El aerogenerador
de Cabo Cruz



Por
Conrado Moreno Figueredo*

Un logro sin precedentes de la ingeniería cubana.

 


Un hecho sin precedentes en la ingeniería en Cuba tuvo lugar entre 1997 y 1999, cuando un grupo de instituciones cubanas se dieron a la tarea de fabricar un aerogenerador de
10 kW para ser conectado a la red eléctrica nacional, una meta sin antecedentes en el país por cuanto hasta ese momento, y aun hasta la actualidad, no se había incursionado en la fabricación de un prototipo de aerogenerador de más de 1,5 kW. Algunos prototipos de pequeños aerogeneradores se habían instalado con el propósito de suministrar electricidad a objetivos aislados de la red, pero nunca para ser conectados a la red.


Origen

El origen se ubica en el desaparecido Ministerio de la Industria Sideromecánica y Electrónica (SIME), hoy Ministerio de Industrias (MINDUS). En 1996 se trazó la meta de probar si la industria mecánica cubana era capaz de fabricar aerogeneradores de gran tamaño, para lo cual solicitó la cooperación del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), del Instituto Superior Politécnico José Antonio Echeverría (CUJAE), que ya poseía experiencia en este tipo de trabajo. Al CETER se le sumaron otras instituciones científicas e industriales. El trabajo comenzó con la fabricación de uno de 10 kW con la misma tipología de los grandes aerogeneradores (mayores de 500 kW), el mismo principio de funcionamiento y los mismos componentes.


Objetivo

El objetivo final del proyecto era continuar fabricando máquinas de mayor potencia, hasta que en la década siguiente se fabricaran aerogeneradores de gran tamaño. Si el proyecto se hubiera continuado, hoy en día nuestra industria estuviera en condiciones de enfrentar el propósito actual: instalar casi 700 MW de potencia en parques eólicos hasta el 2030, para lo cual se necesitan entre 400 y 500 aerogeneradores. Actualmente la única alternativa es importarlos o retomar este proyecto detenido por diferentes razones.
Por supuesto, esta última variante haría más factible económicamente la meta.

El aerogenerador Tornado T7-10kW, también conocido como «el aerogenerador de Cabo Cruz» por el sitio donde se instaló, ubicado en la provincia de Granma, fue puesto en marcha en marzo de 1999. Constituyó un proyecto de carácter experimental que tuvo como objetivo el diseño, construcción y puesta en marcha de un aerogenerador conectado a la red eléctrica para suministrar electricidad al poblado de Cabo Cruz.


Originalidad del proyecto

El aerogenerador tenía una potencia nominal de 10 kW. La originalidad del proyecto radicaba en que fue el primer aerogenerador de más de 1,5 kW que se fabricaba en Cuba, y además para ser conectado a la red. La mayor parte de los componentes era de fabricación cubana. El montaje, la instalación y la puesta en marcha fueron realizados por especialistas y trabajadores cubanos apoyados por la experiencia del Folkecenter, de Dinamarca, que facilitó y autorizó la transferencia de tecnología.


Final del proyecto

Después de su puesta en marcha, el aerogenerador estuvo operando hasta finales de ese mismo año, 1999, cuando una tormenta local lo dañó y detuvo su funcionamiento.
La lejanía y la falta de atención por quienes debían mantenerlo en operación, han hecho de esta experiencia solo una anécdota a contar por los pobladores y por quienes trabajaron en su instalación, pero que no puede perderse en el olvido; de aquí que este artículo sea un homenaje a todos aquellos especialistas y obreros cubanos que lograron esta hazaña tecnológica, sin réplica hasta hoy en Cuba.


Transferencia de tecnología

La adquisición de tecnologías extranjeras mediante la transferencia de tecnología tiene una gran importancia para el desarrollo económico y social de los países en desarrollo. Dicha transferencia se refiere a toda operación que implique transmisión de los conocimientos que permiten a la entidad receptora fabricar en las mismas condiciones que la entidad proveedora de la tecnología, o innovar a partir del conocimiento adquirido.
En este caso el mecanismo de transferencia de tecnología fue un convenio de asistencia y servicios técnicos entre un grupo de instituciones cubanas lideradas por el CETER, y el Folkecenter for Renewable Energy, de Dinamarca. El Folkecenter proporcionó los planos para el diseño de acuerdo a las condiciones de Dinamarca y los vientos del sitio para el cual fue concebido, además de la asistencia técnica mediante un especialista que viajó a Cuba en dos ocasiones. Los ajustes a las condiciones cubanas y los detalles finales del diseño fueron realizados por especialistas cubanos.

