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WHAT IS WIND ENERGY?

The word ‘‘windmill’’ for many people brings to mind the Netherlands, whose countryside for centuries has been dotted with thousands of windmills. Windmills represent an early technical skill or ingenuity (inventiveness) that seemed to be lost during the industrial revolution, when fossil fuels replaced wind and running water as the most widely used energy sources. Some people of the twenty-first century support a return to greater reliance on the wind that powers windmills, chiefly because wind power is clean and endlessly renewable.

Historical overview

The first written record of a windmill is in a Hindu book from about 400 BCE (before the common era). About four hundred years later, the Greek inventor Hero of Alexandria devised a wind-driven motor he used to provide air pressure to operate an organ. From about 400 CE (common era), there are references to prayer wheels driven by wind and water in the Buddhist countries of central Asia.

These devices were handheld windmills that contained prayers and religious texts on rolls of thin paper wound around an axle. Individuals could access the prayers whenever they wanted (the thought was increasing the speed of the spinning prayer wheels strengthened the prayers). Early devices used the power of the wind, but it was not until much later that wind power was developed as a way to do work.

Some historians believe that the earliest true windmills—that is, windmills built to do work—were built in China two thousand years ago, but no records exist. The first recorded references to true windmills date from seventh-century Persia, later called Iran, particularly the province of Sijistan, which became Afghanistan.

During the reign of the Muslim caliph ‘Umar I (633–44), windmills were constructed primarily to obtain water for irrigating crops and grinding grain. These working windmills may have been imported into China from the Middle East by Genghis Khan (1162–1227), the Mongol conqueror of much of what is now Iran and Iraq (1216–23). The first reference to a Chinese windmill dates from the year 1219, when a statesman named Yehlu Chhu-Tshai documented construction of one. Windmills became widely used along the coasts of China during this period.

The design of these seventh-century windmills, some of which survive in Iran and Afghanistan, was the reverse of modern windmills. In modern windmills the axle is horizontal and is positioned at the top of the windmill. In early Middle Eastern windmills the blades that turned in the wind were enclosed in a chamber at the bottom of the windmill. The blades were attached to a vertical axle, which was attached to a millstone above. The early windmills, which are still used, could grind a ton of grain per day and generate about one-half the power of a small car.

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¿QUÉ ES ENERGÍA EÓLICA?

La palabra “molino” para mucha gente trae a la mente las imágenes de los  Países Bajos, cuyos campos por siglos han estado sembrados con millares de molinos de viento. Los molinos de viento representan una vieja habilidad o una ingeniosidad técnica (inventiva) que al parecer fue perdida durante la Revolución industrial, cuando los combustibles fósiles substituyeron al viento y al agua corriente como las fuentes de energía más ampliamente utilizadas. Alguna gente del siglo XXI apoya la idea de una vuelta a una mayor dependencia del viento que accione los molinos, principalmente porque la energía eólica es limpia e ilimitadamente renovable.

Descripción histórica

El primer registro escrito de un molino de viento está en un libro hindú de cerca del 400 a.C. (antes de la era actual). Cerca de cuatrocientos años después, el inventor griego Hero de Alexandria ideó un motor impulsado por el viento que él usó para proporcionar presión de aire para hacer funcionar un órgano. Desde aproximadamente el  400 d. C (de nuestra era ), hay referencias a los molinillos de oración impulsados por el viento y el agua en los países budistas de Asia central.

Estos dispositivos eran molinos de viento portátiles que contenían rezos y textos religiosos en rodillos de papel fino envueltos alrededor de un eje. Los individuos podían tener acceso a los rezos siempre que quisieran (se pensaba que al aumentar la velocidad de giro de las ruedas de rezo se fortalecían las prédicas). Los dispositivos en su inicio utilizaron la energía del viento, pero no era hasta mucho más adelante que la energía eólica fue desarrollada como una manera de producir trabajo.

Algunos historiadores creen que los molinos de viento de verdad más viejos  - o sea, molinos de viento construidos para hacerlos trabajar -fueron construidos en China hace dos mil años, pero no existen registros. Las primeras referencias a los molinos de viento verdaderos datan partir del séptimo siglo en Persia, llamado posteriormente Irán, particularmente la provincia de Sijistan, que se convirtió en Afganistán.

