Aprovechamiento directo o generación de energía eólica mediante el uso de dispositivos de elevación aerodinámicos o aerostáticos.
La energía eólica aérea ( AWE ) es el uso o generación directa de energía eólica mediante el uso de dispositivos de elevación aerodinámicos o aerostáticos. La tecnología AWE es capaz de captar vientos a gran altura , 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, incluidas explotaciones de múltiples puntos habilitadas para edificios o terrenos. . [3] Una vez que la energía mecánica se deriva de la energía cinética del viento, hay muchas opciones disponibles para usar esa energía mecánica: tracción directa, [4] [5] conversión a electricidad en altura o en una estación terrestre, conversión a láser o microondas para transmisión de energía a otras aeronaves o receptores terrestres. La energía generada por un sistema de gran altitud puede usarse en altura o enviarse a la superficie del suelo mediante cables conductores, fuerza mecánica a través de una correa, rotación de un bucle de línea sin fin, movimiento de sustancias químicas modificadas, flujo de gases a alta presión, flujo de baja presión. gases a presión, o haces de energía láser o de microondas.
Viento de gran altitud con fines energéticos
Los vientos a mayores altitudes 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 permanezcan 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 predecibles, el viento a gran altitud tiene una ventaja sobre el viento cerca del suelo. Ser capaz de ubicar HAWP en altitudes efectivas y utilizar la dimensión vertical del espacio aéreo para la producción eólica aporta mayores ventajas al utilizar vientos a gran altitud para generar energía.
Los generadores eólicos de gran altitud se pueden ajustar en altura y posición para maximizar el retorno de energía, lo cual no es práctico con los generadores eólicos montados en torres fijas.
En cada rango de altitudes, los investigadores y desarrolladores abordan preocupaciones específicas de la altitud. A medida que aumenta la altitud, las ataduras aumentan de longitud, la temperatura del aire cambia y la vulnerabilidad a los rayos atmosféricos cambia. A medida que aumenta la altitud, aumenta la exposición a responsabilidades, aumentan los costos, cambia la exposición a las turbulencias, 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 vuelan deben ascender a través de todas las altitudes intermedias hasta las altitudes finales de trabajo, siendo al principio un dispositivo de baja y luego de gran altitud.
Métodos para capturar la energía cinética de los vientos de gran altitud.
La energía del viento puede ser capturada 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 en espiral, Turbinas Darrieus, dirigibles VAWT de efecto Magnus, complejos de múltiples rotores, cometas de tela Jalbert-parafoil, turbinas de una sola pala, alas giratorias, correas, bridas, bucles de cuerda, palas flotantes, formas onduladas y materiales piezoeléctricos, [12] y más. [13]
Cuando el propósito de un esquema es propulsar barcos y embarcaciones, [14] [15] los objetos colocados con cuerdas en el viento tenderán a tener la mayor parte de la energía capturada en tensión útil en la cuerda principal. Los cuerpos de trabajo superiores se operarán para mantener una tensión útil incluso mientras el barco esté en movimiento. 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 HAWP. George Pocock fue un líder en vehículos remolcadores por tracción. [dieciséis]
Control S
Es necesario controlar los aviones HAWP. Las soluciones en sistemas construidos tienen mecanismos de control situados de diversas formas. Algunos sistemas son pasivos, activos o mixtos. Cuando se iza una unidad de dirección de cometa (KSU), la KSU puede ser robótica y autónoma; Una KSU puede ser operada desde tierra mediante control de radio por un operador humano vivo o mediante programas informáticos inteligentes. Algunos sistemas han incorporado sensores en el cuerpo de la aeronave que informan parámetros como la posición y la posición relativa a otras partes. Las unidades de control de cometas (KCU) han implicado más que dirigir; Las velocidades y direcciones de bobinado de la correa se pueden ajustar en respuesta a las tensiones de la correa 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 la cometa varían ampliamente. [17] [18]
Métodos para convertir la energía.
