Evolución de la Energía Eólica
INTRODUCCIÓN HISTÓRICA
En la evolución histórica de los molinos de viento se puede diferenciar cuatro etapas definidas por acontecimientos históricos o técnicos.
– La primera etapa comprende desde las primeras máquinas conocidas hasta el siglo XIV o XV y se caracteriza por una lenta evolución técnica.
– La segunda etapa empieza en el Renacimiento y termina en plena Revolución industrial. En esa etapa, hay un gran interés por la maquinas eólicas. Se produce una rápida evolución técnica y ello permite al hombre introducir importantes mejoras en los molinos. Se desarrollan los sistemas de orientación, se mera el diseño de las palas, etc…
– La tercera etapa comprende desde la mitad del siglo XIX hasta mediados del siglo actual. Durante esa época se desarrolla la teoría aerodinámica junto y se efectúan otros descubrimientos de carácter técnico. Los molinos de viento sufren una transformación completa en su diseño.
– La cuarta y última etapa empieza con la crisis energética de 1973 y llega hasta la actualidad. No se aprecian grandes modificaciones en el diseño pero se produce una evolución tecnológica, se elaboran métodos de calculo más rigurosos, se utilizan nuevos materiales más ligeros y más resistentes, aparecen los sistemas electrónicos de regulación y control, etc…
PRIMERA ETAPA: La primera era de la energía eólica.
El documento histórico más antiguo que se conoce acerca del aprovechamiento de la energía eólica son unos grabados egipcios que tratan de la navegación a vela del cuarto o quinto milenio antes de Cristo.
La primera referencia histórica sobre una posible aplicación de la energía eólica que no fuera la navegación, data del año 1700 a.C., siendo los babilonios los pioneros en utilizar molinos de viento para bombear agua con el fin de regar sus campos.
El primer molino de viento de aplicaciones utilitarias que se conoce con cierto detalle es el molino persa de eje vertical que se utilizó posiblemente varios siglos antes de nuestra era. Este molino se empleaba para moler grano y fue de uso corriente en el Sijistán, zona situada en la antigua Persia en lo que hoy en día es Irán y Afganistán, donde se dice que soplaba un viento muy constante llamado de los 120 días. Se cree que la aparición de este molino tiene alguna relación con la rueda hidráulica aparecida anteriormente.
El molino persa (Fig. I-1) estaba formado por una torre de mampostería provista de una pared frontal que permitía dirigir el viento sobre las palas. El rotor estaba formado por unas ocho palas de madera que se unían en el eje central, comunicando el movimiento a las muelas situadas en la base.
Los molinos de eje horizontal debieron surgir por primera vez en la antigua Persia, probablemente con anterioridad a la época islámica. Su invención debió responder a la necesidad de adaptar las máquinas eólicas de eje vertical al bombeo de agua.
La disposición del rotor, en los sistemas de eje horizontal, es más adecuada para mover una noria sin tener que variar la dirección de la fuerza motora mediante un engranaje, que sin duda supondría una complicación técnica para la época.
En los primeros molinos de eje horizontal (Fig. I-2), el rotor estaba formado por unas velas que guardaban cierta similitud con las que se utilizaban en la navegación. El eje sobre el que se unían las seis u ocho palas, movía una rueda a la que se acoplaba la noria. El conjunto apoyaba en un trípode de madera que se situaba sobre la boca del pozo.
A partir del siglo XI-XII la evolución de los molinos de viento se desarrolla a través de dos caminos aparentemente sin ninguna relación entre si. Por un lado podemos hablar de un tipo de molino que se desarrolla dentro de la civilización islámica, que ocupa todo el mediterráneo meridional (molino mediterráneo), llegando hasta la mitad sur de la Península Ibérica (molino ibérico). Por otro lado, en la zona norte de Francia, Inglaterra y Países Bajos aparecen unos molinos de vientos de diferente construcción (molino europeo).
Se cree que la aparición de esos molinos de viento pudo haber llegado a través de los cruzados que volvían de Palestina, o bien, haber surgido de forma espontanea.
Los molinos mediterráneos
El molino mediterráneo se utilizó para bombear agua y para moler grano en toda la extensión del imperio musulmán.
