Aprovechamiento directo o generación de energía eólica mediante el uso de dispositivos de sustentación aerodinámicos o aerostáticos
La energía eólica aerotransportada ( AWE ) es el uso directo o la generación de energía eólica mediante el uso de dispositivos de sustentación aerodinámicos o aerostáticos. La tecnología AWE es capaz de aprovechar vientos de gran altitud , a diferencia de las turbinas eólicas , que utilizan un rotor montado en una torre.
El término energía eólica de gran altitud (HAWP) se ha utilizado para referirse a los sistemas AWE. [1] Sin embargo, semánticamente, HAWP también podría incluir sistemas de conversión de energía eólica que de alguna manera están ubicados a gran altura desde el suelo o la superficie del mar.
Se proponen varios mecanismos para capturar la energía cinética de los vientos, como cometas , kytoons , aeróstatos , planeadores , planeadores con turbinas para vuelo regenerativo, [2] planeadores con turbinas u otros perfiles aerodinámicos, incluidos los puntos de apoyo habilitados por edificios o terrenos de múltiples puntos. [3] Una vez que la energía mecánica se deriva de la energía cinética del viento, existen muchas opciones para usar esa energía mecánica: tracción directa, [4] [5] conversión a electricidad en el aire o en la estación terrestre, conversión a láser o microondas para transmitir energía a otras aeronaves o receptores terrestres. La energía generada por un sistema de gran altitud se puede usar en el aire o enviar a la superficie del suelo mediante cables conductores, fuerza mecánica a través de una atadura, rotación de un bucle de línea sin fin, movimiento de productos químicos modificados, flujo de gases a alta presión, flujo de gases a baja presión o rayos de energía láser o microondas.
Viento de gran altitud para fines energéticos
Los vientos a mayor altitud se vuelven más constantes, más persistentes y de mayor velocidad. Debido a que la potencia disponible en el viento aumenta con el cubo de la velocidad (la ley de la velocidad al cubo), [6] [7] suponiendo que otros parámetros permanecen iguales, duplicar la velocidad del viento da 2 3 = 8 veces la potencia; triplicar la velocidad da 3 3 = 27 veces la potencia disponible. Con vientos más constantes y más predecibles, el viento de gran altitud tiene una ventaja sobre el viento cerca del suelo. Poder ubicar HAWP a altitudes efectivas y usar la dimensión vertical del espacio aéreo para la agricultura eólica brinda una ventaja adicional al usar vientos de gran altitud para generar energía.
Los generadores eólicos de gran altitud se pueden ajustar en altura y posición para maximizar el retorno energético, lo que resulta poco práctico con los generadores eólicos montados en torres fijas.
En cada rango de altitudes, los investigadores y desarrolladores abordan cuestiones específicas de cada altitud. A medida que aumenta la altitud, las ataduras aumentan en longitud, la temperatura del aire cambia y la vulnerabilidad a los rayos atmosféricos cambia. Con el aumento de la altitud, aumenta la exposición a riesgos, aumentan los costos, cambia la exposición a la turbulencia, aumenta la probabilidad de que el sistema vuele en más de un estrato direccional de vientos y cambian los costos de operación. Los sistemas HAWP que se utilizan deben ascender a través de todas las altitudes intermedias hasta las altitudes de trabajo finales, siendo primero un dispositivo de baja altitud y luego uno de gran altitud.
