En 1975, la NASA gestionó un programa para el Departamento de Energía y el Departamento del Interior de los Estados Unidos con el fin de desarrollar turbinas eólicas a escala comercial para generar energía eléctrica, en respuesta al aumento de los precios del petróleo. [1] En el marco de este programa pionero, se desarrollaron y probaron varias de las turbinas eólicas más grandes del mundo. El programa fue un intento de ir mucho más allá del estado actual de la técnica de los generadores de turbinas eólicas y desarrolló una serie de tecnologías que luego adoptó la industria de las turbinas eólicas. Sin embargo, el desarrollo de la industria comercial se vio retrasado por una disminución significativa de los precios de la energía competitiva durante la década de 1980.
En 1974, en parte como respuesta al aumento del precio del petróleo después de la crisis petrolera de 1973 , la Administración de Investigación y Desarrollo Energético (ERDA), posteriormente parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos , designó un departamento bajo la dirección de Louis Divone para financiar la investigación de turbinas eólicas a escala de servicios públicos. La NASA , a través de su Centro de Investigación Lewis en Sandusky, Ohio (ahora el Centro de Investigación Glenn ), recibió la tarea de coordinar el desarrollo por parte de grandes contratistas como General Electric, Westinghouse, United Technologies y Boeing.
En 1975, la NASA diseñó y construyó su primer prototipo de turbina eólica, la Mod-0 de 100 kW en Sandusky (Ohio), con financiación de la National Science Foundation y la ERDA. La Mod-0 se basó en la ligera turbina de investigación de dos palas del austríaco Ulrich Hütter . [2] La turbina eólica de dos palas con ejes de rotor flexibles o oscilantes caracterizó el programa dirigido por la NASA. La NASA y sus contratistas descubrieron que dos palas pueden producir energía esencialmente equivalente a tres palas, pero con un ahorro del coste y el peso de una pala. Los rotores de dos palas giran más rápido que los rotores equivalentes de tres palas, lo que reduce la relación en la caja de cambios. La flexibilidad en el rotor minimiza la transferencia de cargas de flexión al tren de transmisión; ninguna de las turbinas eólicas de la NASA experimentó fallos en la caja de cambios que suelen ser un problema para los sistemas de rotor rígido que se utilizan hoy en día.
El programa de la NASA organizó conferencias técnicas e invitó a socios internacionales. La NASA incluso ayudó a renovar y operar la turbina eólica danesa de tres palas Gedser entre 1977 y 1979, de modo que su funcionamiento y características pudieran estudiarse como modelo para unidades más grandes. Esta unidad de 1957 diseñada por Johannes Juul generó 200 kW durante 11 años y utilizó un rotor de tres palas en dirección contraria al viento con una torre de celosía y palas sostenidas parcialmente por cables tensores internos. El esfuerzo produjo datos de investigación sobre sus características aerodinámicas, eléctricas y mecánicas. Un resultado importante de este esfuerzo fue el desarrollo de un modelo de diseño de ingeniería utilizado por la industria para el control pasivo de la potencia. [3]
Las unidades de turbinas eólicas de mayor tamaño logran economías de escala . Las investigaciones y prototipos de la NASA demostraron que existían considerables desafíos de escala en cuanto a resistencia estructural, fatiga, control de velocidad y aerodinámica. En la década de 1980, la mayoría de las turbinas eólicas eran unidades pequeñas de hasta 25 kW de potencia nominal. Los estudios realizados por los contratistas de la NASA sugirieron que se necesitarían unidades mucho más grandes, del orden de 1 MW o más, para la producción económica de electricidad por parte de las empresas de servicios públicos. [4] Aunque los conjuntos de palas de hélice de mayor diámetro que se utilizaban entonces eran para helicópteros, que tenían una envergadura de solo 46 pies, se proyectó que sería factible construir conjuntos de palas grandes, que cubrieran de 200 a 300 pies de diámetro, y producirían el menor costo de energía. [4] [5]
El primer diseño fue el MOD-0, construido cerca del Centro de Investigación Lewis en Sandusky, Ohio, y entró en funcionamiento en septiembre de 1975. Sirvió como banco de pruebas para el desarrollo de muchos conceptos para su uso en unidades más grandes. Este diseño tenía un rotor de dos palas de 38 metros de diámetro a favor del viento, acoplado a un generador síncrono, con una potencia nominal de 100 kW a una velocidad del viento de 8 m/s. Un multiplicador de velocidad aumentaba las 40 r/min de la turbina para accionar un generador de 1800 r/min. La potencia de salida de la máquina se regulaba mediante el paso de las palas del rotor.