Durante el reinado del califa musulmán Umar I (633-44), los molinos de viento fueron construidos sobre todo para obtener el agua para la irrigación de cosechas y molienda de granos. Estos molinos de viento de trabajo pudieron haberse importado en China del Oriente Medio por Genghis Khan (1162-1227), el conquistador mongol de gran parte de lo que es ahora Irán e Iraq (1216-23). La primera referencia a un molino de viento chino data aproximadamente del año 1219, cuando un estadista llamado Yehlu Chhu-Tshai  documentada la construcción de uno. Los molinos de viento llegaron a ser ampliamente utilizados a lo largo de las costas de China durante este período.

El diseño de estos molinos de viento del siglo VII, algunos de los cuales sobrevive en Irán y Afganistán, eran la inversa de los molinos de viento modernos. En los molinos de viento modernos el eje es horizontal y se coloca en la parte superior del molino. En los antiguos molinos de viento del Medio Oriente las paletas que giraban con el viento estaban colocadas en un compartimiento en la parte inferior del molino. Las paletas eran fijadas a un eje vertical, que se conectaba a una piedra del molino arriba. Los viejos molinos de viento, que todavía se utilizan, podrían moler una tonelada de grano por día y generar cerca de la mitad de la energía de un pequeño coche.

 

Molino de seis aspas , 2 1/2 mts. de diámetro. Visto de lado.

 

Molino gigante, 6 mts. de diámetro.

Una vista de Holanda hacia el 1900 con sus molinos de viento en el horizonte .

Molino de seis aspas, 2 1/2 mts. de diámetro. Visto de frente.

Tipo muy raro, conocido en el país con el nombre de "Jumbo de helice" con  defensas formadas por los costados de la caja.

Otro "Jumbo" con aspas de 2,75 mts. y brazos de 1,70 mts. de largo. La caja donde se mueve tiene 2,75 X 3,35 X 1,30 mts. y unas aberturas en el fondo para la salida del aire.

Molino de dos aspas, para instalar sobre una cubierta, de 3 mts. de diámetro.

Molino con rueda de 3,65 mts. Las aspas están fijas a las partes en movimiento de una antigua máquina de majar (operación para separar, apaleando, el grano de trigo de la paja).

Molinos de viento de persianas fijas , de 2,45 metros , instalado en una torre de 9,15 metros, a la derecha , otro de 6,10 metros , con torre de 12,20 metros.

Pequeño "Jumbo" con cuatro aspas de 0,90 mts. y brazos de 0,75 mts. de largo montado en una torre de 4,85 mts.

Un molino de viento de 12,20 metros con sus persianas móviles automáticas y engranaje central.

Molino típico Maltés

Molino griego en Cerigo

Un molino trabajando en Trapani (Italia )

La fuerza del viento en Siberia

Un molino de 350 años de existencia.

Molino de viento para elevar agua : El "simplex " , uno de los mas avanzados motores de viento ingleses empleados en el Reino Unido hacia comienzos del siglo XX.

Rotor de viento típico de tres aspas

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Landscape with Windmill on Hilly Ground by the Sea, C.1797-98

Landscape with Windmill on Hilly Ground by the Sea, C.1797-98

Thomas Girtin Landscape with Windmill on Hilly Ground by the Sea, C.1797-98 - Giclee Print [Read more]

A Windmill

A Windmill

Jean-Baptiste-Camille Corot A Windmill - Giclee Print [Read more]

The Windmill, 1641

The Windmill, 1641

Rembrandt van Rjin The Windmill, 1641 - Giclee Print [Read more]

Windmill at Tefia, Fuerteventura, Canary Islands, Spain

Windmill at Tefia, Fuerteventura, Canary Islands, Spain

Alan Copson Windmill at Tefia, Fuerteventura, Canary Islands, Spain - Laminated Oversized Art [Read more]