Métodos de captura de energía cinética de vientos de gran altitud
La energía puede ser capturada del viento por cometas, [10] kytoons , planeadores atados , [11] planeadores atados , aerostatos (kytoons esféricos y con forma), turbinas de palas, perfiles aerodinámicos, matrices de perfiles aerodinámicos, drogues, drogues variables, perfiles aerodinámicos en espiral, turbinas Darrieus, dirigibles VAWT de efecto Magnus, complejos de rotores múltiples, cometas de parapente Jalbert de tela, turbinas de una sola pala, alas giratorias, amarres, bridas, bucles de cuerda, palas flotantes, formas onduladas y materiales piezoeléctricos, [12] y más. [13]
Cuando el propósito de un sistema es propulsar barcos y embarcaciones, [14] [15] los objetos colocados en el viento tenderán a tener la mayor parte de la energía capturada en tensión útil en la atadura principal. Los cuerpos de trabajo en altura se operarán para mantener la tensión útil incluso mientras el barco se mueve. Este es el método para los deportes de powerkite. Este sector de HAWP es el método más instalado. El folclore sugiere que Benjamin Franklin utilizó el método de tracción de HAWP. George Pocock fue un líder en vehículos de remolque por tracción. [16]
Controles
Las aeronaves HAWP necesitan ser controladas. Las soluciones en sistemas integrados tienen mecanismos de control ubicados de diversas formas. Algunos sistemas son pasivos, activos o una combinación. Cuando se eleva una unidad de dirección de cometa (KSU), la KSU puede ser robótica y autónoma; una KSU puede ser operada desde tierra a través de control por radio por un operador humano en vivo o por programas informáticos inteligentes. Algunos sistemas tienen sensores integrados en el cuerpo de la aeronave que informan parámetros como la posición y la posición relativa a otras partes. Las unidades de control de cometa (KCU) han involucrado más que la dirección; las velocidades y direcciones de enrollado de la cuerda se pueden ajustar en respuesta a las tensiones de la cuerda y las necesidades del sistema durante una fase de generación de energía o una fase de retorno sin generación de energía. Las piezas de control de cometa varían ampliamente. [17] [18]
Métodos de conversión de la energía
La energía mecánica del dispositivo se puede convertir en calor , sonido , electricidad , luz , tensión , empujes, tirones, láser , microondas , cambios químicos o compresión de gases. La tracción es un gran uso directo de la energía mecánica, como en el remolque de barcos de carga y kitesurfistas. Hay varios métodos para obtener la energía mecánica de la energía cinética del viento. Los aerostatos amarrados más ligeros que el aire (LTA) se utilizan como elevadores de turbinas . Los perfiles aerodinámicos atados más pesados que el aire (HTA) se utilizan como elevadores o turbinas en sí mismos. Se están construyendo y volando combinaciones de dispositivos LTA y HTA en un sistema para capturar HAWP. Incluso una familia de dispositivos aéreos de vuelo libre están representados en la literatura que capturan la energía cinética de los vientos de gran altitud (comenzando con una descripción en 1967 de Richard Miller en su libro Without Visible Means of Support ) y una solicitud de patente contemporánea de Dale C. Kramer, competidor de planeadores, inventor.
El principio de funcionamiento de la turbina eólica aérea. Fuente de la imagen: KitesforfuturePosible trayectoria de vuelo de la turbina eólica aérea cometa. Fuente de la imagen: Kitesforfuture
Una investigación sobre las innovaciones tecnológicas de las turbinas eólicas aerotransportadas revela que la técnica de las “AWT tipo cometa”, el tipo más común, tiene un alto potencial de crecimiento en el futuro; ha contribuido con aproximadamente el 44% de la energía eólica aerotransportada total durante el período 2008-2012. Las AWT tipo cometa extraen energía a través de turbinas eólicas suspendidas a grandes altitudes utilizando cometas como cometas multi-tethered, cometas circulares de doble propósito y de ala rotatoria, etc. [19]
Posición del generador eléctrico en un sistema HAWP
La generación de electricidad es sólo una de las opciones para capturar energía mecánica; sin embargo, esta opción domina el enfoque de los profesionales que apuntan a suministrar grandes cantidades de energía al comercio y los servicios públicos. Una larga gama de opciones secundarias incluyen remolcar turbinas de agua , bombear agua o comprimir aire o hidrógeno. La posición del generador eléctrico es una característica distintiva entre los sistemas. El vuelo del generador en el aire se realiza de diversas formas. Mantener el generador en la región de amarre es otra gran opción de diseño. La opción en un sistema de un generador en el aire y en la estación terrestre se ha utilizado donde un pequeño generador opera dispositivos electrónicos en el aire mientras que el generador terrestre es el gran trabajador para producir electricidad para cargas significativas.
