Las energías renovables se han usado prácticamente desde que existe la hu-manidad, por ejemplo, la energía del viento se ha utilizado para impulsar bar-cos, molinos, sistemas de riego, etcétera.

La evolución de su uso ha estado ligada a las necesi-dades de la humanidad y al avance de la tecnología, de tal manera que la generación de energía eléctrica mediante el empleo de las energías renovables se ha dado por medio del uso de leña, carbón vegetal, agua de los ríos y geotermia, por mencionar algunos, y últimamente ha crecido en forma muy acelerada el uso de la energía del viento.

La utilización de la energía del viento es muy an-tigua. La historia se remonta al año 3 500 a.C., cuan-do los sumerios armaron las primeras embarcaciones de vela, los egipcios construyeron barcos hace al me-nos 5 000 años para navegar por el Nilo y más tarde por el Mediterráneo. Después los griegos construye-ron máquinas que funcionaban con el viento. Así, desde la antigüedad la energía del viento fue la pri-mera utilizada para mover las embarcaciones.

Algunos historiadores sugieren que hace más de 3 000 años la fuerza del viento se empleaba en Egip-to, cerca de Alejandría, para la molienda de granos. Sin embargo, la información más fehaciente sobre la utilización de la energía eólica en la molienda apun-ta a Persia, en la frontera afgana, en el año 640 d.C.

Introducción

Turbina eólica generando electricidad en el mar.

Otras fuentes históricas, fechadas unos cuantos años más tarde, muestran que los chinos también utiliza-ban la energía del viento en ruedas con paletas y eje vertical para irrigar o drenar sus campos de arroz.

A diferencia de China y Persia, algunos países de Europa utilizaron molinos de viento, pero de eje ho-rizontal. Los historiadores muestran que tales moli-nos se empleaban ya en el año 1180 en Normandía. Al final del siglo xviii, los molinos de viento se utili-zaron típicamente para la molienda y bombeo de agua. En Europa se desarrollaron básicamente tres tipos de molino: el de pedestal —en el siglo xii—, el molino hueco (sin maquinaria de molienda) para bombeo de agua, en el siglo xv, y el molino de torre, dejado de utilizar hasta el siglo xix.

Históricamente se considera al danés Poul la Cour como el primero en construir una turbina eó-lica que generó electricidad; La Cour realizó expe-rimentos con molinos de viento típicos de Dina-marca para la generación de electricidad, y en 1891 presentó la primera máquina eoloeléctrica, es decir, una máquina que transforma la energía del viento en electricidad. Sin embargo, también existen datos de otro pionero, Charles F. Brush, quien en 1887-1888 construyó el primer generador eólico, en Cle-veland, Ohio.

Dinamarca fue el primer país que usó el viento para generar energía eléctrica. Los daneses usaron una turbina con un diámetro de 23 metros en 1890, y en 1910 tuvieron en operación varios cientos de unida-des de 5 a 25 kW. Así, la electrificación rural de Di-namarca creó el primer mercado de generación eléc-trica a partir del viento (generación eoloeléctrica).

Si bien los sistemas de generación eoloeléctrica presentaron una evolución importante durante las primeras décadas del siglo xx, la primera y segunda guerras mundiales retuvieron su crecimiento, y fue hasta la década de 1970, con la primera crisis mun-dial del petróleo, que se reactivó su expansión.

Molino persa de eje vertical.

Molino de viento.

1 kW (kilowatt) está constituido por 1,000 watts, equiva-lente a 10 focos de 100 watts.

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Desarrollo actual para el aprovechamiento de la energía del viento

En algunos países, como Estados Unidos, desde hace 50 o 60 años la generación de energía eléctrica por medio del viento ha desempeñado un papel acti-vo en la electrificación de muchos ho-

gares rurales, y aunque no proporcionaba energía precisamente barata, suministraban cantidades mo-deradas de energía “gratuita”, ya que sólo requería una inversión inicial en equipos e instalación.

