Historia de la energía eólica

La energía eólica se ha utilizado desde que los humanos han puesto velas en el viento. Durante más de dos milenios, las máquinas eólicas han molido cereales y bombeado agua. La energía eólica estaba ampliamente disponible y no se limitaba a las orillas de los arroyos de flujo rápido, o más tarde, que requería fuentes de combustible. Las bombas eólicas drenaron los pólderes de los Países Bajos, y en regiones áridas como el medio oeste de Estados Unidos o el interior de Australia, las bombas eólicas proporcionaron agua para el ganado y las máquinas de vapor.

Con el desarrollo de la energía eléctrica, la energía eólica encontró nuevas aplicaciones en la iluminación de edificios alejados de la energía generada centralmente. A lo largo del siglo XX, caminos paralelos desarrollaron pequeñas plantas eólicas adecuadas para granjas o residencias, y generadores eólicos a gran escala que podían conectarse a redes eléctricas para el uso remoto de la energía. Hoy en día, los generadores de energía eólica operan en todos los rangos de tamaño, desde pequeñas plantas para cargar baterías en residencias aisladas, hasta parques eólicos marinos de casi un gigavatio que proporcionan electricidad a las redes eléctricas nacionales.

En 2014, más de 240 000 aerogeneradores de tamaño comercial estaban en funcionamiento en el mundo, produciendo el 4 % de la electricidad mundial.

Antigüedad

Los veleros y los veleros han utilizado la energía eólica durante al menos 5500 años, y los arquitectos han utilizado la ventilación natural impulsada por el viento en los edificios desde la misma antigüedad. El uso del viento para proporcionar energía mecánica llegó algo más tarde en la antigüedad.

El emperador babilónico Hammurabi planeó utilizar la energía eólica para su ambicioso proyecto de irrigación en el siglo XVII a.

Hero of Alexandria (Heron) en el Egipto romano del siglo I describió lo que parece ser una rueda impulsada por el viento para impulsar una máquina. Su descripción de un órgano impulsado por viento no es un molino de viento práctico, sino que fue uno de los primeros juguetes impulsados ​​por viento o un concepto de diseño para una máquina impulsada por viento que puede o no haber sido un dispositivo de trabajo, ya que existe ambigüedad en el texto y problemas con el diseño. Otro ejemplo temprano de una rueda impulsada por el viento fue la rueda de oración, que se cree que se utilizó por primera vez en el Tíbet y China, aunque existe incertidumbre sobre la fecha de su primera aparición, que podría haber sido alrededor del año 400, el siglo VII., o más tarde.

Alta Edad Media

Las máquinas impulsadas por viento utilizadas para moler granos y bombear agua, el molino de viento y la bomba de viento, se desarrollaron en lo que ahora son Irán, Afganistán y Pakistán en el siglo IX. Los primeros molinos de viento prácticos estaban en uso en Sistán, una región de Irán que limita con Afganistán, al menos en el siglo IX y posiblemente ya a mediados o finales del siglo VII. Estos molinos de viento Panemone eran molinos de viento horizontales, que tenían ejes de transmisión verticales largos con seis a doce velas rectangulares cubiertas con esteras de caña o tela. Estos molinos de viento se utilizaron para bombear agua y en las industrias de molienda y caña de azúcar. El uso de molinos de viento se generalizó en Oriente Medio y Asia Central, y luego se extendió a China e India.Más tarde, los molinos de viento verticales se utilizaron ampliamente en el noroeste de Europa para moler harina a partir de la década de 1180, y todavía existen muchos ejemplos. Para el año 1000 d. C., los molinos de viento se usaban para bombear agua de mar para la producción de sal en China y Sicilia.

Los autómatas impulsados ​​por el viento se conocen desde mediados del siglo VIII: estatuas impulsadas por el viento que "giraban con el viento sobre las cúpulas de las cuatro puertas y el complejo del palacio de la Ciudad Redonda de Bagdad". La "Cúpula Verde" del palacio estaba coronada por la estatua de un jinete que llevaba una lanza que se creía que apuntaba hacia el enemigo. Este espectáculo público de estatuas impulsadas por el viento tenía su contrapartida privada en los palacios abasíes, donde se utilizaban autómatas de varios tipos. predominantemente exhibido".