Generador de carrusel
La configuración “Carrusel” consiste en que varias cometas vuelan a una altura constante y a altitudes mayores, tirando en rotación de un generador que se mueve sobre un amplio riel circular. Para un sistema de Carrusel grande, la potencia obtenida puede calcularse a partir del orden de GW, exponiendo una ley que ve la potencia alcanzable como una función del diámetro elevado a la quinta potencia, mientras que el incremento del costo del generador es lineal. [20]
HAWP basado en aerostato
Un método para mantener en el aire los sistemas HAWP en funcionamiento es utilizar aeróstatos flotantes, independientemente de si el generador eléctrico se eleva o se deja en el suelo. Los aeróstatos suelen tener una forma que consiga un efecto de sustentación similar al de una cometa, aunque no siempre. La recarga del gas de sustentación filtrado se puede llevar a cabo de diversas formas. En caso de vientos productivos, los aeróstatos suelen caer debido a la resistencia aerodinámica aplicada sobre la amplia e inevitable superficie de Reynolds, lo que los excluye de facto de la categoría HAWP.
Sistema de conversión de energía eólica más ligero que el aire, patente de EE. UU. 4350897 de WR Benoit, presentada el 24 de octubre de 1980 y expedida el 21 de septiembre de 1982.
El sistema TWIND (solicitud de patente internacional PCT/W02010/015720) se basa en la utilización de una superficie vélica elevada por la fuerza de ascenso de un globo aerostático conectado al suelo mediante un cable utilizado también para la transmisión de energía. El viento presente a gran altura crea un empuje horizontal sobre la vela que en su movimiento transmite esta energía al suelo a través del cable de conexión. Al final de su movimiento hacia delante, la superficie vélica se reduce, lo que le permite moverse contra el viento con un menor desperdicio de energía. [21]
El aerostato Magenn es una turbina eólica de eje vertical que se mantiene con su eje horizontal mediante un freno transversal al viento de modo que se obtiene la sustentación por efecto Magnus durante la autorrotación; la electricidad se genera con generadores en el eje final. [22]
El LTA Windpower PowerShip utiliza la sustentación de un aerostato y de las alas. Opera con una flotabilidad cercana a la neutralidad y no requiere cabrestante. La energía se genera mediante turbinas con las hélices en el borde de salida de las alas. El sistema está diseñado para poder despegar y aterrizar sin supervisión. [23]
Airbine propone elevar turbinas eólicas en el aire mediante el uso de aerostatos; la electricidad regresaría a las cargas terrestres a través de una conexión conductora. [24]
Turbina de energía para dirigible de William J. Mouton, Jr. y David F. Thompson: su sistema integró la turbina dentro de la porción central de un aerostato casi toroidal, como si pusiera una turbina en el orificio de una rosquilla de aerostato. [25]
El sistema HAWE [26] se desarrolló a partir de la idea de Tiago Pardal. Este sistema consiste en un ciclo de bombeo similar al de los sistemas de cometas. En la fase de generación, la fuerza de tracción aumenta de 5 a 10 veces debido al efecto Magnus de un cilindro giratorio (plataforma aérea). Al igual que una cometa, la fuerza de tracción producida por la plataforma aérea desenrollará el cable y generará electricidad en el suelo. En la fase de recuperación, rebobina el cable sin efecto Magnus en la plataforma aérea.
Wind Fisher está desarrollando globos de efecto Magnus capaces de soportar vientos cruzados [27] que generan electricidad con generadores terrestres que funcionan con un ciclo de bombeo con un par de alas cilíndricas más ligeras que el aire e infladas con helio. La empresa, con sede cerca de Grenoble, está probando actualmente un prototipo más pesado que el aire de 1,7 m de envergadura.
Un concepto de código abierto, publicado en 2023, proponía un globo lleno de helio con velas acopladas, que crean presión e impulsan la rotación del sistema alrededor de su eje horizontal. La energía cinética se transfiere a un generador en el suelo a través de cuerdas en movimiento circular. [28]
Sistemas no aerotransportados
En teoría, dos montañas adyacentes (naturales o creadas por el terreno) o edificios o torres artificiales (urbanas o artificiales) podrían tener una turbina eólica suspendida entre ellas mediante el uso de cables. Cuando el HAWP se conecta por cable entre dos cimas de montañas a través de un valle, [3] el dispositivo HAWP no está suspendido en el aire, sino que es sostenido por el sistema de cables. No se sabe que se utilicen tales sistemas, aunque existen patentes que enseñan estos métodos. Cuando los puentes no cableados son la base para sostener las turbinas eólicas por encima del suelo, [29] entonces se agrupan con las turbinas de torre convencionales y quedan fuera del propósito del HAWP, donde la sujeción de un sistema suspendido en el aire es fundamental.