La energía mecánica del dispositivo puede convertirse en calor , sonido , electricidad , luz , tensión , empujones, 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 buques de carga y kitesurf. Existen varios métodos para obtener energía mecánica a partir de la energía cinética del viento. Los aerostatos amarrados más ligeros que el aire (LTA) se emplean como elevadores de turbinas . Los perfiles aerodinámicos atados más pesados que el aire (HTA) se están utilizando como elevadores o turbinas. Se están construyendo y utilizando combinaciones de dispositivos LTA y HTA en un solo sistema para capturar HAWP. Incluso una familia de dispositivos aerotransportados de vuelo libre está representada en la literatura que captura la energía cinética de los vientos a 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 la turbina eólica aérea con cometa. Fuente de la imagen: KitesforfutureUna posible trayectoria de vuelo del aerogenerador aerotransportado con cometa. Fuente de la imagen: Kitesforfuture
Una investigación sobre las innovaciones tecnológicas de las turbinas eólicas aerotransportadas revela que la técnica de los “AWT tipo cometa”, el tipo más común, tiene un gran margen de crecimiento en el futuro; ha contribuido con aproximadamente el 44% del total de la energía eólica aérea durante el período 2008-2012. Los AWT tipo cometa extraen energía a través de turbinas eólicas suspendidas a gran altura utilizando cometas como cometas con múltiples ataduras, cometas y ventiladores circulares de doble propósito, cometas de alas giratorias, etc. [19]
Posición del generador eléctrico en un sistema HAWP.
La generación de electricidad es sólo una de las opciones para captar energía mecánica; sin embargo, esta opción domina el enfoque de los profesionales que buscan suministrar grandes cantidades de energía al comercio y los servicios públicos. Una amplia gama de opciones secundarias incluyen remolcar turbinas hidráulicas , bombear agua o comprimir aire o hidrógeno. La posición del generador eléctrico es una característica distintiva entre los sistemas. Hacer volar el generador hacia arriba se realiza de diversas formas. Mantener el generador en la zona de amarre es otra gran opción de diseño. Se ha utilizado la opción en un sistema de un generador en lo alto y en la estación terrestre donde un pequeño generador opera dispositivos electrónicos en lo alto mientras que el generador terrestre es el gran trabajador para generar electricidad para cargas importantes.
Generador de carrusel
En la configuración “Carrusel”, varias cometas vuelan a una altura constante y a mayores altitudes, tirando en rotación de un generador que se mueve sobre un amplio riel circular. Para un sistema Carrusel de gran tamaño, la potencia obtenida se puede calcular a partir del orden de GW, exponiendo una ley que ve la potencia alcanzable en función del diámetro elevado a la quinta potencia, mientras que el incremento de coste del generador es lineal. [20]
HAWP basado en aerostato
Un método para mantener en funcionamiento los sistemas HAWP en el aire es utilizar aerostatos flotantes, ya sea que el generador eléctrico se levante o se deje en el suelo. Los aerostatos suelen, pero no siempre, tener una forma para lograr un efecto de elevación de cometa. La recarga del gas de elevación fugado recibe varias soluciones. En caso de vientos productivos, los aerostatos suelen ser derribados por la resistencia aerodinámica aplicada sobre la amplia e inevitable superficie de Reynolds, excluyéndolos de facto de la categoría HAWP.
WR Benoit Patente estadounidense 4350897 Sistema de conversión de energía eólica más ligero que el aire de William R. 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 el uso de una superficie de vela 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 adelante, la superficie de la vela 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 sostenida con su eje horizontal frenando el eje transversal al viento para que se obtenga la sustentación del efecto Magnus durante la autorrotación; la electricidad se genera con generadores de eje final. [22]
El LTA Windpower PowerShip utiliza sustentación tanto de un aerostato como de alas. Opera cerca de una flotabilidad neutral y no requiere un cabrestante. La energía es generada por 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 las turbinas eólicas en el aire mediante el uso de aeróstatos; la electricidad regresaría a las cargas terrestres a través de una correa conductora. [24]
Turbina de potencia para dirigible de William J. Mouton, Jr. y David F. Thompson: su sistema integró la turbina dentro de la parte central de un aerostato casi toroidal, como colocar una turbina en el orificio de un donut de aerostato. [25]
El sistema HAWE [26] se desarrolla a partir de la idea de Tiago Pardal. Este sistema consta de 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). Como una cometa, la fuerza de tracción producida por la plataforma aérea desenrollará el cable y generará electricidad en el suelo. En fase de recuperación rebobina el cable sin efecto Magnus en la plataforma aérea.