Instituciones participantes

De aquí que el aerogenerador Tornado T7, de 10 kW, haya sido el resultado de la transferencia de tecnología del Folkecenter ofrecida a Cuba a través del CETER. La dirección general del proyecto, desde el punto de vista científico-técnico, fue llevada a cabo por especialistas del CETER. La responsabilidad de la ejecución le fue encargada a la Empresa Mecánica de Bayamo (EMBA), perteneciente al SIME.

Para esto se definió producir en Cuba todos los elementos posibles con la mayor calidad y eficiencia requeridas, y comprar en el extranjero solo los necesarios; esto último, debido a que nuestro nivel de desarrollo tecnológico no posibilitaba su producción con la calidad imprescindible: estos elementos son las aspas, el sistema de control, el sistema de freno y parte del sistema de orientación.

En las demás partes diseñadas y fabricadas en Cuba participaron otros organismos, como el Centro de Investigaciones de Construcción de Maquinaria (CICMA), la planta mecánica República de Vietnam, ambos de La Habana, y la fábrica de motores de Holguín; en la puesta en marcha del sistema de control participó el Centro de Investigaciones y Pruebas Eléctricas (CIPEL), de la CUJAE.


Descripción del aerogenerador

El aerogenerador Tornado T7 de 10 kW de potencia nominal, es de regulación fija por pérdidas aerodinámicas y trabaja de frente al viento con un sistema de orientación activa y un rotor de alta velocidad con tres aspas o palas. Esto significa que las aspas mantienen una posición fija, a diferencia de los aerogeneradores de aspas de paso variable, en las que estas giran sobre su eje longitudinal. El diámetro del rotor es de 7,3 m. El centro del rotor fue fabricado en la EMBA y las aspas son danesas, de la firma Olson Boat. Las aspas son relativamente largas y el perfil escogido garantiza un aprovechamiento eficiente del viento, haciendo que las cargas sobre el equipo sean las mínimas. Las aspas fueron fabricadas de poliéster reforzado con fibra de vidrio, y se montaron directamente en el centro del rotor mediante tornillos. El aerogenerador T7-10kW se produjo con una torre tubular dividida en dos secciones con una conexión cónica intermedia. La altura de la torre es de 18,7 m.
El aerogenerador fue concebido para trabajar conectado a la red eléctrica (Tabla 1).

Tabla 1
Especificaciones del aerogenerador Tornado T7-10kW Rotor



La potencia se transmite hacia el generador a través de la caja multiplicadora, de dos etapas. El sistema de construcción compacta requiere que el eje principal del rotor sea también el eje principal de la caja. El generador se acopla a través de una brida directamente a la caja, que es la que lo sostiene (Fig. 1).


Fig. 1. Esquema del aerogenerador Tornado T7-10kW.

El frenado se realiza mediante un sistema hidráulico de disco, acoplado al eje rápido de la caja multiplicadora. El aerogenerador posee, además, frenos aerodinámicos en las puntas de las aspas que se activan por las fuerzas centrífugas.

El tren de fuerza, compuesto por el rotor, la caja multiplicadora y el generador, descansa sobre un chasis o bastidor conformado por una plancha de acero y se encuentra cubierto por una capota de plancha de acero, delgada, reforzada con perfiles. La cubierta es articulada para permitir el acceso a la parte superior del aerogenerador (Fig. 2).


Fig. 2. Tren de fuerza del aerogenerador Tornado T7-10kW.

La torre es metálica y pintada, de forma tubular, dividida en dos secciones de diferentes diámetros y posee una escalera exterior. Cerca de la góndola se encuentra ubicado un balcón, desde el cual se puede serviciar y dar mantenimiento al equipo.
Por medio de un sistema de control basado en relés se rigen todas las acciones del aerogenerador, que se encuentra en una caseta al pie de la torre.


Fabricación de los componentes

Tal como se mencionó anteriormente, el proyecto buscaba producir en Cuba todos los componentes que fueran factibles en aras de ganar experiencia y poner a prueba la capacidad de la industria cubana (Fig. 3).