Seguridad
Los rayos , el tráfico aéreo , los procedimientos de emergencia, las inspecciones del sistema, el marcado de visibilidad de las partes del sistema y sus amarres, la seguridad eléctrica , los procedimientos de ala desbocada, los controles de sobrecarga, el amarre apropiado y más forman el entorno de seguridad para los sistemas HAWP.
Desafíos como industria emergente
Antes de la actividad actual, hubo varios períodos de gran interés en las HAWP. El primer período se centró principalmente en el arrastre de vehículos sobre el terreno y la captura de electricidad atmosférica y rayos para uso humano. [30] El segundo período fue en los años 1970 y 1980, cuando florecieron la investigación y la inversión; una caída en el precio del petróleo dio como resultado que no se instalaran instalaciones significativas de HAWP. El retorno de la inversión (ROI) ha sido el parámetro clave; ese ROI sigue siendo el foco de atención en la actividad de desarrollo actual, mientras que en segundo plano está el movimiento de energía renovable y sostenible que apoya la energía eólica de cualquier tipo; pero las HAWP deben competir en ROI con las soluciones convencionales de torres. Un centro de pruebas en Lista, Noruega, proporciona una verificación independiente de la investigación. [31]
Referencias tempranas a HAWP
Los primeros siglos de la práctica de volar cometas demostraron que la cometa es un motor rotatorio que hace girar su parte de amarre alrededor de su punto de amarre y hace que las manos y los brazos se muevan debido a la energía captada de los vientos más fuertes por el dispositivo mecánico. La tensión en los dispositivos suspendidos realiza el trabajo de levantar y tirar de partes del cuerpo y cosas. La energía eólica aerotransportada (AWE) para HAWP nació hace miles de años; nombrar lo que sucedió y desarrollar los potenciales implícitos de las aeronaves amarradas para realizar trabajos especiales es lo que está ocurriendo en AWE HAWP. Lo que es "bajo" para algunos trabajadores es "alto" para otros.
1796 George Pocock utilizó el modo de tracción para viajar en vehículos por caminos terrestres.
1827 Se publicó el libro de George Pocock "El arte aeropléustico" o "Navegación en el aire mediante el uso de cometas o velas flotantes". Pocock describió el uso de cometas para viajar por tierra y mar. El libro se volvió a publicar varias veces. [32]
En 1833, John Adolphus Etzler vio florecer el HAWP, al menos en términos de tracción. [33]
¿1864? El capítulo Kite-Ship del libro describe bien la dinámica clave del HAWP utilizado para remolcar barcos con cometas. John Gay's: or Work for Boys. Capítulo XVIII en el volumen de verano. [15]
1935 Aloys van Gries se erige como uno de los primeros y destacados patentadores de energía eólica a gran altitud; enseñó varios sistemas de cometas para su uso en la generación de electricidad en su patente DE 656194 C: Durch Drachen getragene Windkraftmaschine zur Nutzbarmachung von Hoehenwinden
En 1943, Stanley Biszak enseñó a utilizar la energía potencial en vuelo libre para convertir los vientos ambientales que impactan en una turbina para impulsar un generador eléctrico que carga las baterías. [34]
En 1967, Richard Miller, ex editor de la revista Soaring , publicó el libro Without Visible Means of Support (Sin medios visibles de soporte) , que describe la viabilidad de utilizar cometas acopladas al suelo y de vuelo libre para capturar las diferencias en los estratos de viento y viajar a través de los continentes; dicho HAWP es el tema de la solicitud de patente contemporánea de Dale C. Kramer.