Barn and Windmill

Barn and Windmill

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Windmills near Dordrecht

Windmills near Dordrecht

Vincent van Gogh Windmills near Dordrecht - Framed Giclee Print [Read more]

Windmills in Portugal

Windmills in Portugal

W. Robert Moore Windmills in Portugal - Photographic Print [Read more]

Windmills

Windmills

Windmills - Art Print [Read more]

Turn-Of-The-Century Peg Barn as Seen Through a Windmill

Turn-Of-The-Century Peg Barn as Seen Through a Windmill

Joel Sartore Turn-Of-The-Century Peg Barn as Seen Through a Windmill - Photographic Print [Read more]

The Windmill, C.1840

The Windmill, C.1840

Peter De Wint The Windmill, C.1840 - Giclee Print [Read more]

Windmills La Mancha Spain

Windmills La Mancha Spain

Panoramic Images Windmills La Mancha Spain - Photographic Print [Read more]

Windmills Standing Still on a Calm Day

Windmills Standing Still on a Calm Day

Richard Nowitz Windmills Standing Still on a Calm Day - Photographic Print [Read more]

Seaport with Windmill

Seaport with Windmill

Jan Brueghel the Elder Seaport with Windmill - Giclee Print [Read more]

Windmill

Windmill

Friedrich Saurer Windmill - Premium Poster [Read more]

Shaft of a Working Windmill for Grinding Grain, Nantucket, Built in 1746

Shaft of a Working Windmill for Grinding Grain, Nantucket, Built in 1746

Shaft of a Working Windmill for Grinding Grain, Nantucket, Built in 1746 - Giclee Print [Read more]

Tulip Fields with the Rijnsburg Windmill

Tulip Fields with the Rijnsburg Windmill

Claude Monet Tulip Fields with the Rijnsburg Windmill - Art Print [Read more]

View of Windmills on a Wind Energy Farm

View of Windmills on a Wind Energy Farm

Marc Moritsch View of Windmills on a Wind Energy Farm - Photographic Print [Read more]

Windmill

Windmill

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Windmills

Windmills

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View of Five Old Windmills

View of Five Old Windmills

James P. Blair View of Five Old Windmills - Photographic Print [Read more]

Traditional Windmill, Faial Island, Azores, Portugal

Traditional Windmill, Faial Island, Azores, Portugal

Alan Copson Traditional Windmill, Faial Island, Azores, Portugal - Laminated Oversized Art [Read more]

Windmill, Golden Gate Park, San Francisco, California

Windmill, Golden Gate Park, San Francisco, California

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Windmills La Mancha Spain

Windmills La Mancha Spain

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A Windmill Stands in a Field of Grain

A Windmill Stands in a Field of Grain

Bill Curtsinger A Windmill Stands in a Field of Grain - Photographic Print [Read more]

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Windmills in Europe

During the Crusades, which took place over a two-hundred-year period beginning in 1095, European conquerors of Palestine probably became familiar with Middle Eastern windmills and imported the technology back to Europe. The first documented reference to a European windmill dates to 1105 in France, the home of most of the early crusaders. A similar reference is made to a windmill in England in 1180. Both of these windmills were built to pump water to drain land.

For reasons that are unknown, the Europeans mounted the windmill blade on a horizontal axle rather than a vertical one. They may have adopted the design from water wheels, which by this time were being mounted on horizontal axles (poles around which an object rotates). Some of thewindmills from this period were able to liftmore than 16,000 gallons (60,566 liters) of water per hour, using augers (a type of screw) that raised the water from lower levels to higher levels, where the water could be sent into channels. The augers acted like spiral staircases that carried the water up as the windmills turned.

These windmills were often arranged in what were called gangs, meaning that they were arranged in rows so that water could be drained in stages, especially from lower to higher levels.

Because much of the Netherlands is below sea level, the Dutch made extensive use of windmills to drain land and to grind grain.

