turbinas eólicas de la NASA

A partir de 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 gran escala para la generación de energía eléctrica, en respuesta al aumento de los precios del petróleo. ^{[ 1 ]} Varias de las turbinas eólicas más grandes del mundo se desarrollaron y probaron bajo este programa pionero. El programa representó un intento de superar con creces el estado del arte de los generadores de turbinas eólicas de la época y desarrolló varias tecnologías que posteriormente fueron adoptadas por la industria eólica. Sin embargo, el desarrollo de la industria comercial se retrasó debido a una disminución significativa en los precios de la energía durante la década de 1980.

En 1974, en parte como respuesta al aumento del precio del petróleo tras la crisis petrolera de 1973 , la Administración de Investigación y Desarrollo Energético (ERDA), que más tarde formaría parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos , designó un departamento bajo la dirección de Louis Divone para financiar la investigación sobre turbinas eólicas a gran escala. La NASA , a través de su Centro de Investigación Lewis en Sandusky, Ohio (actualmente 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 turbina de investigación ligera de dos palas del austriaco Ulrich Hütter . ^{[ 2 ]} La turbina eólica de dos palas con bujes de rotor flexibles o basculantes caracterizó el programa liderado por la NASA. La NASA y sus contratistas descubrieron que dos palas pueden producir energía prácticamente equivalente a tres palas, pero con un ahorro en el 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 engranajes. La flexibilidad del 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 engranajes, un problema frecuente en los sistemas de rotor rígido que se utilizan actualmente.

El programa de la NASA organizó conferencias técnicas e invitó a socios internacionales. La NASA incluso ayudó a reacondicionar y operar la turbina eólica danesa de tres palas Gedser entre 1977 y 1979, para estudiar su funcionamiento y características como modelo para unidades de mayor tamaño. Esta unidad de 1957, diseñada por Johannes Juul , generó 200  kW durante 11 años y utilizaba un rotor de tres palas orientado hacia el viento con una torre de celosía y palas parcialmente soportadas por cables tensores internos. Este esfuerzo generó 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 más grandes logran economías de escala . Las investigaciones y prototipos de la NASA demostraron que existían desafíos de escala considerables 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. Los estudios realizados por contratistas de la NASA sugirieron que se requerirían 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 abarcaban solo 46 pies, se proyectó que los conjuntos de palas grandes, que cubrían de 200 a 300 pies de diámetro, serían factibles de construir 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 puesto en funcionamiento en septiembre de 1975. Sirvió como banco de pruebas para el desarrollo de diversos conceptos destinados a unidades de mayor tamaño. Este diseño contaba con un rotor de dos palas de 38 metros de diámetro, orientado a sotavento, 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 rpm de la turbina para accionar un generador de 1800 rpm. La potencia de salida de la máquina se regulaba mediante el ajuste del ángulo de las palas del rotor.

Las palas iniciales del MOD-0 fueron fabricadas por Lockheed, de aluminio. Los problemas estructurales surgieron casi de inmediato en el extremo de la raíz de las palas. Se realizaron varios cambios y esfuerzos significativos para abordar 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 retiraron las escaleras de acceso del centro de la torre. ^{[ 6 ]} Se inició un importante programa de materiales para palas que evaluó compuestos de fibra de vidrio, acero, madera e incluso hormigón. La NASA se acercó a Gougeon Brothers, Inc. de Michigan para aplicar su tecnología de materiales para embarcaciones a las turbinas eólicas. Las palas de madera y compuestos resultantes reemplazaron las palas de aluminio en el Mod-0 (y posteriormente en el Mod-0A), eliminando los problemas estructurales de la raíz de la pala. Gougeon Brothers comercializó con éxito sus productos en la industria de las turbinas eólicas con ventas en todo el mundo.

Se realizaron numerosos experimentos con el MOD-0, incluyendo una breve operación con las palas del rotor a barlovento de la torre y una prueba con 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 acero, que ahora son el diseño de torre predominante. El desafío de diseño consistió en reducir el peso y el costo de la torre, al tiempo que se garantizaba la seguridad al atravesar la resonancia de la estructura flexible durante el arranque.

La experiencia operativa con el prototipo MOD-0 sirvió de 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 designada como contratista principal responsable de la construcción general. Las unidades se instalaron en Clayton, Nuevo México, en 1977; Culebra, Puerto Rico, en 1978; Block Island, Rhode Island, en 1979; y la cuarta en Kahaku Point, Hawái, en 1980.

La NASA contrató a General Electric en 1978 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. La empresa danesa da:Vindkraftværket Tvindkraft, con una altura de buje de 46 metros sobre el suelo, un rotor más grande y una potencia nominal a mayor velocidad del viento, tenía una capacidad de 2000  kW, pero nunca alcanzó los 2 MW de potencia del Mod-1. El peso del diseño del Mod-1 impidió que se convirtiera en un producto comercial competitivo, pero se instaló y puso en marcha un prototipo en Howard's Knob, cerca de Boone, Carolina del Norte. El rápido ciclo de diseño para alcanzar un tamaño de varios megavatios, basado en la primera generación del Mod-0, causó problemas técnicos y operativos. El ruido de baja frecuencia de la pesada torre de celosía, que bloqueaba el viento hacia el rotor situado a sotavento, causó problemas a las viviendas cercanas. Debido a la presión adicional que supuso la reducción de la financiación de los programas federales, la turbina fue desmantelada en 1983.