1973? Hermann Oberth En el apéndice de su libro Primer for Those Who Would Govern hay bocetos y una fotografía de un modelo de la Central Eléctrica de Cometas del Museo Oberth. [35]
3 de abril de 1977, se declara la invención. El 21 de septiembre de 1979, Douglas Selsam certificó ante notario su sistema HAWP de cadena infinita de perfiles aerodinámicos elevados por cometa, tipo genérico que más tarde se mostraría en el dispositivo del astronauta holandés Wubbo Ockels [ 36] llamado LadderMill descrito en una patente de 1997. Douglas Selsam concibió su teleférico flotante autoorientado que aprovecha el viento el 3 de abril de 1977. En la divulgación de la invención certificada por Selsam se colocó una fecha del 20 de septiembre, mientras que el notario colocó la firma final el 21 de septiembre de 1979. notas y dibujos. [37]
1979 El profesor Bryan Roberts comienza el desarrollo del generador eólico HAWP tipo autogiro Giromill. [38]
1980 Miles Loyd publica un artículo sobre la potencia de la cometa con viento cruzado. [39]
El rotor AWE HAWP de Bryan Roberts de 1986 genera electricidad y se eleva en vuelo cautivo. [40]
1992 Free Rotor WO/1992020917 Free Rotor de JACK, Colin, Humphry, Bruce (un solo hombre). Colin Jack. Colin Bruce. Se tratan los multirotores. Se reconocen los amarres carenados. 1992.
Autorrotación
La autorrotación es la base de un amplio sector de la tecnología de energía eólica a gran altitud . Los centros de investigación y desarrollo de energía eólica a gran altitud dependen con frecuencia de la autorrotación de las palas: SkyMill Energy, Joby Energy, Sky Windpower, BaseLoad Energy, Magenn Power y Makani Power están fabricando y probando sistemas de conversión de energía eólica aerotransportada (AWECS) que emplean la autorrotación de las palas para impulsar los ejes de los generadores y generar electricidad a gran altitud y enviarla a tierra a través de cables conductores. [41]
Véase también
Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Energía eólica aerotransportada .
^ Roberts, Bryan R.; Shepard, David H.; Caldeira, Ken; Cannon, M. Elizabeth; Eccles, Da G.; Grenier, Albert J.; Freidin, Jonathan F. (2007). "Aprovechamiento de la energía eólica a gran altitud". IEEE Transactions on Energy Conversion . 22 (1): 136–144. Bibcode :2007ITEnC..22..136R. doi :10.1109/TEC.2006.889603. S2CID 1833299.
^ Vuelo sin combustible: estudio de viabilidad del vuelo regenerativo
^ Curvas de energía eólica Archivado el 9 de diciembre de 2008 en Wayback Machine.
^ El poder del viento: Cubo de velocidad del viento de la Asociación de la industria eólica danesa Archivado el 31 de octubre de 2009 en Wayback Machine.
^ Evaluación global de la energía eólica a gran altitud
^ Modelado y análisis de recursos eólicos a gran altitud, Archan Padmanabhan
^ Windswept and Interested Ltd a través de conjuntos de cometas rotativas que explotan la transferencia de potencia rotatoria de tracción.
^ Makani Power, Inc. informó que ha logrado avances en una nave con forma de planeador de turbina que gira en círculos y que funciona a veces con motor y a veces sin motor durante la generación de energía. El informe se presentó en la conferencia HAWP 2009 en el Cleanteach Innovation Center en noviembre de 2009.
^ Materiales piezoeléctricos
^ Joby Energy Archivado el 20 de abril de 2017 en Wayback Machine.
^ KiteShip - Innovación en vuelo cautivo Archivado el 5 de marzo de 2010 en Wayback Machine.
^ ab John Gay's Work for Boys. Cuatro volúmenes. El volumen de verano tenía el capítulo XVIII titulado Kite-Ship que describía muy bien la dinámica de tracción de cometas del HAWP.
^ Mecánica del kite buggying clásico o cómo el Sr. Pocock ganó 9 m/s con su Charvolant Archivado el 10 de agosto de 2011 en Wayback Machine
^ SwissKitePower; el diseñador de KCU fue Corey Houle.
^ El control del proyecto KiteGen como tecnología clave para un salto cuántico en los generadores de energía eólica por M. Canale, L. Fagiano, M. Milanese y M. Ippolito.
^ "Turbinas eólicas aerotransportadas: un informe técnico". Scope e-Knowledge Center Pvt Ltd. 2013. Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015.
^ "KiteGen: rondas de inversión, principales clientes, socios e inversores | i3 Connect". i3connect.com . Consultado el 10 de septiembre de 2018 .
^ TWIND Archivado el 16 de diciembre de 2009 en Wayback Machine.