Baja Edad Media

Los primeros molinos de viento de Europa aparecen en fuentes que datan del siglo XII. Estos primeros molinos de viento europeos eran molinos de postes hundidos. La referencia segura más antigua a un molino de viento data de 1185, en Weedley, Yorkshire, aunque también se han aducido varias fuentes europeas del siglo XII anteriores pero menos seguras que se refieren a molinos de viento.Si bien a veces se argumenta que los cruzados pueden haberse inspirado en los molinos de viento en el Medio Oriente, esto es poco probable ya que los molinos de viento verticales europeos tenían un diseño significativamente diferente al de los molinos de viento horizontales de Afganistán. Lynn White Jr., especialista en tecnología europea medieval, afirma que el molino de viento europeo fue un "invento independiente"; argumenta que es poco probable que el molino de viento horizontal al estilo de Afganistán se haya extendido tan al oeste como el Levante durante el período de las Cruzadas. En la Inglaterra medieval, los derechos a los sitios de energía hidráulica a menudo se limitaban a la nobleza y el clero, por lo que la energía eólica era un recurso importante para una nueva clase media. Además, los molinos de viento, a diferencia de los molinos de agua, no quedaban inutilizados por la congelación del agua en el invierno.

En el siglo XIV, se usaban molinos de viento holandeses para drenar áreas del delta del río Rin.

Siglo 18

Los molinos de viento se utilizaron para bombear agua para la producción de sal en la isla de las Bermudas y en Cape Cod durante la revolución estadounidense. En Mykonos y en otras islas de Grecia, los molinos de viento se usaban para moler harina y se mantuvieron en uso hasta principios del siglo XX. Muchos de ellos están ahora reformados para ser habitados.

Siglo 19

La primera turbina eólica utilizada para la producción de electricidad fue construida en Escocia en julio de 1887 por el profesor James Blyth del Anderson's College de Glasgow (precursor de la Universidad de Strathclyde). El aerogenerador de vela de tela de 10 m de altura de Blyth se instaló en el jardín de su casa de vacaciones en Marykirk en Kincardineshire y se utilizó para cargar acumuladores desarrollados por el francés Camille Alphonse Faure, para alimentar la iluminación de la casa, convirtiéndose así en el primer casa en el mundo para tener su electricidad suministrada por energía eólica. Blyth ofreció el excedente de electricidad a la gente de Marykirk para iluminar la calle principal, sin embargo, rechazaron la oferta porque pensaron que la electricidad era "obra del diablo".Aunque más tarde construyó una turbina eólica para suministrar energía de emergencia al asilo, enfermería y dispensario local de lunáticos de Montrose, la invención nunca tuvo éxito ya que la tecnología no se consideró económicamente viable.

Al otro lado del Atlántico, en Cleveland, Ohio, una máquina más grande y de gran ingeniería fue diseñada y construida entre 1887 y 1888 por Charles F. Brush, construida por su empresa de ingeniería en su casa y operada desde 1888 hasta 1900. La turbina eólica Brush tenía un rotor de 17 m (56 pies) de diámetro y estaba montado en una torre de 18 m (60 pies). Aunque grande para los estándares actuales, la máquina solo tenía una potencia nominal de 12 kW; giraba con relativa lentitud ya que tenía 144 palas. La dínamo conectada se usó para cargar un banco de baterías o para hacer funcionar hasta 100 bombillas incandescentes, tres lámparas de arco y varios motores en el laboratorio de Brush. La máquina cayó en desuso después de 1900 cuando la electricidad estuvo disponible en las estaciones centrales de Cleveland y fue abandonada en 1908.

En 1891, el científico danés Poul la Cour construyó una turbina eólica para generar electricidad, que se utilizó para producir hidrógeno por electrólisis que se almacenaría para su uso en experimentos y para iluminar la escuela secundaria popular de Askov. Más tarde resolvió el problema de producir un suministro constante de energía inventando un regulador, el Kratostate, y en 1895 convirtió su molino de viento en un prototipo de planta de energía eléctrica que se utilizó para iluminar el pueblo de Askov.