El modelo más sencillo era el que se utilizaba para sacar agua de los pozos. Las aspas de estos molinos se fabricaban atando telas a los palos del rotor, de forma similar a los molinos persas de eje horizontal, de los que sin duda proceden. El rotor, se apoyaba sobre un trípode de madera, desde donde se movía la noria o una rueda con cangilones que permitía sacar el agua. La velocidad de giro podía regularse por el procedimiento de soltar o recoger las velas.
Los primeros molinos de grano eran máquinas con un rotor fijo, sin posibilidad de orientarse en la dirección del viento (Fig. I-3).
Con el tiempo estos molinos se perfeccionaron hasta convertirse en los molinos de tipo torre. La torre, construida en mampostería, estaba coronada por una cúpula orientable donde se alojaban el eje, los engranajes y demás mecanismos que transmitían el movimiento a las muelas situadas más abajo. Las operaciones de orientación se realizaban con la ayuda de una palanca.
Los molinos ibéricos
En todos los molinos del sur de la Península Ibérica se conservan las características esenciales del molino mediterráneo, en lo que se refiere a su sistema de aspas de vela y a la torre, sin embargo, en cuanto al número y disposición de las velas y a los detalles arquitectónicos de la torre, existen grandes diferencias, no solo con los modelos mediterráneos, sino también entre los modelos ibéricos situados en regiones próximas.
– En la baja Andalucía, se utilizó un tipo de molino con un rotor de ocho velas, montadas sobre un eje de dos etapas de cuatro velas cada una. Actualmente existe un molino de este tipo en Puebla de Guzmán (Huelva).
– En la zona de Murcia y Cartagena, se utilizaron unos molinos (Fig. I-4 y I-5) muy similares a los andaluces pero adaptados para bombear agua. El movimiento del eje descendía a lo largo de la torre mediante engranajes y acababa impulsando una noria, que elevaba el agua mediante cangilones a un estanque donde se almacenaba.
En los reinos cristianos de la Península Ibérica, los molinos de vientos aparecieron con posterioridad a los reinos musulmanes, posiblemente en los siglos XIII y XIV. El molino manchego y el mallorquín constituyeron un nexo de unión entre las dos culturas.
El típico molino manchego y mallorquín tienen sus raíces en el molino mediterráneo, especialmente en lo que se refiere a la ejecución de la torre pero la forma de construir las palas se parece más a los molinos del norte de Europa.
– El molino mallorquín (Fig. I-6) generalmente iba situado sobre la casa del molinero. El rotor llevaba seis palas que se parecían a las de los molinos europeos, es decir, las palas estaban fabricadas con entramado de madera y recubiertas con tela. Las palas disponían de unos tirantes que proporcionaban una mayor rigidez al conjunto.
– El molino manchego (Fig. I-7) estaba formado, como los andaluces, de una torre de mampostería construida a base de piedra y adobe. La torre del molino manchego era menos esbelta que la del molino mallorquín. Sobre la torre iba situada una techumbre cónica en cuyo interior se alojaban los ejes y engranajes de transmisión. El rotor se componía de cuatro palas hechas mediante un entramado de madera e iban recubiertas tela. En zonas como Campo de Criptana, Mota del Cuervo o Consuegra, se conservan o se han reconstruido muchos molinos de la época.
Los molinos europeos
En Europa, el molino de viento aparece a mediados del siglo XII. El primer molino europeo del que se tiene pruebas documentales fue construido en Francia en 1180, y a partir de esa fecha se extendieron rápidamente.
Existen dos hipótesis acerca de la aparición de estos molinos. Por un lado, se cree que podría estar relacionada con las cruzadas y la coincidencia cronológica es el principal argumento en que se apoya esa hipótesis. La primera cruzada tuvo lugar en el año 1095, la segunda en 1147 y la tercera a finales de ese mismo siglo. Por otro lado, también es posible que los molinos de viento surgieran de forma espontánea ya que Europa disponía en aquella época de la suficiente capacidad técnica como para haber desarrollado un molino de viento a partir de mejoras realizadas en molinos hidráulicos.