^ Magenn Power, Inc. Archivado el 11 de diciembre de 2008 en Wayback Machine.
^ Energía eólica LTA
^ Aeronave con turbina eólica en forma de embudo Solicitud de patente Solicitud de patente: Pub. No.: US 2008/0290665 A1, Fecha de publicación: 27 de noviembre de 2008. Inventor: Lynn Potter de Barstow, California (EE. UU.). [ enlace muerto permanente ]
^ Turbina de energía para dirigible, patente estadounidense 4166596 de William J. Mouton, Jr. y David F. Thompson, presentada el 28 de abril de 1978.
^ "Sistema HAWE Omnidea". Archivado desde el original el 26 de febrero de 2015. Consultado el 26 de febrero de 2015 .
^ "Publicación de Garrett Smith en LinkedIn" . Consultado el 11 de noviembre de 2022 .
^ Michailidis, Giannis (9 de enero de 2023), Concepto de turbina eólica de gran altitud , consultado el 22 de febrero de 2023
^ El Bahrain World Trade Center es un ejemplo de un puente terminado que sostiene turbinas eólicas a gran altura sobre el suelo; como las turbinas no están atadas al viento, este ejemplo es una disposición de torres gemelas no atadas y no suspendidas en el aire.
^ 'El arte aeropléustico' de Pocock Archivado el 23 de julio de 2011 en Wayback Machine.
^ Ramsdal, Roald (22 de septiembre de 2017). "Vil lokke internasjonale konkurrenter til nytt norsk testingenter para flyvende vindkraft". Teknisk Ukeblad . Consultado el 23 de septiembre de 2017 .
^ El arte aeropléustico Archivado el 9 de diciembre de 2006 en Wayback Machine.
^ El paraíso al alcance de todos los hombres, sin trabajo. Tomos 1-2 Por John Adolphus Etzler. "Podríamos extender la aplicación de la energía [eólica] a las alturas de las nubes, por medio de cometas".
^ Patente estadounidense 2368630 presentada el 3 de junio de 1943.
^ "MEA - El futuro de la humanidad".
^ Aprovechar el viento a gran altitud: una 'escalera' de cometas considerada como fuente de energía Archivado el 15 de julio de 2006 en Wayback Machine
^
Innovaciones Selsam
^ BBC Noticias, Ciencia y Tecnología.
^ J. Energía, 1980, vol. 4., núm. 3.
^ Fotografía de un experimento en Australia realizado por Robert en un helicóptero. PJ Shepard sitúa el año en 1986, según su mejor recuerdo. Bryan Roberts recuerda que la fotografía fue en su sesión de mayo de 1986. En la fotografía, la nave propulsada estaba casi en autorrotación; la generación real de electricidad se realizó brevemente en otra prueba. Hay un vídeo disponible en el que se efectuó la generación eléctrica. La nave mostrada tenía dos ejes giratorios; en cada eje irradiaba una pala de rotor elevadora y una pala aerodinámica más corta con una masa de contrapeso en su punta. El profesor planea una central eléctrica voladora; la nave total pesaba 64 libras. De izquierda a derecha, las personas: Hasso Nibbe, Alan Fien, Grahame Levitt y Bryan Roberts; todos eran empleados de la Universidad de Sydney. Lugar: Mt. Pleasant Farm en Marulan en Nueva Gales del Sur. Viento: aproximadamente 15 nudos. El inventor de AWECS, David H. Shepard, después de mucha correspondencia, finalmente se encontró cara a cara en 2006 con el profesor Bryan Roberts; Estos son parte de los fundamentos de la empresa HAWPA Sky WindPower.
^ Sistemas de cometas energéticas
Bibliografía
Vance, E. Energía eólica: grandes esperanzas. Nature 460, 564–566 (2009). https://doi.org/10.1038/460564a
Enlaces externos
Lista de participantes de la energía eólica aerotransportada
Grupo de investigación de la TU Delft sobre la potencia de las cometas Archivado el 3 de abril de 2013 en Wayback Machine
Energy Kite Systems: un glosario de términos y enlaces a sistemas HAWP
Lista de organizaciones de AWESystems.info
Evaluación de la viabilidad de los recursos eólicos de gran altitud en Irlanda, Colm O'Gairbhith para Carbon Tracking
