A partir de 1975, la NASA administró un programa para el Departamento de Energía de los Estados Unidos y el Departamento del Interior de los Estados Unidos para desarrollar turbinas eólicas a escala de servicios públicos para energía eléctrica, en respuesta al aumento de los precios del petróleo. [1] Varias de las turbinas eólicas más grandes del mundo fueron desarrolladas y probadas bajo este programa pionero. El programa fue un intento de ir más allá del estado actual de la técnica de los generadores de turbinas eólicas, y desarrolló una serie de tecnologías adoptadas más tarde por la industria de las turbinas eólicas. Sin embargo, el desarrollo de la industria comercial se vio retrasado por una disminución significativa de los precios competitivos de la energía durante los años ochenta.
Origen del programa
En 1974, en parte en respuesta al aumento del precio del petróleo después de la crisis del petróleo de 1973 , la Administración de Investigación y Desarrollo de Energía (ERDA), más tarde parte del Departamento de Energía de los Estados Unidos , nombró un departamento bajo la dirección de Louis Divone para financiar la investigación de turbinas eólicas a gran escala. A la NASA , a través de su Centro de Investigación Lewis en Sandusky Ohio (ahora el Centro de Investigación Glenn ) se le asignó la tarea de coordinación del 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 aerogenerador, el Mod-0 de 100 kW en Sandusky Ohio, con fondos de la National Science Foundation y ERDA. El Mod-0 fue modelado a partir de la turbina de investigación de dos palas y peso ligero del austriaco Ulrich Hütter. [2] La turbina eólica de dos palas con bujes de rotor flexibles o balanceados 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 costo y el peso de una pala. Los rotores de dos palas giran más rápido que los rotores de tres palas equivalentes, 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 fallas en la caja de engranajes que a menudo son un problema para los sistemas de rotor rígido que se utilizan en la actualidad.
El programa de la NASA organizó conferencias técnicas, invitando a socios internacionales. La NASA incluso ayudó a restaurar y operar la turbina eólica danesa de tres palas Gedser entre 1977 y 1979, de modo que su operación 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 ceñida de tres palas con una torre de celosía y palas soportadas en parte por cables internos. El esfuerzo produce 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 energía. [3]
Las unidades de turbinas eólicas más grandes logran economías de escala . La investigación y los prototipos de la NASA demostraron que había considerables desafíos de escala en la resistencia estructural, la fatiga, el control de la velocidad y la aerodinámica. En la década de 1980, la mayoría de las turbinas eólicas eran unidades pequeñas de hasta 25 kW de potencia. Los estudios llevados a cabo 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 juegos de palas de hélice de mayor diámetro que se usaban en ese momento eran para helicópteros, que se extendían solo 46 pies, se proyectó que los juegos de palas grandes, que cubren de 200 a 300 pies de diámetro, serían factibles de construir y producirían el menor costo de energía. [4] [5]
Modelo | KW de potencia | Diámetro barrido, m | Descripción | contratista principal | Años en servicio | Observaciones |
---|---|---|---|---|---|---|
MOD 0 | 100 | 38 | Dos palas, a favor y en contra del viento | Diseño de la NASA con cuchillas Lockheed | 1975-1982 | Prototipo solo en Sandusky |
MOD 0A | 200 | 38 | Dos palas, a favor del viento | Westinghouse | 1977-1984 | Cuatro unidades instaladas para pruebas de campo |
MOD 1 | 2000 | 61 | Dos palas, a favor del viento | Energia General | 1979–1981 | Uno instalado en Howard's Knob . Primera turbina del mundo que alcanza una potencia de 2 MW. |
MOD 2 | 2500 | 91 | Dos palas, ceñida | Boeing | 1982-1988 | Tres instalados cerca de Goodnoe Hills como parque eólico . Cuarta y quinta unidades vendidas a empresas de servicios públicos, Pacific Gas and Electric demolidas en 1988 |
WTS 4 | 4000 | 79,2 | Dos palas, a favor del viento | Tecnologías Unidas | 1982-1994 | Una turbina instalada en Medicine Bow, Wyoming y otra versión más pequeña de 3 MW WTS 3 en Suecia |
MOD 5A | 7300 | 121,5 | Dos palas, ceñida | Energia General | Nunca construido | |
MOD 5B | 3200 | 97,5 | Dos palas, ceñida | Boeing | 1987-1996 | Uno instalado en Oahu, Hawaii |
MOD-0 y MOD-0A
El primer diseño fue MOD-0, construido cerca del Centro de Investigación Lewis en Sandusky, Ohio y operativo 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 a favor del viento de 38 metros de diámetro, acoplado a un generador síncrono, con una potencia nominal de 100 kW a una velocidad del viento de 8 m / s. Un incrementador de velocidad aumentó las 40 r / min de la turbina para impulsar un generador de 1800 r / min. La potencia de salida de la máquina se reguló inclinando las palas del rotor.
