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USO DE LA ENERGÍA EÓLICA COMO MEDIO
DE SUSTENTO ENERGÉTICO EN EL PAÍS
Oscar Vicente Lozano Ayala, olozano@est.ups.edu.ec
Alex Javier Siguenza Maldonado,asiguenza@est.ups.edu.ec
Universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca
Abstract—En el presente paper se va a tratar los bene?cios
energéticos que se puede obtener en el país al implementar los
campos eólicos aprovechando los páramos fríos de la sierra y los
vientos marítimos en las playas de la zona costera.
Index Terms—Energía Eólica, Aerogenerador, Velocidad del
Viento, Turbinas, Hélices, Potencia, Generador, Kilovatios, Mega-
vatios, Consumo, Centrales eólicas, Medio Ambiente, Aspas,
Gondola, Buje del rotor.
HISTORIA DE LA UTILIZACIÓN DEL VIENTO
La primera aplicación de la energía eólica probablemente
sea la navegación a vela, de la que se tiene noticias desde la
época del antiguo Egipto. Hoy seguimos utilizando el viento
en barcos recreativos y podemos ver en pie molinos de viento
que se han utilizado para moler grano o bombear agua.
Una tecnología más avanzada logró aplicar el movimiento
rotativo de las palas para conseguir la propulsión de los
aviones de hélice y de los helicópteros. Como todas las
energías alternativas el impulso de?nitivo se dio cuando real-
mente se tuvo necesidad de ella. Esto ocurrió a partir de la cri-
sis del petróleo de 1973 en la que el precio del crudo se disparó
y los países productores llegaron a amenazar con interrumpir
el suministro a quienes apoyaran a Israel en su lucha contra
los palestinos. El accidente de la central nuclear de Chernobil
potenció todavía más el desarrollo de las energías renovables.
Se ha investigado y desarrollado diversos tipos de molinos,
que en la actualidad se denominan aerogeneradores.[3]
COMPONENTES DE UN AEROGENERADOR
Todas las máquinas eólicas tienen una serie de elementos
comunes:
Columna soporte : Debe tener una altura que evite las
turbulencias que genera el viento en el suelo y que aguante la
fuerza del viento en las palas.
Sistema de captación : Suele estar constituido por tres
palas que giran con el viento. Hoy se está experimentado con
sistemas de giro diferentes de las palas.
Sistema de orientación : Su objetivo es que el viento
incida perpendicularmente a las palas para lograr un mayor
rendimiento. Se consigue mediante motores auxiliares en los
grandes aerogeneradores y mediante una veleta en los de
menos de 50 Kw. Este sistema además evita que el aerogen-
erador gire bruscamente con los cambios rápidos de viento.
Sistema de regulación : Su misión es evitar cambios bruscos
en la velocidad de giro, que perjudicarían al aerogenerador,
cuando el viento varíe con rapidez. Esto se consigue mod-
i?cando el ángulo de las palas con respecto al viento para
mantener las modi?caciones en la velocidad de giro dentro de
un rango aceptable.
Sistema de transmisión : Las palas producen el giro de un
eje llamado rotor que va conectado a un generador eléctrico.
Pero la velocidad de giro del rotor es pequeña comparada con
la que se necesita para que funcione el generador eléctrico por
lo que hay que aumentarlo mediante mecanismo de engrana-
jes con ruedas dentadas llamado multiplicador. La corriente
producida puede acumularse en baterías pero por lo general
se envía a la red eléctrica, para ello se necesitará convertirla
en alterna y elevar su tensión.[2][3]
Figure 1. Estructura interna y externa de un Aerogenerador[4]
TIPOS DE AEROGENERADORES
Eje Vertical (VAWT)
Darrieus (1931) – Ef?ciencia max: 40%
•
•
•
•
•
1
2
Area
2
entendiendo las relaciones entre las formas de los cuerpos
y sus características aerodinámicas pudiéndose comprobar la
necesidad de contar con una nariz redondeada y un borde de
fuga agudo, en la Figura: 5 se describe la nomenclatura de un
per?l aerodinámico: cuerda, borde de ataque, borde de fuga,
espesor y curvatura.
Figure 3. Aerogenerador de eje vertical Savonius[8]
Figure 5. Parte de un per?l alar.[11]
Cuando un per?l de la forma del dibujo enfrenta una
corriente de aire, se desarrollan distintas velocidades a ambos
lados del cuerpo, Figura: 6.