En 1977, Boeing ganó el contrato de la NASA y el Departamento de Energía de EE. UU. para el diseño, fabricación, construcción, instalación y prueba de varios modelos de turbinas eólicas de 2,5 megavatios en Estados Unidos. Los primeros cuatro modelos MOD-2 entraron en funcionamiento a principios de la década de 1980. La colocación de la primera piedra de las tres primeras turbinas tuvo lugar 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 operar 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 mayo de 1981, las tres turbinas del 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 Instituto Battelle Memorial. 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 operación, la producción eléctrica combinada de las tres turbinas fue de 8251 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 sus puertas 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 ]}

La turbina eólica WTS-4 (de 4 megavatios) en Wyoming fue diseñada por United Technologies ( División Hamilton Standard ), bajo la dirección técnica de la NASA y con financiación del Departamento del Interior de los Estados Unidos . La WTS-4 entró en funcionamiento en Medicine Bow, Wyoming, en 1982. Contaba con una torre de tubo de acero flexible, palas de fibra de vidrio, resortes de torsión y amortiguadores en el sistema de transmisión, y un buje basculante flexible. Hasta la fecha, la WTS-4 es la turbina eólica más potente que ha operado en los EE. UU. y mantuvo el récord mundial de producción de energía durante más de 20 años. Un segundo prototipo comercial con un generador más pequeño (3 megavatios), denominado WTS-3, fue construido y operado 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 desplegar una nueva generación de tecnologías eólicas flotantes basadas en modificaciones del 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 se adjudicó 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 ft) de diámetro sobre una torre de acero de 60 m (200 ft) . ^{[ 13 ]} La operación inicial 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 se transfirió a Hawaiian Electric Industries , luego a Makani Uwila Power Corporations (MUPC), y se mantuvo en servicio de forma intermitente hasta finales de 1996. Debido a dificultades financieras, la turbina eólica se cerró, junto con el resto de MUPC, y pasó al propietario del terreno, Campbell Estates. ^{[ 13 ]} Campbell Estates decidió desmantelar la unidad y venderla como chatarra. ^{[ 14 ]} El DOE recuperó la caja de engranajes del tren de transmisión y el generador en julio de 1998. ^{[ 13 ]}      

Ninguno de los prototipos de la NASA se produjo comúnmente como generadores comerciales porque el propósito del programa era desarrollar la tecnología y apoyar la industria emergente. Muchas de las tecnologías, como los generadores de velocidad variable de doble alimentación, las torres tubulares ligeras y las herramientas de diseño de ingeniería utilizadas en la industria eólica actual, fueron desarrolladas y pioneras por el programa de la NASA. ^{[ 15 ]} El costo total del programa entre 1974 y 1992 fue de $330 millones. Como referencia, el mercado eólico mundial había alcanzado los $47 mil millones anuales para 2008. ^{[ 16 ]} General Electric, Boeing Engineering and Construction, Westinghouse y United Technologies fueron los socios comerciales del programa, algunos de los cuales participan en la industria eólica actual. 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 cayeron en un factor de tres desde 1980 hasta principios de la década de 1990 durante lo que se conoció como el " exceso de petróleo de la década de 1980 ", muchos fabricantes de turbinas, tanto grandes como pequeños, abandonaron el negocio. Las ventas comerciales del NASA/Boeing Mod-5B, por ejemplo, terminaron en 1987 cuando Boeing Engineering and Construction anunció que "planeaba abandonar el mercado porque los bajos precios del petróleo hacen que los aerogeneradores para la generación de electricidad no sean rentables". ^{[ 18 ]} Un resumen del programa de grandes turbinas eólicas del DOE/NASA se publicó en 1984. ^{[ 19 ]}

• Enercon E-126
• Historia de la energía eólica
• Energía eólica en Estados Unidos
• turbina eólica Smith-Putnam

Notas

Fuentes

• Asmus, Peter (2001). Cosechando el viento: cómo magos de la mecánica, visionarios y especuladores ayudaron a dar forma a nuestro futuro energético . Island Press . ISBN 1-55963-707-2.
• Gipe, Paul (1995). La energía eólica alcanza la madurez . John Wiley and Sons . ISBN 0-471-10924-X.
• Johnson, Gary L. (2006). Sistemas de energía eólica (PDF) (  edición electrónica).
• Linscott, Bradford S.; Perkins, Porter; Dennett, Joann (1984-03-01). Grandes turbinas eólicas de eje horizontal (PDF) . DOE/NASA/20320-58.
• Spera, David, ed. (2009). Tecnología de turbinas eólicas . ASME Press. ISBN 978-0-7918-0260-1.
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• Douthwaite, MB (2002). Facilitando la innovación: una guía práctica para comprender y fomentar el cambio tecnológico . Zed Books . págs. 96–101 . 

• "Aerogeneradores: 'Esas magníficas máquinas de viento' (Documental de la NASA, 1980)" . Jeff Quitney (YouTube). 12 de septiembre de 2015.
• "Aerogeneradores: "El viento: una alternativa energética" (Documental del Departamento de Energía, 1980)" . Jeff Quitney (YouTube). 26 de agosto de 2016.