En un principio, los molinos del norte de Europa solían tener un rotor de cuatro aspas realizadas mediante un entramado de madera que iba recubierto de telas o tablas. Las palas se unían en el eje principal y transmitían el empuje del viento a las muelas a través de un engranaje. El eje principal y los engranajes iban colocados en un recinto que se apoyaba sobre un pivote (Fig. I-8). La orientación de dicho recinto en la dirección del viento se realizaba con la ayuda de una palanca, girando sobre el pivote que generalmente se hincaba en tierra o se hundía dentro de un apilamiento de piedras.
En poco tiempo, el sistema de pivote evolucionó hacia un trípode (Fig. I-9), lo cual proporcionó al molino una mayor facilidad a la hora de su orientación.
A este tipo de molino de pivote o de trípode responden la mayoría de los molinos del norte de Europa entre los siglos XIII y XVI.
A pesar de que la utilización de los molinos de viento llegó a generalizarse en toda Europa, durante este periodo, la evolución tecnológica fue muy lenta. Hubo que esperar hasta el siglo XV para que los molinos de trípode, o los de tipo torre mejorasen realmente y pudieran llegar a convertirse en una de las más importantes fuentes de energía.
SEGUNDA ETAPA: Mejoras en el aprovechamiento de los molinos.
A partir del siglo XV se extienden por Europa dos tipos de molinos estructuralmente bien diferenciados, y que se desarrollan hasta mediados del siglo XIX. Son los molinos de trípode y los de torre.Los molinos de trípode habían sustituido a los de pivote consiguiendo una sustancial mejora en el sistema de apoyo, lo que hizo posible la construcción de máquinas de mayor tamaño.
La creación del poste hueco permitió a los molinos de trípode continuar su desarrollo paralelamente a los de tipo torre, adaptándose a las necesidades crecientes de la época.
Con el tiempo, el trípode acabaría recubriéndose para ser utilizado como almacén, o como vivienda del molinero (Fig. I-10).
Los primeros molinos torre europeos aparecen en la zona de Bretaña (Francia) a principio del siglo XV, extendiéndose su uso rápidamente hacia Inglaterra y los Países Bajos. Las torres se hacen de ladrillo o piedra y adaptan una sección circular u octogonal.
A partir del siglo XVII el molino de viento se emplea a gran escala para el bombeo de agua.
El siglo XVIII es un siglo de innovaciones tecnológicas, los molinos de viento europeos alcanzan un alto nivel de perfeccionamiento. Aparecen por primera vez los sistemas mecánicos de orientación y regulación, y también se empieza a sustituir las piezas de madera por elementos metálicos que permitieron obtener de los molinos de vientos actuaciones cada vez más eficaces.
Durante el siglo XVIII se empezaron a publicar los primeros tratados teóricos sobre molinos de viento, se trataba de estudios en profundidad sobre el comportamiento aerodinámico de los rotores, sobre los sistemas de regulación automática o de orientación.
Algunas de las primeras obras que llegaron a convertirse en clásicos de la literatura eólica fueron Theatrum Machinarum Hydraulicorum, de Leopold Jacobs, que se publicó en 1724, Architectura Mechanica of Moole-Boek, de P. Linperch publicada en 1729 y la Architecture Hydraulique de Belidor publicada en 1759.
La obra más importante del siglo XVIII la desarrolló el inglés Smeaton, con sus trabajos On the construction and effects of the windmills sails y An experimental enquiry concerning the natural powers of wind and water. Con sus trabajos Smeaton fue el primero en demostrar que los rotores con un elevado número de palas no proporcionaban mayor potencia que los que solo disponían de tres o cuatro con iguales características. También fue el primero en utilizar piezas de hierro colado para la construcción de molinos de viento.
Evolución de los sistemas de orientación
Evolución de las palas
Las palas de los molinos anteriores al siglo XVI se construían con un entramado de varillas a ambos lados de un mástil principal, cubriéndose posteriormente con una tela (Fig. I-12a).
Más tarde, el mástil se colocó en el borde de ataque de la pala, de forma que soportara mejor la entrada de aire y le diera cierta torsión a la pala a lo largo de su envergadura, con el fin de mejorar su rendimiento aerodinámico (Fig. I-12b). Las palas con torsión se desarrollaron en el siglo XVII y la incorporación de los sistemas de regulación aerodinámica en el XVIII.
