El concepto danés
Por Conrado Moreno Figueredo*
Principio de diseño de máquinas eólicas,
mundialmente conocido y aplicado
para la generación de energía eléctrica.
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Fig.1. Máquina Smith-Putnam. |
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El «concepto danés» es un término
empleado por los diseñadores y fabricantes de turbinas eólicas
para describir una tecnología que jugó un rol importante en
el desarrollo de los aerogeneradores comerciales en la segunda década
del siglo pasado.
Para acercarnos a este concepto es conveniente hacer un poco de historia.
La primera electricidad generada a partir del viento fue
debida a la máquina construida por Charles F. Brush, en Cleveland,
Ohio, en 1888. Su potencia nominal o de diseño fue
de 12 kW, y producía corriente directa. La producción de
corriente directa continuó en sistemas de pequeña escala,
aislados de la red, hasta 1930 cuando la primera turbina eólica
de gran escala y de corriente alterna se construyó en Estados Unidos.
Conocida como la máquina Smith-Putnam, fue instalada en Grand-pa’s
Knob, Vermont. Con un diámetro de 53,3 m y potencia nominal de
1,25 MW, con solo dos palas, fue la turbina de mayor potencia construida
durante muchos años (Fig. 1). Desgraciadamente, este aerogenerador
resultó muy grande para aquellos primeros años, debido al
limitado conocimiento sobre la ingeniería de las turbinas eólicas.
La máquina sufrió un fallo en una de las palas en 1945,
y el proyecto fue abandonado.
Se reconoce que el trabajo más sistemático realizado sobre
los aerogeneradores se ha llevado a cabo en Dinamarca. Entre los años
1891 y 1918, Poul La Cour construyó más de cien aerogeneradores
de potencia nominal entre 20-35 kW. El diseño se basó en
las experiencias de los viejos molinos de viento daneses y holandeses,
pero en realidad fueron máquinas a nivel de prototipos, sin llegar
a un nivel tecnológico tal que permitiera su producción
en serie. A partir de estos aerogeneradores se produjo hidrógeno,
de forma experimental, que fue empleado fundamentalmente en la iluminación
como uso final.
Entre 1920 y 1926, Albert Betz calculó la eficiencia máxima
del rotor de un aerogenerador, conocido actualmente como Límite
de Betz, y con ello la geometría óptima de las palas del
rotor.
En 1950, el Profesor Ulrich Hutter, en un sistema experimental, aplicó la aerodinámica moderna y la tecnología de la fibra óptica en la construcción de palas de los rotores de las turbinas eólicas.
Después de la Segunda Guerra Mundial, en 1958, un alumno de Poul La Cour, Johannes Juul, instaló una turbina conocida como Gedser, de 200 kW, en el sudeste de Dinamarca (Fig. 2). Esta turbina de tres palas fue muy innovadora para su momento, ya que empleó el sistema de control por pérdida aerodinámica (stall power control), además de un generador de inducción en vez del convencional para aquellos momentos (generador sincrónico).
Un generador asincrónico es mucho más sencillo para conectarlo a la red que el sincrónico. El control por pérdida aerodinámica es también más simple. Estos dos conceptos constituyeron la fortaleza que propició la presencia danesa en la industria eólica durante esos primeros años de posguerra. |
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Fig. 2. Aerogenerador Gedser. |
El aerogenerador Gedser constituyó un proyecto de relevancia histórica en el desarrollo de las turbinas eólicas.
Posteriormente, también en Dinamarca, el aerogenerador TVIND comenzó a operar en 1977, con una potencia nominal de 2 000 kW y un rotor de 54 m de diámetro, y constituyó otro hito histórico y tecnológico, ya que fue una prueba convincente de que la energía eólica podía ser utilizada a gran escala (Fig. 3).

Fig. 3. Aerogenerador TVIND (en la actualidad).
El concepto danés es un principio de diseño de una tecnología que se describe como sigue: una turbina de eje horizontal con tres palas operando a barlovento (de frente al viento), cuyas palas están fijadas rígidamente al cubo o centro del rotor (a este elemento se le conoce comúnmente como buje, nombre que se ha impuesto en la literatura especializada). El rotor gira a velocidad constante, moviendo un generador asincrónico conectado a la red. El tren de fuerza comprende varias componentes típicos (cajamultiplicadora, freno, embrague y generador), montados linealmente en un bastidor. Para orientarse de frente al viento usan un sistema de orientación activo, para controlar la velocidad emplean el principio de la pérdida aerodinámica y para la protección contra altas velocidades disponen de un freno mecánico y frenos aerodinámicos en la punta de las palas.
El concepto danés, que ya había sido empleado en la turbina Gedser, se caracteriza por ser un diseño relativamente simple, fiable y robusto. La primera generación de turbinas eólicas comercialmente exitosas estaba basada en este principio.
Basados en el concepto danés aparecieron las primeras turbinas estándar a principio de los años ochentas. Una de las turbinas más famosa fue la de la firma VESTAS de 15 m de diámetro y una potencia nominal de 55 kW (conocida por VESTAS V15-55), que se convirtió en la representante típica de esta clase estándar en esos años, lo que facilitó su producción en serie (Fig. 4). Los fabricantes daneses comercializaron miles de turbinas de este tipo para su mercado interno, y para los campos eólicos de California en los años ochentas. Además del modelo VESTAS V15-55, se vendieron otros, entre ellos los siguientes: NORDTANK 150 XLR (150 kW, D = 24,6 m), WIND WORLD W-2700 (150 kW, D = 27 m) y VESTAS V27-225 (225 kW, D = 27 m), todos de fabricantes daneses.