En Dinamarca había alrededor de 2.500 molinos de viento en 1900, utilizados para cargas mecánicas como bombas y molinos, que producían una potencia máxima combinada estimada de alrededor de 30 MW.

En el medio oeste de Estados Unidos, entre 1850 y 1900, se instaló una gran cantidad de pequeños molinos de viento, quizás seis millones, en granjas para operar bombas de riego. Empresas como Star, Eclipse, Fairbanks-Morse y Aeromotor se convirtieron en proveedores famosos en América del Norte y del Sur.

Siglo 20

El desarrollo en el siglo XX podría dividirse útilmente en los períodos:

• 1900–1973, cuando el uso generalizado de generadores eólicos individuales compitió con las plantas de combustibles fósiles y la electricidad generada centralmente
• 1973 en adelante, cuando la crisis del precio del petróleo impulsó la investigación de fuentes de energía no petroleras.

1900-1973

Desarrollo danés

En Dinamarca, la energía eólica fue una parte importante de la electrificación descentralizada en el primer cuarto del siglo XX, en parte debido a Poul la Cour desde su primer desarrollo práctico en 1891 en Askov. Para 1908 había 72 generadores eléctricos impulsados ​​por viento de 5 kW a 25 kW. Las máquinas más grandes estaban en torres de 24 m (79 pies) con rotores de cuatro palas de 23 m (75 pies) de diámetro. En 1957, Johannes Juul instaló una turbina eólica de 24 m de diámetro en Gedser, que estuvo en funcionamiento desde 1957 hasta 1967. Se trataba de una turbina de tres palas, de eje horizontal, contra el viento y regulada en pérdida, similar a las que ahora se utilizan para el desarrollo comercial de energía eólica.

Energía agrícola y plantas aisladas

En 1927, los hermanos Joe Jacobs y Marcellus Jacobs abrieron una fábrica, Jacobs Wind en Minneapolis, para producir aerogeneradores para uso agrícola. Por lo general, se usarían para iluminación o carga de baterías, en granjas fuera del alcance de las líneas de distribución y electricidad de la estación central. En 30 años, la empresa produjo unas 30.000 pequeñas turbinas eólicas, algunas de las cuales funcionaron durante muchos años en lugares remotos de África y en la expedición de Richard Evelyn Byrd a la Antártida. Muchos otros fabricantes produjeron pequeños conjuntos de turbinas eólicas para el mismo mercado, incluidas empresas llamadas Wincharger, Miller Airlite, Universal Aeroelectric, Paris-Dunn, Airline y Winpower.

En 1931 se inventó el aerogenerador Darrieus, con su eje vertical proporcionando una combinación diferente de compensaciones de diseño de los aerogeneradores convencionales de eje horizontal. La orientación vertical acepta el viento de cualquier dirección sin necesidad de ajustes, y el generador pesado y el equipo de caja de cambios pueden descansar sobre el suelo en lugar de sobre una torre.

En la década de 1930, los molinos de viento se usaban ampliamente para generar electricidad en las granjas de los Estados Unidos donde aún no se habían instalado los sistemas de distribución. Utilizadas para reponer los bancos de almacenamiento de baterías, estas máquinas normalmente tenían capacidades de generación de unos pocos cientos de vatios a varios kilovatios. Además de proporcionar energía agrícola, también se utilizaron para aplicaciones aisladas, como la electrificación de estructuras de puentes para evitar la corrosión. En este período, el acero de alta resistencia era barato y los molinos de viento se colocaban encima de torres de celosía de acero abiertas prefabricadas.

El generador eólico pequeño más utilizado producido para granjas estadounidenses en la década de 1930 fue una máquina de eje horizontal de dos palas fabricada por Wincharger Corporation. Tenía una potencia máxima de 200 vatios. La velocidad de la hoja estaba regulada por frenos de aire curvos cerca del cubo que se desplegaban a velocidades de rotación excesivas. Estas máquinas todavía se fabricaban en los Estados Unidos durante la década de 1980. En 1936, EE. UU. inició un proyecto de electrificación rural que eliminó el mercado natural de la energía eólica, ya que la red de distribución de energía proporcionaba energía utilizable más confiable a una granja por una determinada cantidad de inversión de capital.