La pala con freno aerodinámico incorporado fue inventada por Andrew Meikle en 1772. Estas palas llevaban un flap en el extremo que actuaba mediante un resorte cuando el viento era demasiado fuerte (Fig. I-12c).
En 1807, Sir Eilliam Cubitt incorporó unas masas de acción centrifuga en el extremo del mecanismo y consiguió así, por primera vez, un sistema de regulación automática (Fig. I-12d).
Molinos De Eje Vertical
A pesar de las avances técnicos conseguidos para los molinos trípode y los de tipo torre, la orientación de estas máquinas, que cada vez eran de mayor tamaño, constituía un problema de difícil solución. Tal vez por esta razón los sistemas de eje vertical nunca llegaron a desaparecer, a pesar de ser, por su aerodinámica, menos eficaces. Las mayores aportaciones en lo que se refiere a los molinos de eje vertical se deben al francés Jacques Bressons y al obispo polonés Verancio.
Bressons, en su obra Théâtre des instruments mathématiques et mécaniques publicada en 1578, desarrollo un sistema de rotor de eje vertical (Fig. I-13) que posiblemente fue el antecesor del que desarrollaría el ingeniero finlandés Sigurd Savonius en 1924.
El obispo Verancio, publicó en 1616 una obra titulada Machinae Novae; en ella recogía gran parte de los conocimientos de su época sobre las máquinas eólicas y describía algunas turbinas desarrolladas por él (Fig. I-14).
TERCERA ETAPA: Una nueva concepción de los molinos.
En la segunda mitad del siglo XIX empieza a aparecer una nueva generación de turbinas eólicas, con una diferente concepción de diseño. Son máquinas sencillas y su ámbito de aplicación se reduce a zonas rurales más o menos aisladas, donde las ventajas de la industrialización no se han hecho notar y en general se utilizan para bombear agua de los pozos.
Las primeras bombas eólicas aparecieron en Estados Unidos en 1854, y fueron desarrolladas por Daniel Halladay. Se trataba de rotores de múltiples alabes (multipala) acoplados a una bomba de pistón (Fig. I-15).
En 1884, Steward Perry fabricó otro modelo con alabes metálicos. Ese molino, conocido como «multipala americano», era un molino mucho más ligero que sus antecesores y llegó a convertirse en el molino de viento más extendido de cuantos hayan existido. Tenía un rotor de 3 metros de diámetro, un número de palas que oscilaba entre 18 y 24 e iba montado sobre un eje horizontal en la parte superior de una torre metálica (Fig. I-16).
Fue en el año 1892, cuando el profesor Lacour, dentro de un programa de desarrollo eólico del gobierno danés, diseñó el primer prototipo de aerogenerador eléctrico. La máquina tenía cuatro palas de 25 metros de diámetro y era capaz de desarrollar entre 5 y 25 kW. Los trabajos de Lacour constituyeron los primeros pasos en el campo de los aerogeneradores modernos.
En esa misma época, E. L. Burne en Inglaterra y K. Bilau en Alemania, desarrollaron el sistema de regulación de paso variable, permitiendo así un mejor control de la potencia de las turbinas.
Descubrimientos Científicos
Hasta las primeras décadas del siglo XX no se tuvieron los conocimientos suficientes para aplicar a los rotores eólicos los perfiles aerodinámicos que se había desarrollado para la fabricación de las alas y las hélices de los aviones.
En 1924, el finlandés Sigurd Savonius invento un rotor de eje vertical capaz de trabajar con velocidades de viento muy bajas. El rotor Savonius está formado por dos semicilindros dispuestos alrededor de un eje vertical (Fig. I-17). La sencillez de su diseño hacen que esa turbina requiera poco mantenimiento y la convierte en un sistema adecuado para el bombeo de agua de riego en regiones poco industrializadas
En 1927, Prandtl y Betz de Alemania, demostraron analí-ticamente que el rendimiento de los rotores aumentaba con la velocidad de rotación y que, en cualquier caso, ningún sistema eólico podía superar el 60 por ciento de la energía contenida en el viento. Ese mismo año, el holandés A. J. Dekker construyó el primer rotor provisto de palas con sección aerodinámica. Hasta ese momento, las velocidades en punta de pala que se habían conseguido con los molinos multipala eran dos veces la del viento incidente, mientras que Dekker consiguió con sus perfiles, velocidades en punta de pala cuatro o cinco veces superiores a la velocidad del viento incidente.