Se puede decir que en la década de 1980 nació la industria eoloeléctrica moderna, cuando las primeras turbinas eólicas o aerogeneradores comerciales se instalaron en Palm Spring, California. Al comparar aquellas primeras instalaciones con las actuales cen-trales eoloeléctricas, es evidente que la capacidad, efi-cacia e impacto visual han mejorado enormemente. Las mejoras más notorias son el aumento en la capa-cidad de generación eléctrica, el incremento en la eficiencia de la conversión de la energía eólica y la confiabilidad y grado de seguridad en los sistemas.

Hace 25 años los primeros aerogeneradores pre-sentaban capacidades de apenas 25 kW; actualmente la gama comercial es típicamente a partir de 750 has-ta 4 000 kW (4 MW). Así, cada turbina promedio de

En algunos países, la energía eólica se suministra desde hace varios años.

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2.1 MW de capacidad produce más energía eléctrica que 400 de las máquinas que se comercializaban a finales de la década de 1980.

Los principales fabricantes de ae-rogeneradores son Alemania y Dina-marca, aunque hay mercados emer-gentes como el indio y el chino, que crecen a ritmo vertiginoso. Los países con mayor tradición en generación eoloeléctrica son Dinamarca y Ale-mania, y en la última década se suma-ron España y Estados Unidos; en los últimos tres años China apareció para desbancar a estos países como el de mayor capacidad instalada. Un núme-ro importante de otros países, inclu-yendo a Francia, Italia, Reino Unido y Portugal, han alcanzado ya los 5 000 MW.

Las zonas mar adentro para el de-

El aerogenerador Enercon E-126 tiene una capacidad de 7.58 MW. Con una altura total de 198 metros y un diámetro de 126 metros, es el de mayor capacidad del mundo desde su introducción en 2007. Hoy en día por lo menos cinco compañías trabajan en el desarrollo de una turbina de 10 MW.

En 1980 se instalaron aerogeneradores en Palm Spring.

Evolución de las turbinas eólicas.Datos tomados de la Asociación Europea de Energía Eólica.

1985 1996 2000 2009 2012

16.5 40.2 71.3 100.6 120Rotor (metros)

Potencia (watts)100 550 1,650 2,500 4,000

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sarrollo eólico generalmente se consideran a diez ki-lómetros o más de tierra firme. Los aerogeneradores mar adentro son de un tamaño más grande que los de tierra, y presentan un mayor rendimiento, ya que la velocidad media del viento es considerablemente más alta y operan durante más horas en el año.

En la mayoría de los casos los desarrollos mar adentro son más costosos que los terrestres, ya que las cimentaciones mar adentro pueden ser más difíciles de construir. También la transmisión de la energía ge-nerada mar adentro se realiza a través de cable subma-rino, que es más costoso de instalar que los cables en tierra; además, el ambiente del mar incrementa los costos, por la protección anticorrosión y fatiga de los

equipos y maquinaria. Algu-nos países —como Canadá, Italia, Finlandia, China, Tai-wán, Noruega, España, Fran-cia y Estados Unidos— han empezado el desarrollo de centrales eólicas mar adentro. Es de esperar que entre 2012 y 2017 se cuente con una ca-pacidad instalada mundial de alrededor de 10 000 MW mar adentro.

Las zonas mar adentro para el desarrollo eólico se consideran a diez kilómetros o más de tierra firme.

Dinamarca 418

Italia 162 Noruega

350

Bélgica 504

Estonia 1,000

Finlandia 400

Suecia 730

Países Bajos 2,123

Alemania 8,589

Reino Unido2,108

Capacidad mar adentro instalada por país. Primer semestre 2012.Total: 16,384 MW

USA 46,919

España21,674

India 16,084

China62,733

Alemania29,060

Resto del mundo 3,596

Canadá 5,265

Italia 6,747

Portugal4,083

México850

Reino Unido6,540

Capacidad instalada por país. Primer semestre 2012.Total: 238,351

Francia 6,800

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El recurso eólico

La energía eólica es una consecuencia de la energía que irradia el Sol hacia la tie-rra; alrededor de 174.42 billones de kWh por día. En otras palabras, la Tierra recibe 1.74 £ 1017 W de potencia. Tan