Figure 2. Aerogenerador de eje vertical Darrieus[8]
Savonius (1922) – E?ciencia max: 20%
Eje Horizontal (HAWT)
Vawt – E?ciencia max: 53%
Figure 6. Flujos de viento recorriendo la aspa.[11]
La velocidad es mayor sobre la cara superior del per?l
y como de acuerdo con la ecuación de Bernoulli, a mayor
velocidad corresponde una menor presión, resulta que en
la cara superior se genera una zona de baja presión que
succiona al per?l hacia arriba. Correspondientemente, en la
cara inferior, donde las partículas del aire se mueven a
menor velocidad, se desarrolla una sobrepresión con respecto
a la corriente libre que también empuja al per?l en forma
ascendente. La integración de las presiones ejercidas sobre
el per?l da como resultado una fuerza resultante denominada
fuerza de presión.[11]
Para poder realizar un estudio exhaustivo de la composi-
ción y comprobación de un aspa, se llegó al análisis de las
siguientes ecuaciones.
Potencia del viento
Area del Rotor (A)
Densidad del Aire (p)
Figure 4. Aerogenerador de eje horizontal[9]
Este ultimo es el mas usado en todo el mundo por su alto
Velocidad del Viento (V)
P otencia =
pAV 3
(1)
porcentaje de efectibidad al momendo de realizar su trabajo,
gracias a la forma de sus aspas.
AERODINÁMICA
Cuando se comenzaron a estudiar las propiedades aerod-
inámicas de cuerpos de formas diversas, no existía ninguna
Velocidad del Viento
A = pr2
(2)
teoría para calcular per?les y casi todos los primeros pasos se
orientaron a ensayos experimentales. Poco a poco se fueron
E =
1
2
mv2
(3)
Brisas
3
Motores eólicos
Las zonas más favorables para la implantación de grandes
motores eólicos son las regiones costeras y las grandes estepas,
donde vientos constates soplan regularmente, es necesaria una
velocidad media del viento superior a 30 km/h.
Se distinguen dos grandes categorías de motores eólicos,
que di?eren por la disposición de su eje: horizontal y vertical.
En los de eje horizontal, los ejes están paralelos al suelo y
los de eje vertical, tienen los ejes perpendiculares al suelo.
Los primeros son los más extendidos, exigen una orientación
continua de su eje, que se debe mantener paralelo a la
dirección del viento; sólo en esta posición las aspas o las palas
estarán de cara al viento de modo permanente. Los pequeños
motores eólicos de eje horizontal (gama de potencia de 0,5
a 50 kW) suelen estar equipados con gran numero de palas
(como el molino de las Baleares -de seis aspas- o el molino
griego- de doce aspas-). Este tipo de motor eólico tiene la
ventaja de poder funcionar con vientos ?ojos.
Los grandes motores eólicos de eje horizontal están equipa-
dos con hélices de tres o dos palas. Estos molinos de hélice
se han bene?ciado de los progresos técnicos de la aeronáutica
para la realización de palas muy grandes, para así poder
ser inagotable, gratuita y no lesiva al medio ambiente, pero
cuenta también con los grandes inconvenientes de ser dispersa
y aleatoria. Bajo la acción de la presión, el aire de la atmósfera
se desplaza de un lugar a otro a diferentes velocidades, dando
lugar al viento. El gradiente de velocidades es mayor cuanto
mayor sea la diferencia de presiones y su movimiento viene
in?uenciado por el giro de la Tierra.
Las causas principales del origen del viento son:
a) La radiación solar que es más importante en el Ecuador
que en los Polos
b) La rotación de la Tierra que provoca desviaciones hacia
la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el
Hemisferio Sur
c) Las perturbaciones atmosféricas.[10][12]
Una aplicación del axioma anterior es la justi?cación del
movimiento del aire tierra-mar en las costas, o tierra-agua en
los lagos durante el día y la noche, Figura 8; en las faldas de
las montañas el aire se calienta durante el día y se va hacia
las alturas, mientras que en la noche el aire frío, más pesado,
baja hacia los valles, Figura 8.