Por esta misma época, en Francia, Darrieus desarrolló una turbina de eje vertical. Esta turbina tiene un rotor provisto de unas palas con curvatura, fabricadas mediante la yuxtaposición de dos alas (Fig. I-18). Este tipo de turbina se ha convertido en una de las opciones de interés dentro del campo de los modernos aerogeneradores.
Es de destacar también el primer aerogenerador de potencia superior a un megavatio, el Smith-Putnam construido en Estados Unidos en 1941 (Fig. I-19).
Este aerogenerador tenía un rotor de dos palas fabricadas en acero inoxidable, dispuestas hacia atrás y con cierta conicidad. Las palas tenían la particularidad de poder variar su conicidad para regular la toma de aire. Las oscilaciones producidas en las palas al variar casi continuamente de conicidad provocaron que en 1945 una de las palas se rompiera por fatiga.
Al final de la II Guerra Mundial, se inicia un largo periodo en el que el petróleo tiene un precio bajo, llegando esta tendencia hasta 1973, consecuencia de la cual el interés de los países en el desarrollo de la tecnología eólica desaparece completamente.
Hay que citar una excepción que supuso los cimientos de la actual tecnología. En 1952 en Dinamarca, y dentro de un programa de desarrollo eólico, se comenzó a elaborar el mapa eólico danés y en 1957 se instaló en Gedser un aerogenerador de 200 kW, con hélice tripala de 24 m de diámetro. Como consecuencia de este programa, en la actualidad Dinamarca es el líder mundial en la tecnología eólica, y sus desarrollos han servido como modelos, para los actuales diseños en construcción en distintos países.
CUARTA ETAPA: Desarrollo a partir de 1973.
En España, en 1979 el Ministerio de Industria y Energía, a través del Centro de Estudios de la Energía, puso en marcha un programa de investigación y desarrollo para el aprovechamiento de la energía eólica y su conversión en electricidad.
El primer paso fue el diseño y la fabricación de una máquina experimental de 100 Kw (Fig. I-20), para luego proyectar grandes aerogeneradores con potencias del orden del Megavatio (MW). La máquina, formada por una aeroturbina de tres palas de fibra de vidrio y poliester de 20 m de diámetro, conseguía una potencia de 100 Kw, con una velocidad de viento de 12 m/s. Para su emplazamiento se escogió la región de Tarifa por ser la que presentaba un mayor número de horas de viento al año.
En Julio de 2008 España dio un salto en lo que se refiere a la potencia e instaló en El Perello (Baix Ebre) la mayor turbina eólica española del momento, una turbina eólica de 140 metros de altura y 3 MW de potencia, fabricada por Ecotècnia.
Hoy en día (2022), la mayor turbina del mundo se encuentra en fase de pruebas en Róterdam. tiene una altura de 260 metros, sus aspas son de 107 metros y tiene una potencia de 14 MW.
REFERENCIAS
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– «El libro de las energías renovables», Francisco Jarabo Friedrich, 1988, Ed. S.A.P.T., ESPAÑA.
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– «Energía eólica, teoría, concepción y cálculo de las instalaciones», Désiré LE GOURIÉRÈS, 1983, Ed. Eyrolles ISBN: 84-311-0326-4
– «Energía Eólica», M. Castro Gil, 1997, PROGENSA ISBN: 84-86505-68-2
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– «Manual de instalaciones eléctricas», Franco Martín, 1998, A.Madrid Vicente Ediciones. ISBN: 84-89922-09-9
– «Principios de conversión de la energía eólica», varios autores, 1997, Ed CIEMAT ISBN: 84-7834-317-2
– «Wind and Solar Power Systems», Mukund R. Patel, 1999,CRC Press LLC ISBN:0-8493-1605-7
– Asociación Empresarial Eólica
– El aerogenerador más grande del mundo ya funciona: más alto que el mayor rascacielos de España