sólo 1% de dicha energía se transforma en energía eólica, y esto supone una energía alrededor de 50 a 100 veces superior a la convertida en biomasa por todas las plantas de la Tierra. Las diferencias de tem-peratura debido al calentamiento desigual por la cantidad de energía solar recibida entre el ecuador y las diferentes latitudes hasta los polos ocasionan que se genere la circulación de grandes masas de aire. Así, el aire caliente es más ligero que el aire frío, por lo que subirá hasta alcanzar una altura aproximada de 10 kilómetros y se extenderá hacia el norte y hacia el sur. Se debe tener en cuenta la rotación de la Tie-rra, ya que sin esto el aire simplemente llegaría al Polo Norte y al Polo Sur, para después descender y volver al ecuador.

Cerca de la latitud 30°, en ambos hemisferios, la fuerza de Coriolis debida a la rotación de la Tierra evita que el viento se desplace más allá. En esa lati-tud se encuentra un área de altas presiones, por lo

La energía eólica es una consecuencia de la energía del Sol.

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que el aire empieza a descender de nuevo. Cuando el viento sube desde el ecuador habrá un área de bajas presiones cerca del nivel del suelo atrayendo los vientos del norte y del sur. En los polos habrá altas presiones debido al aire frío. De esta manera se crean los vientos geostróficos dominantes.

La rapidez y dirección del viento están influencia-das por la suma de los efectos global y local, de suerte que existen diferentes mecanismos en la creación de viento local. Como ejemplos se pueden citar la brisa marina y terral, vientos valle-montaña, y los que ocu-rren en las grandes planicies. Estos vientos son conse-cuencia de los cambios de temperatura que afectan la densidad y la diferencia de presión de una región.

Dirección de circulación de las masas de aire (izquierda) y fuerza de coriolis (derecha). Fuente: nasa.

Existen diferentes mecanismos en la creación de viento local.

H

0º

H

H H

H HCalor

Cél

ulas

de

conv

ecci

ón

Flu

jo s

uper

ficia

l

Flujo super

ficia

l

Células

de

conv

ecci

ón

Frío

Célula PolarCélula de Ferrel

Célula de Hadle

Calmas ecuatoriales

60º

60º

30º

30º

Bajas ecuatoriales

Altas Polares

Frente Polar

Frío

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Medición del vientoPara estimar la cantidad y calidad de potencial del viento en un determinado lugar son necesarios da-tos del mismo; éstos son obtenidos mediante esta-ciones anemométricas y preferentemente durante largos periodos, digamos un año. Para hacer esta ta-rea se emplean anemómetros y veletas que registran la rapidez y dirección del viento, respectivamente. Tales dispositivos de medición son colocados a dife-rentes alturas respecto al nivel del terreno, esto es, a partir de 10 metros hasta 80 metros de altura; inclu-so hoy en día se realizan mediciones por arriba de los 100 metros. Es práctica común utilizar los datos tomados cada segundo y promediados cada 10 mi-nutos, ya que las variaciones en la rapidez del viento con periodos mayores que un segundo y menores que 10 minutos presentan un carácter estocástico y se considera que representan a la turbulencia.

El objetivo del análisis de las mediciones de vien-to es realizar una evaluación preliminar del recurso eólico que se pueda tener en los sitios estudiados; además, ayudan a determinar las zonas con mayor recurso eólico aprovechable para la generación de energía eléctrica mediante aerogeneradores; en este sentido es bueno aclarar que la capacidad de genera-ción de las turbinas eólicas depende principalmente

Los anemómetros y veletas registran la rapidez y dirección del viento.

Estación anemométrica.

