Energía eólica en zonas urbanas

Por
Conrado Moreno Figueredo*

 

Desde hace años se incorporan las aspas de los aerogeneradores a las ciudades, y ese proceso
será creciente en el futuro

 

Actualmente existe un interés progresivo por la introducción de la energía eólica en el entorno urbano, por lo que se están desarrollando nuevos tipos de turbinas eólicas, llamadas turbinas urbanas (TU). La apariencia de esas máquinas permite integrarlas en el paisaje urbano sin interferir en él, quedando disimuladas por el propio entorno sin ocupar un espacio exclusivo para ellas.

A nivel mundial, la energía proveniente de los pequeños aerogeneradores se emplea principalmente en las zonas no conectadas a la red eléctrica. No obstante, a pesar de que en los países desarrollados, y en algunos en desarrollo, como Cuba, la mayoría de la población está conectada a la red, muchos fabricantes ya han desarrollado modelos específicos para las áreas urbanas. Estos se caracterizan por su belleza y su elegante inserción en el entorno.

Los grandes aerogeneradores se han convertido en artefactos cada vez más familiares en los paisajes rurales, ubicados por lo general en sitios remotos, alejados de las zonas urbanas. Nadie se extraña al ver uno o varios aerogeneradores en campos abiertos. Sin embargo, en las áreas urbanas esto no es tan común, a pesar de que los espacios citadinos también ofrecen oportunidades para los pequeños aerogeneradores debidamente diseñados con este fin. Recientes estudios han mostrado que hay un potencial significativo para generar energía eólica dentro de los ambientes urbanos. El término urbano se refiere a todas aquellas áreas con construcciones, áreas industriales, ciudades, áreas densamente pobladas con muchos edificios, o áreas en la cual la densidad de edificaciones crea comportamientos del viento complejos.


La integración de la energía eólica de pequeña escala en el entorno urbano, se puede ver de tres maneras:
1. Turbinas eólicas integradas a los nuevos edificios.
2. Turbinas eólicas montadas en edificios existentes.
3. Turbinas eólicas en espacios públicos, conocidas también como «modelos residenciales».

En la integración de las turbinas a los edificios, éstas forman parte del propio inmueble y pueden ser turbinas de varios centenares de kW. Hasta hoy existen muchos proyectos, pero aún pocas experiencias. El más conocido es el emblemático World Trade Center, de Bahrein.

 
Nuevas máquinas eólicas
se diseñan específicamente
para zonas urbanas.
 

Las turbinas instaladas sobre las azoteas de edificios existentes ven disminuido su potencial de producir energía, debido a la aparición de turbulencias. Se emplean turbinas de hasta 5 kW. Esta variante ofrece la posibilidad de ser empleada junto a la fotovoltaica, y tiene grandes perspectivas.

Los modelos residenciales consisten en aerogeneradores pequeños instalados sobre el suelo con edificaciones cercanas, en zonas totalmente residenciales, agrícolas o ganaderas, e industriales. Se emplean turbinas de hasta 100 kW, y es la variante más aplicada hasta el momento.


El viento en zonas urbanas

Un aspecto técnico clave para las turbinas urbanas, es la presencia de la turbulencia en los vientos que circundan los edificios y otros objetos de obra. Esta turbulencia, que generalmente es muy alta (mayor de 25%), puede dificultar las soluciones energéticas en las turbinas urbanas. Las condiciones de generación de energía eólica en entornos urbanos son más complejas que en zonas abiertas, o en las cimas de las montañas, ya que la velocidad del viento es más baja y su flujo más turbulento. La eficiencia de la máquina eólica depende de factores como la localización geográfica del edificio, las construcciones que lo rodean y la forma de su tejado.

 


Proven


Los aerogeneradores Pro-ven poseen un generador con conexión directa con el rotor, que opera sin caja multiplicadora. El generador es de baja velocidad, por lo que las palas se mantienen rotando también a baja velocidad. La razón de velocidad de punta es baja, con el fin de minimizar el ruido.