Las palas MOD-0 iniciales fueron fabricadas por Lockheed, de aluminio. Los problemas estructurales surgieron casi inmediatamente en el extremo de la raíz de las palas. Se realizaron varios cambios y esfuerzos significativos para solucionar esto. Una investigación reveló que las cargas cíclicas inesperadamente altas eran el resultado de un bloqueo significativo del viento por la compleja estructura de la torre de celosía. Esto provocó que las cargas aerodinámicas en el rotor de sotavento cambiaran rápidamente. Para corregir este bloqueo, se quitaron las escaleras de acceso del centro de la torre. [6] Se inició un importante programa de materiales para palas que evaluó el compuesto de fibra de vidrio, acero, madera e incluso hormigón. La NASA se acercó a Gougeon Brothers, Inc. de Michigan para aplicar su tecnología de material para barcos a las turbinas eólicas. Las palas de madera y compuesto resultantes reemplazaron a las palas de aluminio en el Mod-0 (y más tarde Mod-0A), eliminando los problemas estructurales de la raíz de las palas. Gougeon Brothers comercializó con éxito sus productos en la industria de las turbinas eólicas con ventas en todo el mundo.
Se realizaron muchos experimentos con el MOD-0, incluida una breve operación con las palas del rotor a barlovento de la torre y una prueba de una sola pala para el rotor de la turbina. También se probaron los primeros generadores de velocidad variable antes de su uso en el Mod-5B de 3,2 MW y, posteriormente, en toda la industria. El Mod-0 también se utilizó para probar las primeras torres de carcasa de acero, que ahora son el diseño de torre dominante. El desafío del diseño fue reducir el peso y el costo de la torre y, al mismo tiempo, atravesar de manera segura una resonancia de la estructura blanda durante el arranque.
La experiencia operativa con el prototipo MOD-0 proporcionó la base para la construcción de varias unidades de demostración denominadas MOD-0A. Estas eran similares al prototipo con el mismo tamaño de rotor, pero con una potencia nominal de 200 kW a una velocidad del viento ligeramente superior. Westinghouse fue designado como contratista principal responsable de la construcción general. Las unidades se instalaron en Clayton, Nuevo México, en 1977, en Culebra, Puerto Rico, en 1978, en Block Island, Rhode Island, en 1979 y la cuarta en Kahaku Point, Hawái, en 1980.
En 1978, la NASA contrató a General Electric para ampliar el MOD-0A con un aumento de potencia de diez veces. El Mod-1 fue la primera turbina eólica del mundo en producir 2 megavatios y también la primera turbina eólica de General Electric. El da:Vindkraftværket Tvindkraft danés, con una altura de buje de 46 metros sobre el suelo, un rotor más grande y una clasificación para una velocidad del viento más alta, tenía una capacidad de 2000 kW, pero nunca alcanzó la potencia de salida de 2 MW del Mod-1. El peso de diseño del Mod-1 impidió que se convirtiera en un producto comercial competitivo, pero se instaló y puso en funcionamiento un prototipo en Howard's Knob, cerca de Boone, Carolina del Norte. El rápido ciclo de diseño hasta alcanzar un tamaño de varios megavatios basado en el Mod-0 de primera generación provocó desafíos técnicos y operativos. El ruido de baja frecuencia de la pesada torre de celosía que bloqueaba el viento hacia el rotor a sotavento causaba problemas a las residencias ubicadas cerca. Ante la presión adicional de una reducción en la financiación del programa federal, la turbina fue desmantelada en 1983.
En 1977, Boeing ganó el contrato de la NASA y el Departamento de Energía de los Estados Unidos para el diseño, fabricación, construcción, instalación y prueba de varios modelos de turbinas eólicas de 2,5 megavatios en los Estados Unidos. Los primeros cuatro modelos MOD-2 entraron en funcionamiento a principios de la década de 1980. La ceremonia de inauguración de las primeras tres turbinas se celebró el 11 de abril de 1980 en Goodnoe Hills, Washington, para marcar el inicio de la construcción. [7] La primera turbina debía entrar en funcionamiento en diciembre. [8] El 2 de septiembre de 1982, una cuarta comenzó a funcionar en Medicine Bow, Wyoming. La Administración de Energía de Bonneville compró la electricidad generada por las turbinas de Goodnoe Hills y la integró en la red eléctrica regional. Durante los períodos de mayo de 1981, las tres turbinas en el sitio de Goodnoe Hills formaron el primer parque eólico del mundo. El sitio de Goodnoe Hills fue principalmente un proyecto de investigación para Boeing, la Administración de Energía de Bonneville, la NASA y el Battelle Memorial Institute. El Instituto de Investigación de Energía Solar también evaluó la idoneidad de las turbinas eólicas de clase megavatio como fuente de electricidad. Durante 1986, las turbinas eólicas MOD-2 de Goodnoe Hills fueron desmanteladas. En 1985, el último año completo de funcionamiento, la producción eléctrica combinada de las tres turbinas fue de 8.251 megavatios-hora. La turbina eólica MOD-2 de Medicine Bow se vendió como chatarra en 1987. En 2008, el parque eólico de Goodnoe Hills abrió en el mismo sitio con 47 turbinas eólicas REpower de 2,0 MW para una capacidad nominal combinada de 94 MW. enXco/Power Holdings es propietaria del parque eólico, con PacifiCorp como comprador de energía. [9]