By the fourteenth century the Dutch had introduced or adopted a number of technologies, such as post mills and tower mills. The post mill consisted of a four-bladed mill mounted on a central vertical post or shaft. Wooden gears transferred the power of the shaft to a grindstone. The grindstone turned to make grain into flour. The tower mill, which originated along the Mediterranean seacoast in the thirteenth century, consisted of a post mill mounted on top of a multistory tower. This tower housed the grinding machinery and had rooms for grain storage and other milling functions as well as living quarters in the bottom story. The tower mill is the type most often seen in pictures of Dutch windmills.

A major concern of windmill operators was to make sure that the mill was positioned correctly in relation to the wind. This task was done with a large lever at the back of the windmill that was pushed to move the windmill blades toward the wind. The blades were made of lattice frames over which canvas sails were stretched.

By 1600, windmills were in such widespread use in Holland that the bishop of Holland, seeing a chance to increase funds for the church, declared an annual tax on windmill owners. Also by that time the basic technology of windmills was in place. It remained for engineers and inventors to find ways to increase efficiency, primarily by coming up with new designs for windmill blades. Some of these designs included improvements in the blade’s camber, or the outward curve of the blade from its leading edge (the edge first struck by the wind) to its trailing edge. Other experiments were conducted to find the best location for the blades spar, or the long piece of a blade; its center of gravity; and the correct amount of twist in the blade. One of the most prominent millwrights (mill builders) during the period, was Jan Adriaanzoon Leeghwater (1575– 1650), who experimented with these matters. Largely through his efforts, about twenty-six lakes in the Netherlands were drained.

By the end of the nineteenth century, at least 30,000 windmills were operating in Europe. These windmills were used not only to pump water and grind grain but also to power sawmills and for other industrial uses, including processing agricultural products such as spices, cocoa, dyes,  paints, and tobacco.

Windmills in North America

In the seventeenth and eighteenth centuries, the Dutch migrated to the American colonies in large numbers. They brought with them the technology for constructing windmills, and many Dutch-style windmills were built throughout New York and New England, where they worked well in the relatively gentle eastern winds.

In the nineteenth century, American settlers moved westward and onto the Great Plains. The settlers wanted to harness the power of the wind to irrigate the land and water their cattle.

However, on the plains a fundamental design flaw in Dutch windmills became apparent: The slow-moving blades were too fragile for the strong winds that swept across the prairies in places such as Kansas and Nebraska. As soon as they were hit with high winds, these windmills fell apart.

Back in New England, a designer named Daniel Halladay (1826–?) patented a design that could withstand the high winds of the plains.

His company, the Halladay Windmill Company, began building windmills with the new design in 1854. The chief improvement Halladay made was to use numerous blades, rather than the four blades that were common on New England windmills. The new windmills also had a tail that would orient them to the wind, and they had hinged blades that would fold up in high winds so that they would not fall apart. In 1857 Halladay’s company began doing business as the U.S. Wind Engine and Pump Company.

In about 1870 windmill manufacturers made another improvement when they began using steel rather than wood in the manufacture of blades. These blades were stronger but also could be curved, making them much more efficient than the flat wooden blades in use up to this time. In 1886 the inventor Thomas Perry designed a more aerodynamic blade, a blade that gets the most power from the wind and a design that continues to be used in the early twenty-first century.

Halladay’s company, along with numerous competitors, sold thousands of windmills. Many windmills were sold to farmers and ranchers, but another industry emerged as a major customer.

The railroads needed large amounts of water for their steam engines at their many stops across the plains and on to the West Coast. Windmill-powered pumps pumped water into tanks at the side of the railroad tracks. Trains could stop at each tank and get water enough to continue the journey to the next tank.

Another major improvement occurred in 1915, when the Aeromotor Company designed an enclosed, self-lubricating gearbox. Until then, the open gears of windmills had to be lubricated every week, often by horse-mounted cowboys who rode out with their saddlebags packed with  bottles filled with oil. In windmills with the Aeromotor gearbox, the gears had to be oiled only about once a year.

About one million windmills made by about 300 companies were built in the United States between 1850 and 1970. Although most of these windmills were small, and used on family farms primarily to pump water, others were large, with blades up to 26 feet (8 meters) long. These were purchased mainly by the railroads for their system of track-side water tanks.