Las hojas iniciales MOD-0 fueron hechas 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 cargas cíclicas inesperadamente altas fueron 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 a favor del viento 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 de palas que evaluó el compuesto de fibra de vidrio, el acero, la madera e incluso el hormigón. La NASA se acercó a Gougeon Brothers, Inc. de Michigan para aplicar la tecnología de materiales de su barco a las turbinas eólicas. Las hojas de madera y compuestos resultantes reemplazaron las hojas de aluminio en el Mod-0 (y más tarde en el Mod-0A), eliminando los problemas estructurales de la raíz de la hoja. 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 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 probó los primeros generadores de velocidad variable antes de su uso en el 3.2 MW Mod-5B y más tarde en toda la industria. El Mod-0 también se utilizó para probar las primeras torres de carcasa de acero, ahora el diseño de torre dominante. El desafío del diseño fue eliminar el peso y el costo de la torre mientras pasaba de manera segura a través de 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. Estos 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 nombrado contratista principal responsable de la construcción general. Las unidades se instalaron en Clayton New Mexico en 1977, Culebra, Puerto Rico en 1978, Block Island, Rhode Island en 1979 y la cuarta en Kahaku Point Hawaii en 1980.
MOD-1
La NASA contrató a General Electric en 1978 para escalar desde el MOD-0A con un aumento de potencia de 10 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 danés da: Vindkraftværket Tvindkraft con una altura de buje de 46 metros sobre el suelo, un rotor más grande y una potencia nominal a una velocidad del viento más alta, 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 ejecutó un prototipo en Howard's Knob cerca de Boone, Carolina del Norte. El rápido ciclo de diseño a 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 bloquea el viento hacia el rotor a favor del viento causó problemas en las residencias ubicadas cerca. Con la presión adicional de una reducción en la financiación del programa federal, la turbina se desmanteló en 1983.
MOD-2
En 1977, Boeing ganó el contrato entre 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. El innovador para las tres primeras turbinas se llevó a cabo el 11 de abril de 1980 a las 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, un cuarto 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 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, Bonneville Power Administration, 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, se desmantelaron los aerogeneradores MOD-2 de Goodnoe Hills. En 1985, el último año completo de funcionamiento, la producción eléctrica combinada de las tres turbinas fue de 8.251 megavatios-hora. El aerogenerador Medicine Bow MOD-2 se vendió como chatarra en 1987. En 2008, el parque eólico Goodnoe Hills abrió en el mismo sitio con 47 aerogeneradores 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]
WTS-4
El aerogenerador WTS-4 (4 megavatios) en Wyoming fue diseñado por United Technologies ( División Estándar de Hamilton ), 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. Presentaba una torre de tubo de acero "blando", aspas de fibra de vidrio, resortes de torsión y puntos de mando en el tren motriz y un buje oscilante flexible. Hasta el día de hoy, el WTS-4 es la turbina eólica más poderosa 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) designado como 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 implementar una nueva generación de tecnologías eólicas flotantes basadas en modificaciones en el diseño del sistema de la turbina eólica WTS-4 y la subsecuente energía eólica Gamma 60 de 1,5 MW. turbina en 1991. [10] [11]
MOD-5B
La turbina eólica MOD-5B, construida en 1987, fue la turbina eólica en funcionamiento más grande del mundo en la década de 1990. El contrato para construir el 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 97,53 m (320,0 pies ) de rotor de dos palas de diámetro en una torre de acero de 60 m (200 pies). [13] El funcionamiento inicial del 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 manera intermitente hasta fines de 1996. Debido a dificultades financieras, la turbina eólica se cerró, junto con el resto de MUPC, y pasó al dueño de la propiedad, Campbell Estates. [13] Campbell Estates decidió desmontar la unidad y venderla como chatarra. [14] El DOE rescató la caja de cambios y el generador del tren de transmisión en julio de 1998. [13]
Legado del programa
Ninguno de los prototipos de la NASA llegó a producirse comúnmente como generadores comerciales porque el propósito del programa era desarrollar la tecnología y apoyar a la industria emergente. Muchas de las tecnologías, como los generadores de velocidad variable de doble alimentación, las torres tubulares livianas y las herramientas de diseño de ingeniería utilizadas en la industria eólica hoy en día, fueron desarrolladas y promovidas por el programa de la NASA. [15] El costo 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 participan 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 produjeron turbinas comerciales durante este programa, como el Boeing Mod-2 (descrito anteriormente) y las turbinas Westinghouse de 600 kW en el parque eólico Kahuku en Hawai. [17] Cuando los precios del petróleo se redujeron 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 de 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 sean antieconómicos". [18] En 1984 se publicó un resumen del programa de grandes turbinas eólicas del DOE / NASA. [19]
Ver también
- Enercon E-126
- Historia de la energía eólica
- Crecimiento de la energía eólica en Estados Unidos
- Energía eólica en los Estados Unidos
- Aerogenerador Smith – Putnam
- Seawind
Referencias
- Notas
- ^ Asmus 2001 , págs. 54–56
- ↑ Cleveland, Cutler J. (24 de agosto de 2008). Lawrence, Tom (ed.). "Ulrich Hütter" . Enciclopedia de la Tierra . Consejo Nacional de Ciencia y Medio Ambiente . Archivado desde el original el 13 de octubre de 2012 . Consultado el 25 de agosto de 2016 .