 


QuietRevolution


De eje vertical, comenzó a fabricarse para ambientes urbanos donde las velocidades son más bajas y las direcciones del viento cambian frecuentemente. Los álabes torcidos de forma helicoidal aseguran un comportamiento resistente en vientos turbulentos. El ruido y la vibración son bajos.
 

Ampair


Ampair es productor de aerogeneradores de pequeña escala para yates
y aplicaciones terrestres de baja potencia, hasta generadores de mayor potencia para ser conectados a la red eléctrica. Todos los
modelos están diseñados para trabajar en ambientes marinos y sin caja multiplicadora.

 

Como los productores conocen, y cualquier persona que transite alrededor de edificaciones puede experimentar, el comportamiento del viento alrededor de los edificios muestra una gran variación en su velocidad y dirección. Esto causa que la turbina se vea forzada a adaptarse al viento muy rápidamente, y cambie de posición constantemente, buscando la orientación con respecto al viento. Esto no sólo afecta negativamente la energía que entrega, sino que también incrementa las cargas dinámicas, causando fatiga, desgaste, ruido y daños en la instalación. Esto provocará también demandas más engorrosas a la instalación eléctrica y al sistema de control.

Los vientos concentrados en los espacios entre las edificaciones, pueden servir para maximizar el aprovechamiento de la energía eólica, y con ello, la generación de electricidad.


Los pequeños aerogeneradores para zonas urbanas

Las turbinas eólicas que existen actualmente en el mercado no han sido diseñadas, por lo general, para las bajas velocidades del viento reinantes en los interiores de las ciudades, ni para las condiciones de inestabilidad y turbulencia del viento en el ambiente urbano. Sin embargo, la misma turbina que se usa en zonas rurales, se suele aplicar para las estructuras de los edificios donde las construcciones no se diseñaron para las cargas dinámicas que esto trae consigo.

Algunos experimentos que se han llevado a cabo han fallado debido al ruido que emiten; las altas turbulencias han provocado la fractura de las palas y la transmisión de las vibraciones ha dañado los edificios.

Algunos fabricantes, co-mo Proven, han logrado entrar exitosamente en áreas urbanas.
Cada día más, los fabricantes se esfuerzan por desarrollar turbinas adecuadas para áreas urbanas. Para esto es necesario conocer más sobre el diseño de las palas, el amortiguamiento mecánico de las vibraciones, la emisión del ruido, las técnicas de seguridad, la eficiencia del generador y el óptimo posicionamiento de la turbina. Además de esto, hay aspectos no resueltos que deben tenerse en consideración, como la aceptación social y, por tanto, del mercado. Dependiendo del sitio, puede ser adecuada una turbina de eje horizontal, o una de eje vertical.

En general, los pequeños aerogeneradores son menos eficientes que los grandes, y las turbinas de eje horizontal (TEH) son más eficientes que las de eje vertical. En situaciones donde las direcciones del viento cambian frecuentemente, y con rapidez, las turbinas de eje horizontal son menos eficientes y, consecuentemente, las de eje vertical se tornan relativamente más eficientes o con igual eficiencia.

No obstante, a pesar de sus desventajas, existen varias razones para considerar las turbinas de eje vertical (TEV), para aplicaciones en ambientes urbanos. La relativamente baja sensibilidad a la turbulencia, cambios de dirección de la velocidad del viento y el relativo bajo peso con respecto a la potencia que entregan, hacen que estas máquinas resulten ventajosas para el ambiente urbano. La posición del generador debajo del rotor, en vez de situarse detrás, ofrece ventajas para el montaje en techos y el acceso a los servicios de operación y mantenimiento, además de requerir una torre soportante menor.

La TEV ofrece también mejores posibilidades de diseños visuales más atractivos, en los cuales el impacto visual de los objetos en movimiento sobre los alrededores, es menor. No obstante, es bueno aclarar que las TEH aún son las líderes en el mercado, con diseños ingenieriles mejores, comportamientos ya probados y relativamente bajos precios. El número de TEV disponibles y comerciales es limitado en estos momentos, pero se pronostican nuevos diseños que aparecerán en el mercado dentro de pocos años.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER). Miembro de la Academia de Ciencias de Cuba (ACC) y de CUBASOLAR.
e-mail: conrado@ceter.cujae.edu.cu