suministrar potencias elevadas. Sólo funcionan bien cuando
soplan vientos de velocidad media o fuerte, en cuyo caso
ofrecen un excelente rendimiento. Su principal problema es
la fatiga mecánica de los elementos estructurales, que ha
provocado la rotura de palas en diversos motores eólicos
experimentales.[9]
CIRCULACIÓN GENERAL
Se considera viento a toda masa de aire en movimiento,
que surge como consecuencia del desigual calentamiento de
la super?cie terrestre, siendo la fuente de energía eólica, o
mejor dicho, la energía mecánica que en forma de energía
cinética transporta el aire en movimiento. La Tierra recibe
una gran cantidad de energía procedente del Sol que en
lugares favorables puede llegar a ser del orden de 2000kW/m2
anuales; el 2% de ella se transforma en energía eólica capaz
de proporcionar una potencia del orden de 1017 kW.[12]
Figure 8. Vientos Particulare y Locales[12]
EL RECURSO EÓLICO
Velocidad del viento : es un parámetro crítico porque la
potencia varía según el cubo de la velocidad del viento, o sea,
una o dos veces más alta signi?ca ocho veces más de potencia.
Además, la velocidad varía directamente con la altitud sobre el
suelo, por la fricción causada por montañas, árboles, edi?cios
y otros objetos. Las turbinas eólicas requieren una velocidad de
Figure 7. Irradiancia solar[12]
A) Irradiancia solar sobre una super?cie horizontal; B)
Irradiancia solar absorbida por la Tierra C) Irradiancia
radiada al espacio exterior
La Tierra funciona como una gran máquina térmica que
transforma parte del calor solar en la energía cinética del
viento, Figura 7. La energía eólica tiene como ventajas la de
viento mínima para empezar a generar energía: para pequeñas
turbinas, este es, aproximadamente, de 3.5 metros por segundo
(m/s); para turbinas grandes, 6 m/s, como mínimo.
Características del viento (turbulencia) : mientras que los
modelos de viento globales ponen el aire en movimiento y
determinan, a grandes rasgos, el recurso del viento en una
región, rasgos topográ?cos locales, que incluyen formaciones
geográ?cas, ?ora y estructuras arti?ciales, pueden mostrar la
Table I
Costa
4
de viento en los distintos meses del año, con lo cual se va a
COMPARATIVA DE LA ENERGÍA CONSUMIDA POR TODOS LOS SECTORES
DE CONSUMO ENERGETICO[15]
poder elegir la ubicación exacta y estratégica para realizar el
campo eólico.
Años
Consumo en (GWh)
2000
2001
2002
2115.943
2235.851
2744.791
Table II
PROMEDIO ESTIMADO DE LA CANTIDAD DE VIENTO[16]
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
2011
2012
2739.127
2570.041
2632.463
1903.18
2978.789
2676.932
2206.447
2638.399
2064.158
2468.951
Meses
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Viento promedio mensual (m/s)
6.14
6.85
5.34
4.92
5.41
6.23
7.05
8.16
7.09
8.67
8
diferencia entre un recurso eólico utilizable y uno que no lo
es.
Diciembre
7.34
Densidad del aire : temperaturas bajas producen una den-
sidad del aire más alta. Mayor densidad signi?ca más ?uidez
de las moléculas en un volumen de aire dado y más ?uidez
de las moléculas encima de una pala de la turbina produce un
rendimiento más alto de la potencia, para una velocidad del
viento dada.[12]
ESTRUCTURA POR ZONAS
Gracias a la pequeña introducción que se dio sobre los
vientos, brisas y estructura de las aspas, podemos comenzar
nuestro estudio basándonos en datos recopilados de lugares
tanto de la sierra, como de la costa ecuatoriana.
Sierra
En la parte sierra especí?camente hablando de Villonaco
(Loja), con un numero de 11 aerogeneradores de 1.5Mw cada
uno, además de ser el primero en el mundo con una velocidad
promedio anual de 12.7 m/s a una altitud de 2700 metros sobre
el nivel del mar, aportando al Sistema Nacional Interconectado
una energía de 158.96 GWh desde su entrada en operación.
Ahora en la parte costera presentamos a Santa Cruz – Baltra
(Galápagos) que consta con un numero de 3 aerogeneradores
de 750Kw cada uno, con esto el consumo de energía eléctrica
es satisfecha por completo para la isla, el estudio que se realizó
para la implementación de este campo eólico se basó en la
conservación de especies de fauna nativa de dicha isla.
CONSUMO Y GENERACIÓN DE ENERGÍA EN ECUADOR .