En Australia, Dunlite Corporation construyó cientos de pequeños generadores eólicos para proporcionar energía en granjas y estaciones de servicio postal aisladas. Estas máquinas se fabricaron desde 1936 hasta 1970.

Turbinas a gran escala

Un precursor de los modernos generadores eólicos de eje horizontal a escala comercial fue el WIME D-30 que estuvo en servicio en Balaklava, cerca de Yalta, URSS desde 1931 hasta 1942. Se trataba de un generador de 100 kW en una torre de 30 m (100 pies), conectado a el sistema de distribución local de 6,3 kV. Tenía un rotor de tres palas de 30 metros sobre una torre de celosía de acero. Se informó que tenía un factor de carga anual del 32 por ciento, no muy diferente de las máquinas eólicas actuales.

En 1941, se conectó la primera turbina eólica del mundo del tamaño de un megavatio al sistema de distribución eléctrica local en la montaña conocida como Grandpa's Knob en Castleton, Vermont, Estados Unidos. Fue diseñado por Palmer Cosslett Putnam y fabricado por S. Morgan Smith Company. Esta turbina Smith-Putnam de 1,25 MW funcionó durante 1100 horas antes de que una pala fallara en un punto débil conocido, que no había sido reforzado debido a la escasez de materiales durante la guerra. Ninguna unidad de tamaño similar repetiría este "experimento audaz" durante unos cuarenta años.

Turbinas de ahorro de combustible

Durante la Segunda Guerra Mundial, se utilizaron pequeños generadores de viento en los submarinos alemanes para recargar las baterías de los submarinos como medida de conservación de combustible. En 1946, el faro y las residencias de la isla de Neuwerk fueron accionados en parte por un aerogenerador de 18 kW y 15 metros de diámetro, para economizar gasóleo. Esta instalación funcionó durante unos 20 años antes de ser reemplazada por un cable submarino al continente.

La Station d'Etude de l'Energie du Vent en Nogent-le-Roi en Francia operó una turbina eólica experimental de 800 KVA desde 1956 hasta 1966.

1973-2000

Desarrollo de estados unidos

Desde 1974 hasta mediados de la década de 1980, el gobierno de los Estados Unidos trabajó con la industria para hacer avanzar la tecnología y habilitar grandes turbinas eólicas comerciales. Las turbinas eólicas de la NASA se desarrollaron en el marco de un programa para crear una industria de turbinas eólicas a gran escala en los EE. operación, en cuatro diseños principales de aerogeneradores. Este programa de investigación y desarrollo fue pionero en muchas de las tecnologías de turbinas de varios megavatios que se utilizan hoy en día, entre ellas: torres de tubos de acero, generadores de velocidad variable, materiales compuestos de álabes, control de inclinación de tramo parcial, así como diseño de ingeniería aerodinámica, estructural y acústica. capacidades. Las grandes turbinas eólicas desarrolladas bajo este esfuerzo establecieron varios récords mundiales de diámetro y potencia de salida. El grupo de turbinas eólicas MOD-2 de tres turbinas produjo 7,5 megavatios de potencia en 1981. En 1987, la MOD-5B fue la turbina eólica individual más grande en funcionamiento en el mundo con un diámetro de rotor de casi 100 metros y una potencia nominal de 3,2 megavatios.. Demostró una disponibilidad del 95 por ciento, un nivel sin precedentes para una nueva turbina eólica de primera unidad. El MOD-5B tenía el primer tren de transmisión de velocidad variable a gran escala y un rotor de dos palas seccionado que permitía un fácil transporte de las palas. El WTS-4 de 4 megavatios mantuvo el récord mundial de potencia de salida durante más de 20 años. Aunque las últimas unidades se vendieron comercialmente, ninguna de estas máquinas de dos palas se puso en producción en masa.muchos fabricantes de turbinas, tanto grandes como pequeños, abandonaron el negocio. Las ventas comerciales del NASA/Boeing Mod-5B, por ejemplo, llegaron a su fin en 1987 cuando Boeing Engineering and Construction anunció que estaban "planeando abandonar el mercado porque los bajos precios del petróleo hacen que los molinos de viento para la generación de electricidad no sean rentables".