Fig. 3. Partes componentes del proyecto.

Los componentes fabricados en Cuba fueron:

1. Soporte de las aspas (buje). Fabricante: EMBA. Tipo: Construcción soldada. Material: Acero.
2. Eje principal. Se fabricó en el CICMA, de acero CrNi. La tecnología fue por maquinado con brida prensada en caliente. La conexión eje/centro fue con tornillos 12 x M10.
3. Caja multiplicadora. Su potencia nominal fue de 20 kW, con una relación de transmisión de 1:14 con 2 etapas, ejes en línea. En el cárter se depositan 5 litros de aceite. Se fabricó en el CICMA y en el Taller República de Vietnam, SIME.
4. Generador eléctrico. Es del tipo asincrónico de 60 Hz con una potencia nominal de
11 kW y un voltaje de 3 x 220V/480V. La velocidad de rotación a 10 kW es de 1 750 rpm con un rendimiento de 0,90 y un factor de potencia de 0,86. El fabricante fue la fábrica de Motores de Holguín, Cacocum.
5. Soporte de la maquinaria (bastidor o chasis), fue construido con plancha de acero en la EMBA.
6. Torre. De tipo tubular, de 18,7 m de altura, compuesta por dos secciones de planchas de acero de 6 mm, con un tratamiento superficial de pintura anticorrosiva. Fabricada en la EMBA.
7. Capota o cubierta de la góndola.

El ensamblaje de la góndola con el tren de fuerza fue también realizado en la EMBA por especialistas del CETER y de la empresa. La cimentación fue realizada por empresas cubanas.

Desde el extranjero se importaron los elementos siguientes:

1. Aspas. Fabricante Olson Boat, Dinamarca, de poliéster y reforzadas con fibra de vidrio.
2. Sistema de freno. Freno de disco de hierro fundido, de 30 mm de diámetro, con pinzas activadas hidráulicamente. Fabricante, Mercedes Benz.
3. Sistema de orientación. Es de tipo activo, controlado mediante la veleta ubicada en la parte superior; la velocidad de rotación 0,6°/s. El motor que acciona el sistema es de marca ICME, Ravenna, Italia, 1 640 rpm, 120 W, 225/480 V, acoplado a un reductor vertical cuyo fabricante es Bonfiglioli.
4. Sistema de control. El sistema es de relés fabricado en el Folkecenter.
5. Sensores (anemómetro y veleta). El anemómetro es de tipo optelectrónico fabricado por Carlo Gavazzi, Italia, y la veleta de dirección fabricada por Electromatic.

El rotor y la caja multiplicadora forman en conjunto el accionamiento del generador, que conjuntamente con el generador eléctrico conforman el tren de fuerza del aerogenerador (Fig. 4).



Fig. 4. Instante del ensamblaje del aerogenerador Tornado T7-10kW.

Características operacionales

La curva de potencia fue estimada mediante un programa de computación que permite, con los datos geo-métricos y las características técnicas del equipo, determinar con cierta aproximación el comportamiento de la potencia entregada en función de la velocidad del viento. Los parámetros operacionales son:

• Velocidad de arranque:
4 m/s
• Velocidad nominal:
12 m/s
• Velocidad de salida:
25 m/s
• Velocidad de supervivencia:
52 m/s

Con este mismo programa fue posible calcular la energía que el aerogenerador podía entregar en el año, que resultó 29 100 kWh anuales.


Selección del sitio

Teniendo en cuenta los objetivos del proyecto, debía seleccionarse un sitio de buena exposición del viento, y con vientos favorables para este tipo de instalación. El sitio de instalación se localizó al sur del municipio de Niquero, en el Parque Nacional Desembarco del Granma, a 10 km del sitio histórico Playa Las Coloradas y al este del poblado de Cabo Cruz, en una meseta en el borde de la terraza a una distancia de unos 100 m de la costa y una altura aproximada de 24 m sobre el nivel del mar, sobre suelo cárcico de la formación Cabo Cruz, en las coordenadas geográficas 19° 50' 16'' de latitud norte y los 77° 42' 58'' de longitud oeste.

