto de vista técnico, en los aerogeneradores conectados a la red, es la propia red, a través de la frecuencia constante (60 Hz), la que mantiene la velocidad de rotación constante, pero en cambio, en los sistemas aislados hay que controlar a través de subsistemas específicamente diseñados al efecto.
• Para instalar aerogeneradores pequeños no se necesitan estudios de viento, pero resultan imprescindibles en el caso de los aerogeneradores conectados a la red. Exploraciones in situ, análisis de evidencias ecológicas y extrapolaciones desde estaciones meteorológicas cercanas son suficientes para la instalación de pequeñas máquinas. Los estudios que se necesitan para la instalación de parques eólicos son mucho más costosos que los que se realizan para los pequeños sistemas.
Tecnología de los pequeños aerogeneradores
Los pequeños aerogeneradores de menos de 7 m de diámetro poseen varios subsistemas:
1. El rotor.
2. El generador.
3. El sistema de frenado.
4. El sistema de orientación.
5. El sistema de generación de la velocidad de rotación.
6. La torre soportante.
En cuanto al rotor, la mayor parte de los modelos corresponde a aerogeneradores tripalas, y en menor medida bipalas, aunque se producen también de cuatro, cinco y seis palas. De igual manera, son mayoritariamente para trabajar a barlovento (viento de frente).
Los diseños de pequeña potencia utilizan, casi siempre, conexión directa entre el rotor del aerogenerador y el generador eléctrico, sin multiplicador. El generador más empleado es el alternador de imanes permanentes (PMG), de 4, 6, 8 y 10 polos. Existen también algunos diseños con generadores de reluctancia variable.
Los pequeños aerogeneradores deben poseer un mecanismo que detenga el aerogenerador cuando sobrepasa la una velocidad máxima permisible, es decir, un sistema de frenado que sea capaz de reducir la velocidad del rotor o detener la rotación. Existen varias variantes en este caso. Los hay que disponen de un solo sistema de frenado, otros no disponen de sistema de frenado y la mayoría tiene dos sistemas.
El sistema de frenado más común es el freno mecánico, que se emplea en la mayor parte de las variantes. Existe también el freno aerodinámico, el de pala a bandera, el de desorientación, el de cabeceo y el de cortocircuito del generador. En los aerogeneradores que sólo llevan un sistema de frenado, la solución más común es mediante cortocircuito del generador eléctrico.
El sistema de orientación es por veleta de cola. En el caso de los modelos que trabajan a sotavento (viento por detrás), no emplean sistema de orientación.
El sistema de regulación de la velocidad de rotación es necesario para mantener el aerogenerador dentro de los límites de diseño. En particular, deben existir medios disponibles para prevenir que se supere la velocidad límite de rotación de cálculo. Los sistemas más usados son por cabeceo y por cambio de paso.

Fig. 5. Uno de los modelos
de aerogeneradores utilizados
en los sistemas híbridos instalados en Cuba.
En relación con los diferentes tipos de torres, existen las 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 potencia sería uno de eje horizontal, tripala a barlovento, con un generador síncrono de imanes permanentes, orientado por timón de cola y con regulación de la velocidad mediante cabeceo o cambio de paso pasivo. Dispondría de dos sistemas de frenado, siendo uno de ellos un freno mecánico.
El aerogenerador se ofrecería con diferentes tipos de torres soporte y alturas de buje.
Tabla 2.Sistemas híbridos, con paticipación eólica,
instalados por la empresa EcoSol Solar

Experiencia cubana
Se conoce que después del auge alcanzado por los aerogeneradores tipo Wind-chargers, fundamentalmente en los Estados Unidos, algunos equipos fueron instalados en Cuba en fincas y residencias. No obstante, no han quedado huellas de esas instalaciones.
Tabla 3 Resumen de las instalaciones.
Sistemas eólicos simples 3

A partir de los años noventa, algunas instituciones, como el Centro de Investigación de Energía Solar (CIES) y el Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), incursionaron en el diseño y construcción de sistemas eólicos, aunque sin llegar a un grado de madurez tecnológico aceptable para acceder a su producción industrial.
También la Comisión Nacional de Energía en esos años importó más de diez pequeños aerogeneradores chinos, que fueron distribuidos por diferentes organismos, pero dejaron de operar por diversas razones. A esto se añade la producción informal de estas máquinas por parte de algunas entidades y personas interesadas en el tema.
A partir de 1996 la empresa EcoSol Solar, División de Copextel S.A., comienza un programa más coherente de instalación de sistemas eólicos e híbridos (ver Fig. 5), que en la actualidad ya cuenta con una potencia instalada de 28,9 kW (Tablas 2 y 3), en dieciséis instalaciones, con veintitrés aerogeneradores de diferentes marcas y procedencias.
* Doctor en Ciencias Técnicas. Miembro de la Academia de Ciencias de Cuba y CUBASOLAR. Director del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER).
tel.: (537) 2663637.
e-mail:conrado@ceter.cujae.edu.cu |