El aerogenerador WTS-4 (4 megavatios) de Wyoming fue diseñado por United Technologies ( División Hamilton Standard ), bajo la dirección técnica de la NASA y con financiación del Departamento del Interior de los Estados Unidos . El WTS-4 se puso en funcionamiento en Medicine Bow, Wyoming, en 1982. Contaba con una torre de tubo de acero "blando", palas de fibra de vidrio, muelles de torsión y amortiguadores en el tren de transmisión, y un buje oscilante flexible. Hasta el día de hoy, el WTS-4 es el aerogenerador más potente que ha funcionado en los EE. UU. y mantuvo el récord mundial de potencia de salida durante más de 20 años. Un segundo prototipo comercial con un generador más pequeño (3 megavatios) denominado WTS-3 se construyó y operó en Suecia. Glidden Doman fue el gerente de diseño de sistemas de Hamilton Standard para el proyecto WTS-4 y fue contratado por el gobierno sueco para iniciar el proyecto WTS-3. [10] En 2014, Glidden Doman cofundó Seawind Ocean Technology BV junto con Martin Jakubowski y Silvestro Caruso para implementar una nueva generación de tecnologías eólicas flotantes basadas en modificaciones de diseño del sistema de la turbina eólica WTS-4 y la posterior turbina eólica Gamma 60 de 1,5 MW en 1991. [10] [11]
La turbina eólica MOD-5B, construida en 1987, fue la turbina eólica operativa más grande del mundo en la década de 1990. El contrato para construir la Mod-5B fue otorgado a Boeing en 1980 y se instaló en Oahu en 1987. [12] Con una capacidad nominal de 3,2 megavatios , pesaba 426.000 kg (939.000 lb) y tenía un rotor de dos palas de 97,53 m (320,0 pies) de diámetro en una torre de acero de 60 m (200 pies). [13] La operación temprana de la Mod-5B demostró una buena disponibilidad del 95 por ciento para la nueva turbina eólica de primera unidad. A principios de 1988, la operación de la turbina fue transferida a Hawaiian Electric Industries , luego a Makani Uwila Power Corporations (MUPC), y se mantuvo en servicio de manera intermitente hasta fines de 1996. Debido a dificultades financieras, la turbina eólica se cerró, junto con el resto de MUPC, y pasó al propietario de la propiedad, Campbell Estates. [13] Campbell Estates decidió desmontar la unidad y venderla como chatarra. [14] El DOE recuperó la caja de cambios del tren de transmisión y el generador en julio de 1998. [13]
Ninguno de los prototipos de la NASA llegó a producirse de forma habitual como generador comercial, porque el objetivo del programa era desarrollar la tecnología y apoyar a la industria emergente. Muchas de las tecnologías, como los generadores de velocidad variable con doble alimentación, las torres tubulares ligeras y las herramientas de diseño de ingeniería que se utilizan en la industria eólica actual, fueron desarrolladas y puestas en práctica por el programa de la NASA. [15] El coste total del programa entre 1974 y 1992 fue de 330 millones de dólares. Como referencia, el mercado eólico mundial había alcanzado los 47.000 millones de dólares anuales en 2008. [16] General Electric, Boeing Engineering and Construction, Westinghouse y United Technologies fueron los socios comerciales del programa, algunos de los cuales están involucrados en la industria eólica en la actualidad. Aunque se ha afirmado ampliamente que no se produjeron diseños comerciales, [4] los socios industriales de la NASA sí produjeron turbinas comerciales durante este programa, como la Boeing Mod-2 (descrita anteriormente) y las turbinas Westinghouse de 600 kW en el parque eólico de Kahuku en Hawái. [17] Cuando los precios del petróleo se redujeron en un factor de tres desde 1980 hasta principios de los años 1990 durante lo que se conoció como el " exceso de petróleo de los años 1980 ", 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 "planeaban abandonar el mercado porque los bajos precios del petróleo están haciendo que los molinos de viento para la generación de electricidad sean poco rentables". [18] En 1984 se publicó un resumen del programa de turbinas eólicas de gran tamaño del DOE/NASA. [19]
{{cite web}}: CS1 maint: URL no apta ( enlace )El Mod-5B, adjudicado a Boeing en 1983, se instalará en la isla de Oahu en 1986. El diseño del Mod-5B de 3,2 MW se ha beneficiado de la experiencia operativa y de prueba del Mod-2. Además, se han incorporado importantes mejoras de rendimiento en el diseño. El Mod-5B está diseñado para producir un 43 por ciento más de energía que el Mod-2 tal como se entregó originalmente.
El Departamento de Energía también ha financiado proyectos tan caros y poco realistas como el MOD-5B, una turbina eólica que pesaba 470 toneladas y tenía 20 pisos de altura: parecía una hélice gigantesca destinada a impulsar la Tierra hacia un nuevo sistema estelar. Terminó vendiéndose como chatarra.
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