Más tarde, en la década de 1980, California proporcionó devoluciones de impuestos para la energía eólica. Estos reembolsos financiaron el primer uso importante de energía eólica para servicios públicos de electricidad. Estas máquinas, reunidas en grandes parques eólicos como Altamont Pass, se considerarían pequeñas y antieconómicas según los estándares modernos de desarrollo de la energía eólica.

Desarrollo danés

En 1978 se produjo un cambio gigantesco cuando se construyó la primera turbina eólica de varios megavatios del mundo. Fue pionera en muchas tecnologías utilizadas en las turbinas eólicas modernas y permitió a Vestas, Siemens y otros obtener las piezas que necesitaban. Especialmente importante fue la novedosa construcción del ala con la ayuda de especialistas aeronáuticos alemanes. La planta de energía era capaz de entregar 2MW, tenía una torre tubular, alas de paso controlado y tres palas. Fue construido por los profesores y alumnos de la escuela Tvind. Antes de su finalización, estos "aficionados" fueron muy ridiculizados. La turbina todavía funciona hoy y se ve casi idéntica a los molinos más nuevos y modernos.

El desarrollo de la energía eólica comercial danesa hizo hincapié en las mejoras incrementales en la capacidad y la eficiencia basadas en la producción en serie extensiva de turbinas, en contraste con los modelos de desarrollo que requieren pasos extensos en el tamaño de la unidad basados ​​principalmente en la extrapolación teórica. Una consecuencia práctica es que todas las turbinas eólicas comerciales se asemejan al modelo danés, un diseño ligero de tres palas contra el viento.

Todas las principales turbinas de eje horizontal hoy en día giran de la misma manera (en el sentido de las agujas del reloj) para presentar una vista coherente. Sin embargo, las primeras turbinas giraban en sentido antihorario como los antiguos molinos de viento, pero a partir de 1978 se produjo un cambio. El proveedor de palas de mentalidad individualista Økær tomó la decisión de cambiar de dirección para distinguirse del colectivo Tvind y sus pequeños aerogeneradores. Algunos de los clientes de palas eran empresas que luego se convirtieron en Vestas, Siemens, Enercon y Nordex. La demanda pública requería que todas las turbinas giraran de la misma manera, y el éxito de estas empresas hizo que el sentido de las agujas del reloj fuera el nuevo estándar.

Autosuficiencia y regreso a la tierra

En la década de 1970, muchas personas comenzaron a desear un estilo de vida autosuficiente. Las células solares eran demasiado caras para la generación eléctrica a pequeña escala, por lo que algunos recurrieron a los molinos de viento. Al principio construyeron diseños ad hoc usando madera y partes de automóviles. La mayoría de la gente descubrió que un generador eólico fiable es un proyecto de ingeniería moderadamente complejo, mucho más allá de la capacidad de la mayoría de los aficionados. Algunos comenzaron a buscar y reconstruir generadores eólicos agrícolas a partir de la década de 1930, de los cuales las máquinas de Jacobs Wind Electric Company eran especialmente buscadas. Cientos de máquinas Jacobs fueron reacondicionadas y vendidas durante la década de 1970.

Tras la experiencia con turbinas eólicas reacondicionadas de la década de 1930, una nueva generación de fabricantes estadounidenses comenzó a construir y vender pequeñas turbinas eólicas no solo para cargar baterías sino también para interconectarlas a las redes eléctricas. Un ejemplo temprano sería Enertech Corporation de Norwich, Vermont, que comenzó a fabricar modelos de 1,8 kW a principios de la década de 1980.