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de la velocidad del viento, según indica la siguiente expresión:

P = 12ρAv 3

donde:P Potencia activa (W)ρ Densidad del aire en el punto de interés en

(kg/m3)A Área del rotor (m2)v Velocidad del viento (m/s)

Cabe señalar que la densidad del aire está en fun-ción de la altura sobre el nivel del mar, la tempera-tura, la presión atmosférica y, en menor grado, de la humedad, pero se considera un valor estándar de 1.225 kg/m3, el cual corresponde a condiciones es-pecíficas de temperatura y presión: 15 ºC y 101.325 kPa, respectivamente.

Junto con la velocidad del viento existen otros parámetros importantes para determinar la disponi-bilidad, calidad y cantidad del recurso eólico. Es im-portante conocer la altura de las mediciones dada la variación de la velocidad respecto a la altura; normal-mente a mayores alturas la velocidad del viento es mayor; para esto se utilizan los perfiles de viento. También es importante conocer las características geográficas del sitio en estudio.

Para saber cuál es la velocidad del viento a deter-minada altura es necesario considerar los factores que modifican la velocidad del viento.

El perfil del viento es la representación gráfica de la variación de la velocidad con la altura o distancia; éste generalmente se repite en forma anual.

Perfil del viento a diferentes alturas.

Es importante conocer las características geográficas del sitio

y la altura de las mediciones

Anemómetro, dispositivo para medir la velocidad y la dirección del aire.

Altu

ra

Velocidad del viento

(1)

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• Factores naturales: orografía del terreno, tempera-tura, vegetación natural, cultivos, estación del año.

• Factores artificiales: construcciones y obstáculos permanentes y temporales, como edificios, casas, cercas, chimeneas, etcétera.

Los obstáculos topográficos naturales o edifica-dos perturban el régimen laminar del viento, sobre todo en las capas más bajas, pues al encontrar un obstáculo el viento es desviado vertical y horizon-talmente y, debido a la concentración del flujo lami-nar, aumenta en la parte superior y disminuye en la parte inferior.

En las ciudades se produce una situación diferen-te de las condiciones generales del entorno y se pue-de llegar a tener el efecto llamado “isla de calor”, lo cual ocasiona vientos locales. Ésta es la razón por la que muchas mediciones eólicas de referencia toma-das en los centros de meteorología urbanos no son útiles para poder predecir comportamientos en otras zonas relativamente cercanas, pero fuera de la ciudad.

Una isla de calor urbano es un área metropolitana significativamente más caliente que las zonas rurales a sus alrededores.

El régimen laminar se refiere a que las partículas de aire que se encuentra en movimiento fluyen paralelas entre sí; es decir, como si se tratara de pequeñas láminas deslizándose una sobre otra.

La topografía natural y las construcciones afectan el flujo del viento.

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Experimentalmente se ha comprobado que a una gran altura de la superficie del suelo, alrededor de un kilómetro, la superficie terrestre influye muy poco sobre el viento. Sin embargo, en las capas más bajas de la atmósfera, las velocidades del viento se ven afectadas por la fricción con la superficie terrestre.

La rugosidad del terreno y los obstáculos adya-centes influyen en la velocidad del viento, es decir, tanto en su rapidez como en su dirección. Un pará-metro para caracterizar la topología del terreno, ade-más de ser plano o escarpado, es su factor de rugosi-dad, que describe qué tan fácilmente pasa el viento sobre el terreno; por ejemplo, un terreno con nieve es menos rugoso que el que tiene gran cantidad de vegetación, ya que ésta frena al viento.

El factor de rugosidad depende básicamente del tipo de terreno, espaciamiento y altura de rugosida-des (agua, pasto, etcétera.). Estos valores de los facto-res de rugosidad pueden encontrarse en tablas, y son estimados, ya que dependen de varios factores, ade-más de la rugosidad del terreno, pues incluso ésta puede cambiar durante el día y noche, por ejemplo si se considera una nevada y sobre todo durante el año, ya que los lugares de medición o monitoreo pueden ser tierras de uso agrícola, y obviamente la longitud de los cultivos es variable.

Ejemplo de rugosidad clase 0; área agrícola.

La rugosidad del terreno influye en la velocidad del viento.