Fig. 4. Turbina eólica Vestas V15-55.
El tren de fuerza del modelo VESTAS V15-55 se conoce como «modular», ya que su estructura se caracteriza porque todos sus componentes están montados individualmente en el bastidor acoplados linealmente, con el fin de hacer el conjunto más simple, regular y económico (Fig. 5). Cada componente puede desmontarse de manera independiente, para cualquier cambio o reparación.

Fig. 5. Topología del aerogenerador Vestas V15-55.
Posteriormente, apareció este mismo concepto pero con un tren de
fuerza integrado (Fig. 6), donde uno de los componentes, generalmente
la caja multiplicadora, se convierte en el componente primario y los demás
elementos se fijan a ella. En este caso el diseño es sin bastidor,
lo que lo hace más elegante, compacto y ligero.

Fig. 6. Tren de fuerza del aerogenerador
de Cabo Cruz, en la provincia de Granma.
Existe la variante conocida como parcialmente integrado, que es un híbrido entre los dos anteriores. Entre los especialistas aún se discute cuál es la óptima, desde los puntos de vista económico y técnico.
Los fabricantes daneses fueron los líderes del mercado mundial a principios de los años noventas, con turbinas en el rango de 150 a 300 kW. El concepto danés se difundió entre otros fabricantes, tanto daneses como de otros países, como Alemania, y cada uno le añadió alguna innovación. Sin embargo, la firma VESTAS renunció a una de las características del concepto danés para sus grandes turbinas (el control de potencia por pérdida aerodinámica). Para su aerogenerador de 225 kW y mayores, el control de la potencia del rotor en las altas velocidades se realiza mediante la variación del ángulo de las palas (pitch control).
El parque eólico de Turiguanó está compuesto por dos aerogeneradores 225 kW cada uno, que en su diseño se rigen por el concepto danés ya que son turbinas compuestas por tres palas, con velocidad de rotación constante, de paso fijo y caja multiplicadora (Fig. 7).
El parque eólico de los Canarreos, en la Isla de la Juventud, está compuesto por seis aerogeneradores de 275 kW, de dos palas, pero de paso variable, velocidad de rotación constante y caja multiplicadora. Por lo tanto, al poseer el paso variable no obedece al concepto danés.

Fig. 7. Una de las máquinas
del parque eólico de Turiguanó.
El parque eólico Gibara 1 está compuesto por seis máquinas de 850 kW, con tres palas, con paso y velocidad variables y caja multiplicadora, por lo que se alejan aún más del antiguo concepto danés.
Finalmente, la que primero rompió con el concepto danés, completamente y de manera exitosa, fue la firma alemana ENERCON, con su máquina deninada ENERCON E-40 (de 500 kW), en 1992, al introducir un concepto completamente nuevo caracterizado por operar con velocidad de rotación variable, control de potencia con variación del ángulo de las palas (pitch control), generador sincrónico conectado directamente al rotor (sin caja multiplicadora) y sistema de producción de electricidad mediante corriente alterna-corriente directa-corriente alterna para la conexión a la red. En 1996, esta firma produjo la máquina E-66 de 1 500 kW y 55 m de diámetro, y ya posee la mayor máquina del mundo, de 6 MW y 126 m de diámetro del rotor, puesta en marcha en el 2007.
A modo de conclusión se puede afirmar que con el vertiginoso desarrollo de la tecnología de los aerogeneradores, el concepto danés, tan novedoso en su momento, va teniendo menos perspectivas y en su lugar comienza a imponerse la tecnología de los aerogeneradores de paso variable y velocidad de rotación variable, con caja multiplicadora o sin ella.
* Doctor en Ciencias Técnicas.
Especialista en energía eólica del Centro de Estudio de
Tecnologías Energéticas Renovables (CETER).
Miembro de la Junta Directiva de CUBASOLAR.
Tel.: (537) 2663637.
e-mail: conrado@ceter.cujae.edu.cu
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