En la década de 1990, a medida que la estética y la durabilidad se volvieron más importantes, las turbinas se colocaron sobre torres tubulares de acero o de hormigón armado. Los pequeños generadores se conectan a la torre en el suelo, luego la torre se eleva a su posición. Los generadores más grandes se elevan a su posición en la parte superior de la torre y hay una escalera o escalera dentro de la torre para permitir que los técnicos alcancen y mantengan el generador, mientras están protegidos del clima.

Siglo 21

Cuando comenzó el siglo XXI, los combustibles fósiles aún eran relativamente baratos, pero las crecientes preocupaciones sobre la seguridad energética, el calentamiento global y el agotamiento final de los combustibles fósiles llevaron a una expansión del interés en todas las formas disponibles de energía renovable. La incipiente industria de la energía eólica comercial comenzó a expandirse a una sólida tasa de crecimiento de alrededor del 25% anual, impulsada por la disponibilidad inmediata de grandes recursos eólicos y la caída de los costos debido a la mejora de la tecnología y la gestión de los parques eólicos.

El aumento constante de los precios del petróleo después de 2003 generó temores crecientes de que el pico del petróleo era inminente, aumentando aún más el interés en la energía eólica comercial. Aunque la energía eólica genera electricidad en lugar de combustibles líquidos y, por lo tanto, no es un sustituto inmediato del petróleo en la mayoría de las aplicaciones (especialmente el transporte), los temores por la escasez de petróleo solo se sumaron a la urgencia de expandir la energía eólica. Las crisis petroleras anteriores ya habían provocado que muchos usuarios industriales y de servicios públicos del petróleo cambiaran al carbón o al gas natural. La energía eólica mostró potencial para reemplazar el gas natural en la generación de electricidad sobre una base de costos.

Las innovaciones tecnológicas continúan impulsando nuevos desarrollos en la aplicación de la energía eólica. Para 2015, la turbina eólica más grande era Vestas V164 de 8MW de capacidad para uso en alta mar. En 2014, más de 240 000 aerogeneradores de tamaño comercial estaban en funcionamiento en el mundo, produciendo el 4 % de la electricidad mundial. La capacidad instalada total superó los 336 GW en 2014 con China, EE. UU., Alemania, España e Italia a la cabeza en instalaciones.

Tecnología de aerogeneradores flotantes

La energía eólica marina comenzó a expandirse más allá de las turbinas de aguas poco profundas de fondo fijo a fines de la primera década de la década de 2000. La primera turbina eólica flotante de gran capacidad en aguas profundas operativa del mundo, Hywind, entró en funcionamiento en el Mar del Norte frente a Noruega a fines de 2009 a un costo de unos 400 millones de coronas (alrededor de US $ 62 millones) para construir e implementar.

Estas turbinas flotantes son una tecnología de construcción muy diferente, más cercana a las plataformas petrolíferas flotantes, que los cimientos de monopilotes tradicionales de fondo fijo y aguas poco profundas que se utilizan en los otros grandes parques eólicos marinos hasta la fecha.

A fines de 2011, Japón anunció planes para construir un parque eólico flotante de unidades múltiples, con seis turbinas de 2 megavatios, frente a la costa de Fukushima, en el noreste de Japón, donde el tsunami y el desastre nuclear de 2011 crearon una escasez de energía eléctrica. La fase de evaluación inicial debía completarse en 2016, "Japón planea construir hasta 80 turbinas eólicas flotantes frente a Fukushima para 2020" a un costo de entre 10 y 20 mil millones de yenes. Sin embargo, el gobierno japonés gastó finalmente aproximadamente 60 000 millones de yenes en proyectos eólicos de prueba en Fukushima entre noviembre de 2013 y diciembre de 2020, cuando se decidió que una combinación de problemas técnicos y falta de comercialidad justificaba el cierre y desmantelamiento de las estructuras a partir de abril de 2021.

Turbinas aerotransportadas

Los sistemas aerotransportados de energía eólica utilizan superficies aerodinámicas o turbinas sostenidas en el aire por flotabilidad o sustentación aerodinámica. El propósito es eliminar el gasto de la construcción de torres y permitir la extracción de energía eólica de vientos más constantes y más rápidos en la atmósfera. Hasta el momento no se han construido plantas a escala de red. Se han demostrado muchos conceptos de diseño.