WIND ENERGY EXPLOITATION

Wind turbines produce power by converting the force of the wind into torque. The power produced is a function of the wind energy flux (power), which, in turn, is a function of the air density multiplied by the wind velocity raised to the third power. Changes of air density with time at a particular site are negligible compared to the fluctuations in wind velocity.

Meteorologists usually report wind speed as an average. To get the potential wind power, the average wind speed is raised to the third power and then adjusted using a Weibull statistical distribution to account for the natural instantaneous wind variability.

Wind speed, and thus available wind power, at any given location is a function of several factors: global variations; local variations, especially around coast lines with sea or lake breezes and topography; and diurnal variations of wind speed from differences in the stability of the air next to the ground. Turbulence associated with unstable air during the afternoon, or on cloudy days, mixes higher velocity winds aloft with the winds slowed by friction at the surface. On clear nights the air is stable, and there is little transport of the high winds aloft to the ground. Thus, wind speeds near the ground are normally higher during the daytime than at night, with the highest wind speeds occurring in the afternoon, and minimum wind speeds around dusk and dawn. In general, gusts are greatest in the afternoon.

Wind speed varies with height above the ground. Because surface wind speeds are routinely measured at 10 m, winds turbine heights (usually higher than 10 m) must be estimated. The turbulence level of wind also varies. Forests, buildings, and other obstacles slow wind down, and increase turbulence levels.

Long grass, shrubs, and crops can slow the wind considerably. Such variations can be corrected by use of "roughness classes" or "roughness lengths." The sea is assigned a roughness class of zero, while a landscape with many trees and buildings has a class of three or four. (Sheep can keep the roughness down through grazing.) When no data are available for a site, a wind rose from the nearest observations may provide a rough estimate of wind speed. However, data availability frequently is sparse in areas with substantial wind generation potential.

During the late 1970s and early 1980s, there was considerable interest in harnessing wind energy in the United States. During this time, efforts were made to determine the national wind energy potential. Maps were drawn using the "Batelle Wind Power Classes," ranking nominal wind energy at 10 m, 30 m, and 50 m elevations. These classes, which remain standard in mapping wind energy, are shown on maps. In general, Class 4 and higher winds are considered favorable for wind energy exploitation in the United States. Because of its large population and the tacit assumption that its varied topography would be ideal for wind power exploitation, California conducted its own program to determine wind energy potential.

This study demonstrated the meteorological difficulties in characterizing wind speeds in hilly terrain. Some wind turbines were constructed in areas thought to be ideal, but which proved to be quite marginal. Three California passes were identified as among the best wind energy sites in the world, with average wind speeds in excess of 8 m/s. Tehachapi and San Gorgonio have proven successful, and the Altamount Pass wind farm has over 7,500 wind turbines in operation.

Within the United States, some areas are especially suited for wind power generation, including North and South Dakota, Minnesota, Montana, Wyoming, the Front Range of the Rocky Mountains, the Cascade Mountains, the Great Lakes shoreline, and the ridge crests and peaks of the Appalachians. Close examination of specific geographical and topographical features may help wind power planners identify suitable sites.

This has proven to be the case for Buffalo Ridge, a 100-km long ridge stretching from Spirit Lake, Iowa, through southwestern Minnesota north through Lake Benton to Sica Hollow, South Dakota. It has the potential to yield 3 Terawatt hours yearly.

Modern wind turbine for utility scale power generation.

Turbina de viento moderna para generación de potencia a escala utilitaria.

Molinos de viento en Europa

Durante las Cruzadas, que ocurrieron a lo largo de un período de doscientos años iniciándose en 1095, los conquistadores europeos de Palestina probablemente se familiarizaron con los molinos de viento de Medio Oriente e importaron la tecnología de nuevo a Europa. El primer registro documentado de un molino de viento europeo se remonta a  1105 en Francia, el hogar de la mayor parte de los primeros cruzados. Una referencia similar se hace a un molino de viento en Inglaterra en 1180. Ambos molinos de viento fueron construidos para bombear el agua para drenar la tierra.

Un paisaje y molino típico cerca de Amsterdam , en la tierra rescatada al mar .