En el poblado de Cabo Cruz está ubicada una estación meteorológica perteneciente al Instituto de Meteorología, que arroja resultados del viento adecuados para este fin y con una dirección predominante desde el sudeste, es decir, desde el mar abierto, por lo que la exposición era la más adecuada. En los dos últimos años antes de la instalación, la velocidad media a 10 metros de altura fue de 5,0 m/s de acuerdo a la estación meteorológica situada a 1 km de distancia del sitio de instalación. A los 20 m de altura de la torre se podían esperar vientos de 5,5 m/s, lo cual es aceptable para este tipo de instalación, y como el sitio está ubicado en una meseta con una mayor elevación sobre el nivel del mar, era de esperar que la velocidad fuera más alta.

A lo anterior se agrega la consideración de que el área presentaba buena factibilidad para la ubicación del objeto de obra señalado, por las razones siguientes:

1. Infraestructura existente: terraplén en regular estado que da acceso hasta el área propuesta. También se encontraban los postes para el tendido eléctrico, con cercanía al área de 20 m, y con posibilidad de traslado de los equipos de izaje por la existencia de una plazoleta.
2. Utilización de las obras de ingeniería militares para la cimentación y caseta del proyecto, lo cual redundaría en una disminución de sus costos y gastos.
3. Mayor elevación sobre el nivel del mar en el sitio, lo que permite un óptimo aprovechamiento de los vientos del sudeste para el funcionamiento del aerogenerador.
4. El proyecto no contempla ningún tipo de impacto ambiental en cuanto a deforestación, desbroce de suelos, emisión de gases, ruido excesivo, residuales líquidos u otros.
5. Independientemente de que este proyecto constituye un prototipo, el destino final de su funcionamiento (generación eléctrica) es su conexión al sistema eléctrico nacional, por lo que entregó energía eléctrica a parte de los pobladores de Cabo Cruz, lo que benefició su desarrollo social y económico.
6. Existían también las condiciones para la instalación de aerogeneradores de mayor capacidad (más de 100 kW) por las ventajas anteriormente señaladas y por la disponibilidad de terreno. Un aerogenerador de más de 200 kW podría suministrar toda la demanda del poblado de Cabo Cruz. En la figura 5 se puede observar una vista de la instalación.

Pasos finales

El ensamblaje final de la góndola se realizó en la EMBA con la participación de especialistas de dicha empresa y del CETER. Todas las partes se trasladaron al sitio de instalación incluyendo la torre, que se trasladó en sus dos partes componentes.
En la instalación y conexión a la red eléctrica participaron varias empresas de la provincia de Granma, constructoras y eléctricas.

La cimentación estuvo a cargo de la Empresa Constructora de Granma, sobre la base del diseño de dicha cimentación transferido por el Folkecenter y adaptado a las condiciones del suelo del sitio donde se iba a instalar por especialistas cubanos.

 
Fig. 5. Aerogenerador
instalado en 1999 cerca
del poblado de Cabo Cruz.

En esa etapa participó la empresa GEOCUBA. Una grúa se trasladó desde Bayamo hasta Cabo Cruz. Los trabajos relacionados con la construcción de los cimientos y los preparativos para la conexión a la red transcurrieron en los días previos a la instalación y puesta en marcha, que se efectuó en un día.


A modo de conclusiones

Tal como se señaló anteriormente, el aerogenerador Tornado T7-10kW fue puesto en funcionamiento exitosamente el 14 de marzo de 1999 y su fabricación demostró que con una adecuada transferencia de tecnología la industria cubana puede construir aerogeneradores según las características de los que actualmente se fabrican con mayores capacidades. Este aerogenerador tiene la propiedad de poseer todos los elementos que tienen esos mismos equipos, pero con potencias mucho mayores (varios centenares de kilowatt). Lo más importante es que tanto los fabricantes como los técnicos, ingenieros e investigadores que participaron en el proyecto son cubanos que ganaron la primera experiencia en este tipo de construcción, lo que permitirá escalar hacia potencias mayores y enfrentar los retos actuales.

* Doctor en Ciencias Técnicas. Vicepresidente de la Asociación Mundial de Energía Eólica (WWEA). Profesor Titular del Centro de Estudio de Tecnologías Energéticas Renovables (CETER), La Habana, Cuba.
e-mail: conrado@ceter.cujae.edu.cu