- ^ Viterna y Janetske 1982
- ↑ a b c Gipe , 1995 , págs. 103-106.
- ^ "Vientos de cambio: proyectos federales estadounidenses 1975-1985" . Winds of Change (Sitio danés de la historia de la energía eólica) . Consultado el 25 de agosto de 2016 .
- ^ Johnson , 2006 , págs. 1-8
- ^ "Idea de molino de viento inclinado" , Spokane (WA) Spokesman-Review , 23 de abril de 1980, p6
- ^ "Generadores de viento para ayudar: las ceremonias marcan el comienzo", The World (Coos Bay, OR), 19 de abril de 1980, p14
- ^ "Proyectos de energía eólica de Estados Unidos - Washington" . Asociación Estadounidense de Energía Eólica . 2009-12-31. Archivado desde el original el 31 de diciembre de 2008 . Consultado el 14 de marzo de 2010 .CS1 maint: URL no apta ( enlace )
- ^ a b Jakubowski, Martin. "Historia del desarrollo de la tecnología Seawind" . Tecnología Seawind . Consultado el 7 de enero de 2017 .
- ^ de Vries, Eize (1 de abril de 2020). "Seawind intensifica el desarrollo de una turbina marina de dos palas radical" . Windtech International . Windtech Offshore. Archivado desde el original el 21 de junio de 2020 . Consultado el 24 de julio de 2020 .
- ^ "La evolución de los sistemas de aerogeneradores Mod-2 y Mod-5B". Conferencia Intersociety Energy Conversion Engineering. 1985. Bibcode : 1985iece .... 3S ... 3B .
El Mod-5B, otorgado 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 como se entregó originalmente.
Cite journal requiere|journal=
( ayuda ) - ^ a b c "Aerogeneradores MOD-2 / MOD-5B" . Boeing . Consultado el 24 de agosto de 2016 .
- ^ Easterbrook, Gregg (28 de junio de 2009). "La guerra sucia contra el carbón limpio" . New York Times . Consultado el 30 de junio de 2009 .
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 empujar la Tierra hacia un nuevo sistema estelar. Terminó vendiéndose como chatarra.
- ^ Spera 2009
- ^ "La energía eólica gana fuerza, el mercado más grande de Estados Unidos: encuesta" . AFP. 2009-02-02. Archivado desde el original el 31 de enero de 2014 . Consultado el 25 de agosto de 2016 .CS1 maint: URL no apta ( enlace )
- ^ "Historia de los proyectos de energía eólica en Hawaii" . Departamento de Negocios, Desarrollo Económico y Turismo del Estado de Hawái. 2002-04-15. Archivado desde el original el 24 de julio de 2008 . Consultado el 25 de agosto de 2016 .CS1 maint: URL no apta ( enlace )
- ^ Gapay, Les (27 de agosto de 1987). "Los hawaianos obtienen última máquina de viento de Boeing: Makani Ho'Olapa llevará energía a 1.140 residencias" . Seattle Post-Intelligencer . pag. B7 . Consultado el 28 de marzo de 2011 .[ enlace muerto ]
- ^ Linscott, Perkins y Dennett 1984
- Fuentes
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- Gipe, Paul (1995). La energía eólica llega a la mayoría de edad . John Wiley e hijos . ISBN 0-471-10924-X.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- Johnson, Gary L. (2006). Wind Energy Systems (edición electrónica) (PDF) .CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- Linscott, Bradford S .; Perkins, Porter; Dennett, Joann (1 de marzo de 1984). Turbinas eólicas grandes de eje horizontal (PDF) . DOE / NASA / 20320-58.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- Spera, David, ed. (2009). Tecnología de aerogeneradores . Prensa ASME. ISBN 978-0-7918-0260-1.CS1 maint: ref duplica el valor predeterminado ( enlace )
- Viterna, Larry A .; Janetzke, David C. (1 de septiembre de 1982). Potencia teórica y experimental de grandes aerogeneradores de eje horizontal (PDF) . NASA TM-82944.
Otras lecturas
- Douthwaite, MB (2002). Habilitación de la innovación: una guía práctica para comprender y fomentar el cambio tecnológico . Libros Zed . págs. 96-101.
enlaces externos
- "Turbinas de viento:" Esas magníficas máquinas de viento "(Documental de la NASA, 1980)" . Jeff Quitney (YouTube). 2015-09-12.
- "Aerogeneradores:" Viento: una alternativa energética "(Documental del Departamento de Energía, 1980)" . Jeff Quitney (YouTube). 2016-08-26.