Por razones que nos son desconocidas, los europeos montaron la paleta del molino de viento en un eje horizontal en vez de vertical. Pudieron haber adoptado el diseño a partir de las ruedas de agua, que por ese entonces eran montadas sobre ejes horizontales (postes alrededor de los cuales un objeto rota). Algunos de los molinos de viento de este período podían levantar más de 16.000 galones (60.566 litros) de agua por hora, usando sinfines (un tipo de tornillo) que levantaban el agua desde niveles inferiores a niveles más altos, donde el agua se podría enviar hacia los canales. Los taladros actuaban como escaleras espirales que llevaban el agua hacia arriba a medida que los molinos de viento daban vuelta.

Estos molinos de viento fueron distribuidos a menudo en lo qué fue llamado cuadrillas, significando que fueron distribuidos en filas de modo que el agua se pudiera drenar en etapas, especialmente de niveles más bajos a más altos. Debido a que la mayoría de los Países Bajos está debajo del nivel del mar, Holanda hizo un uso extenso de molinos de viento para drenar el terreno y moler el grano.

Hacia el siglo XIV Holanda había introducido o adoptado un número de tecnologías, tales como molinos de poste y molinos de torre. El molino de poste consistió en un molino de cuatro palas montado en un poste o un eje vertical central. Engranajes de madera transferían la energía del eje a una muela. La muela daba vueltas para convertir el grano en harina. El molino de torre, que se originó a lo largo de la costa mediterránea en el siglo XIII, consistió en un molino de poste montado en la parte superior de una torre de varios pisos. Esta torre contenía la maquinaria de molienda y tenía cuartos para el almacenaje del grano y otras funciones de molienda así como cuartos de vivienda en el piso inferior. El molino de torre es el tipo visto más a menudo en los cuadros de molinos de viento holandeses.

Una preocupación importante de los operadores de molino de viento era cerciorarse de que el molino estuviese colocado correctamente en relación al viento. Esta tarea era llevada a cabo con una palanca grande en la parte posterior del molino de viento que era empujada para mover las aspas del molino hacia el viento. Las aspas eran hechas de  bastidores enrejados sobre los cuales velas de lona eran estiradas.

Hacia el 1600, los molinos de viento estaban en uso tan extensamente en Holanda que el obispo de Holanda, viendo una ocasión de aumentar los fondos para la iglesia, declaró un impuesto anual sobre los dueños de molinos de viento. También para ese tiempo la tecnología básica de molinos de viento estaba disponible. Les correspondía a los ingenieros e inventores encontrar maneras de aumentar la eficiencia, sobre todo en presentar nuevos diseños para las aspas del molino de viento. Algunos de éstos diseños incluían mejoras en la comba de la aspas, o sea la curva exterior de la aspa desde su borde delantero (el primer borde golpeado por el viento) a su borde de fuga/posterior. Otros experimentos fueron conducidos para encontrar la mejor localización para el palo del aspa, o el tramo largo de un aspa; su centro de gravedad; y la cantidad correcta de torcedura en el aspa. Uno de los constructores de molinos más prominentes durante el período, fue Jan Adriaanzoon Leeghwater (1575 - 1650), que experimentó con esta temática. En gran parte con sus esfuerzos, cerca de veintiséis lagos en los Países Bajos fueron drenados.

Hacia fines de siglo XIX, por lo menos 30.000 molinos de viento funcionaban en Europa. Estos molinos de viento fueron utilizados no sólo para bombear el agua y para moler el grano sino también accionar serrerías y para otros usos industriales, incluyendo el proceso de productos agrícolas tales como especias, cacao, tintas, pinturas, y tabaco.

Molinos de viento en Norteamérica

En los siglos XVII y XVIII, los holandeses emigraron a las colonias americanas en grandes números. Trajeron con ellos la tecnología para construir los molinos de viento, y muchos molinos de viento del estilo Holandés fueron construidos en Nueva York y Nueva Inglaterra, en donde trabajaron bien con vientos del este relativamente apacibles.