En la siguiente tabla se va a comparar los niveles de con-
sumo de energía que tiene nuestro país, en los años anteriores,
respecto a los censos más próximos a la presente fecha.
Los valores de consumo energético son verdaderamente
altos, con la ayuda de unos campos eólicos ubicados en
zonas estratégicas se podría tener una gran cantidad de energía
constante la cual ayudaría a solventar la demanda de energía
en el país, con la siguiente tabla se dará un valor estimado
Para concluir con este análisis podríamos decir que si le
invertimos una suma signi?cativa a un plan tan ambicioso
como es el presente, podríamos tener una ganancia abundante
de recurso energético permanente de electricidad y con un
daño mínimo al medio ambiente, sin embargo el daño más
visto va a ser de forma estética, ya que los aerogeneradores son
de gran tamaño y abarcan un espacio bien amplio de terreno en
el cual se podría dar otro uso, por lo cual la implementación
de los aerogeneradores en el mar es de mayor bene?cio ya
que no utilizaría espacio a futuro uso, pero no se puede dejar
a un lado que el mantenimiento y vigilancia de esta inversión
se tornara más trabajosa por la di?cultad de accesibilidad a la
zona.
REFERENCES
[1] DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ENERGÉTICA,
UNIVERSIDAD DE CANTABRIA, Pedro Fernández Díez
[2] ENERGÍA EÓLICA, Manual práctico para la construcción de molinos
de viento, Juan Ignacio y Sebastián Urquía Luis
[3] ENERGÍA EÓLICA, I.E.S. Sata?, Proyecto Comenius 2003-2004
[4] CONTROL PARA MÁXIMO RENDIMINTO DE GENERADORES
EÓLICOS DE VELOCIDAD VARIABLE, CON LIMITACIÓN DE
VELOCIDAD Y POTENCIA,Grupo de Electrónica Aplicada (GEA),
Universidad Nacional de Río Cuarto, Argentina ,ROBERTO LEID-
HOLD
[5] Manuales sobre energía renovable: Eólica/ Biomass Users Network
(BUN-CA). -1 ed. -San José, C.R. : Biomass Users Network (BUN-
CA), 2002.
[6] La Energía, Centro de Investigaciones Energéticas, Medioambientales y
Tecnológicas (CIEMAT). (1990). Editorial CIEMAT.
[7] Energía Eólica, Antusolar, AntuSolar® Ltda.,
http://www.antusolar.cl/energia-eolica/
[8] Energía Eólica, Generar Electricidad con el Viento, Heinrich Berg
Hubert Salas Coronel deltavolt.pe
[9] ENERGÍA DEL VIENTO: Conocimientos Eólicos, Univer-
sidad de Cantabría – Por: PEDRO FERNANDEZ DIEZ,
http://inventhable.blogspot.com/2013/08/energia-del-viento-
conocimientos-eolicos.html
[10] Disenio y Construccion de un Prototipo de Generador Eolico de Eje
Vertical, UNIVERSIDAD DE CHILE FACULTAD DE CIENCIAS
FISICAS Y MATEMATICAS, Juan Crist´obal Antezana Nu˜nez
[11] CÁLCULO Y DISEÑO DE LA HÉLICE ÓPTIMA PARA TURBINAS
EÓLICAS, Bastianon R.A., “Teoria de la Helice para Turbinas Eolicas”,
Servicio Naval de Investigación y Desarrollo, Armada Argentina, Junio
1980. ,Ricardo A. Bastianon
[12] La Energía Eólica En ECUADOR, “Políticas y estrategias para el cambio
de la matriz energética del Ecuador”. MEER. Año 2008.
5
[13] Proyectos de regeneración Villonaco, Ministerio de Electricidad y en-
ergía renovable, http://www.energia.gob.ec/villonaco/
[14] Proyectos de regeneración Islas Baltra-Santa Cruz, Ministerio de Elect-
ricidad y energía renovable, http://www.ergal.org/cms.php?c=1229
[15] Balance Energético Nacional, Ministerio coordinador de sectores Es-
tratégicos, Ing. Pablo Carvajal
[16] ENERGÍA EÓLICA EN ECUADOR VISION GLOBAL, Ministerio de
Electricidad y energía renovable
[17] Propuesta metodológica para el diseño de las aspas de turbinas de viento
de eje horizontal, Instituto de energía Universidad de Colombia, Juan
M. Mejia.