En el siglo XIX, los colonos americanos se desplazaron hacia el oeste y sobre las Grandes Planicies. Los colonos quisieron dominar la energía del viento para irrigar la tierra y de dar de beber al ganado. Sin embargo, en las Grandes Planicies un defecto de diseño fundamental en los molinos de viento holandeses llegó a ser evidente: las aspas de movimiento lento eran demasiado frágiles para los fuertes vientos que barrían las praderas en lugares tales como Kansas y Nebraska. Tan pronto como eran golpeadas con los fuertes vientos, estos molinos de viento se deshacían.

En Nueva Inglaterra, un diseñador llamado Daniel Halladay (1826-?) patentó un diseño que podría soportar los fuertes vientos de las llanuras.

Su compañía, la Halladay Windmill Company, comenzó a construir los molinos de viento con un nuevo diseño en 1854. La principal mejora que Halladay llevó a cabo era utilizar numerosas aspas, en vez de las cuatro que eran comunes en los molinos de viento de Nueva Inglaterra. Los nuevos molinos de viento también tenían una cola que los orientaría al viento, y tenían aspas abisagradas que se plegarían en fuertes vientos de modo que no se deshicieran. En 1857 la compañía Halladay comenzó a hacer negocio como la U.S. Wind Engine and Pump Company.

Cerca de 1870 los fabricantes de molinos de viento llevaron a cabo otra mejora cuando comenzaron a usar el acero en lugar de la madera en la fabricación de aspas. Estas aspas eran más fuertes pero también se podían curvar, haciéndolas mucho más eficientes que las aspas de madera planas en uso hasta este momento. En 1886 el inventor Thomas Perry diseñó un aspa más aerodinámica, un aspa que conseguía más energía del viento y de un diseño que todavía continúa siendo utilizado a principios del siglo XXI. La compañía de Halladay, junto con numerosos competidores, vendió millares de molinos de viento. Muchos molinos de viento fueron vendidos a los granjeros y a los rancheros, pero otra industria emergió como cliente importante. Los ferrocarriles necesitaron grandes cantidades de agua para sus motores de vapor en sus muchas paradas a través de las llanuras y en la Costa Oeste. Bombas accionadas por molinos de viento extraían el agua en los tanques al lado de las vías del ferrocarril. Los trenes podían parar en el cada tanque y conseguir suficiente agua para continuar el viaje al tanque siguiente.

Otra mejora importante ocurrió en 1915, cuando la Aeromotor Company diseñó una caja de engranajes autolubricadora incluida. Hasta entonces, los engranajes a la intemperie de molinos de viento tenían que ser lubricados cada semana, a menudo por vaqueros montados a caballo que cabalgaban hacia su destino con sus monturas empacadas con  botellas llenas de aceite. En molinos de viento con la caja de engranajes  aeromotor, los engranajes tuvieron que ser engrasados solamente una vez al año aproximadamente.

Cerca de un millón de molinos de viento hechos por cerca de 300 compañías fueron construidos en los Estados Unidos entre 1850 y 1970. Aunque la mayor parte de estos molinos de viento eran pequeños, y utilizados en granjas familiares sobre todo para bombear el agua, otros eran grandes, con aspas de hasta 26 pies (8 metros) de largo. Éstos fueron comprados principalmente por los ferrocarriles para su sistema de  tanques de agua al costado de las vías.

EXPLOTACIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA

Las turbinas de viento producen energía convirtiendo la fuerza del viento en esfuerzo de torsión. La energía producida es una función del flujo de energía eólica (energía), que, a la vez, es una función de la densidad del aire multiplicada por la velocidad del viento elevada a la tercera potencia. Los cambios de la densidad del aire con el tiempo en un sitio particular son insignificantes comparados con las fluctuaciones en la velocidad del viento.

Los meteorólogos dan a conocer generalmente la velocidad del viento como promedio. Para conseguir el potencial de la energía eólica, la velocidad del viento media se eleva a la tercera potencia y luego es ajustada usando una distribución estadística de Weibull para tener disponible la variabilidad instantánea natural del viento.

La velocidad del viento, y por lo tanto la energía eólica disponible, en cualquier localización dada es una función de varios factores: variaciones globales; variaciones locales, especialmente a lo largo de las líneas costeras con el mar o brisas de lagos y topografía; y variaciones diurnas de la velocidad del viento por diferencias en la estabilidad del aire cerca de la tierra. La turbulencia asociada al aire inestable durante la tarde, o en días nublados, mezcla los vientos de velocidad más alta en lo alto con los vientos retardados por la fricción en la superficie. En noches claras el aire es estable, y hay poco transporte de los fuertes vientos en lo alto de la superficie de la tierra. Así, las velocidades del viento cerca de la superficie son normalmente más altas durante el día que en la noche, con la velocidad de viento más fuerte ocurriendo por la tarde, y velocidades del viento mínimas cerca del ocaso y del amanecer. generalmente las ráfagas son mayores al atardecer.

La velocidad del viento varía con altura sobre la tierra. Debido a que las velocidades del viento superficial se miden generalmente a 10 m, las alturas de la turbina de vientos (generalmente más arriba de 10 m) deben ser estimadas. El nivel de turbulencia del viento también varía. Los bosques, los edificios, y otros obstáculos reducen el viento, y aumentan niveles de turbulencia.

La hierba alta, los arbustos, y las cosechas pueden disminuir el viento considerablemente. Tales variaciones se pueden corregir por medio de "clases de rugosidad" o "longitudes de rugosidad". Al mar se le asigna una clase de rugosidad de cero, mientras que un paisaje con muchos árboles y edificios tiene una clase de tres o cuatro. (Las ovejas pueden limitar la rugosidad al pastar). Cuando no hay datos disponibles para un sitio, una rosa de los vientos en las observaciones más cercanas puede proporcionar un cálculo aproximado de la velocidad del viento. Sin embargo, la disponibilidad de datos es con frecuencia escasa en áreas con potencial substancial para la generación de viento.

Durante el final de los '70 y el principios de los '80, había considerable interés en el aprovechamiento de energía eólica en los Estados Unidos. Durante este tiempo, fueron hechos esfuerzos para determinar el potencial nacional de energía eólica. Los mapas fueron dibujados usando "las clases de energía eólica de Batelle," clasificando la energía eólica nominal a elevaciones de 10 m, 30 m, y 50 m. Estas clases, que siguen siendo un estándar en el trazado de la energía eólica, quedaron registradas en mapas. Generalmente la clase 4 y vientos más fuertes se consideran favorables para la explotación de la energía eólica en los Estados Unidos. Debido a su población grande y la asunción tácita de que su topografía variada sería ideal para la explotación de la energía eólica, California condujo su propio programa para determinar su potencial de energía eólica.

Este estudio demostró las dificultades meteorológicas en caracterizar velocidades del viento en el terreno montañoso. Algunas turbinas de viento fueron construidas en áreas consideradas ideales, pero que demostraron ser absolutamente marginales. Tres pasos de California fueron identificados como entre los mejores sitios de energía eólica del mundo, con velocidades del viento medias superior a 8 m/s. Tehachapi y San Gorgonio han probado ser exitosos, y la granja eólica del Altamount Pass tiene mas de 7.500 turbinas de viento en funcionamiento.

Dentro de los Estados Unidos, algunas áreas se adaptan especialmente para la generación de la energía eólica, incluyendo Dakota del Norte y Dakota del Sur, Minnesota, Montana, Wyoming, las cordilleras Front Range de las Montañas Rocosas, las Montañas de Cascada, la línea de la playa de Grandes Lagos, y las crestas dorsales y los picos de los Apalaches. Un examinen mas cercano de las características geográficas y topográficas específicas puede ayudar a planificadores de la energía eólica a identificar sitios convenientes.

Éste ha demostrado ser el caso para Buffalo Ridge, una cadena montañosa de 100 kilómetros de largo que extiende desde Spirit Lake, Iowa, a través del sudoeste de Minnesota al norte a través de Lake Benton hasta Sica Hollow, Dakota del Sur. Tiene el potencial para obtener un rendimiento de 3 Terawatt hora anualmente.

 

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