Wind Fisher está desarrollando globos de efecto Magnus con capacidad de viento cruzado [27] que generan electricidad con generadores terrestres que operan un ciclo de bombeo con un par de alas cilíndricas infladas con helio y más ligeras que el aire. La empresa, con sede cerca de Grenoble, está probando actualmente un prototipo de 1,7 m de luz más pesado que el aire.
Un concepto de código abierto, lanzado en 2023, proponía un globo lleno de helio con velas adjuntas, 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 aéreos
Conceptualmente, dos montañas adyacentes (naturales o condicionadas 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 HAWP se cablea entre dos cimas de montañas a través de un valle, [3] el dispositivo HAWP no está en el aire, sino que es sostenido por el sistema de cables. No se sabe que se utilicen tales sistemas, aunque las patentes enseñan estos métodos. Cuando los puentes sin cables son la base para sostener las turbinas eólicas a gran altura sobre el suelo, [29] entonces estos se agrupan con turbinas de torre convencionales y están fuera del objetivo de HAWP, donde la sujeción de un sistema aéreo es fundamental.
Seguridad
Los rayos , el tráfico de aeronaves , los procedimientos de emergencia, las inspecciones del sistema, las marcas de visibilidad de las piezas del sistema y sus ataduras, la seguridad eléctrica , los procedimientos de ala fuera de control, los controles de sobrecarga, el amarre apropiado y más forman el entorno de seguridad para los sistemas HAWP.
Desafíos como industria emergente
Ha habido varios períodos de gran interés en HAWP antes de la actividad contemporánea. El primer período se centró en tirar de carruajes sobre las tierras y capturar la electricidad atmosférica y los rayos para uso humano. [30] El segundo período fue en las décadas de 1970 y 1980, cuando florecieron la investigación y la inversión; La caída del precio del petróleo provocó que no se realizaran instalaciones significativas de HAWP. El retorno de la inversión (ROI) ha sido el parámetro clave; que el retorno de la inversión sigue siendo el centro de atención de la actividad de desarrollo actual, mientras que en un segundo plano está el movimiento de energías renovables y sostenibles que apoya la energía eólica de cualquier tipo; pero HAWP debe competir en retorno de la inversión con las soluciones de torres convencionales. Un centro de pruebas en Lista, Noruega, proporciona verificación independiente de la investigación. [31]
Primeras referencias a HAWP
Los primeros siglos del kite demostraron que la cometa es un motor rotatorio que gira su parte de amarre alrededor de su punto de amarre y hace que las manos y los brazos se muevan debido a la energía capturada de los vientos más fuertes en el dispositivo mecánico. La tensión en los dispositivos elevados realiza el trabajo de levantar y tirar de partes del cuerpo y cosas. La energía eólica aérea (AWE) para HAWP nació hace miles de años; nombrar lo sucedido y desarrollar los potenciales implícitos de los aviones atados 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 circular en vehículos por caminos terrestres.
1827 Se publica el libro de George Pocock 'El arte aeropleústico' o 'Navegación en el aire mediante el uso de cometas o velas flotantes'. Pocock describió el uso de cometas para viajes por tierra y mar. El libro se volvió a publicar varias veces. [32]
1833 John Adolphus Etzler vio florecer HAWP al menos para la tracción. [33]
1864? El capítulo del libro Kite-Ship describe bien la dinámica clave del HAWP utilizado para remolcar barcos mediante cometas. John Gay's: o Trabajo para niños. 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
1943 Stanley Biszak instruyó el uso de energía potencial en vuelo libre para convertir los vientos ambientales que impactan en la turbina para impulsar un generador eléctrico para cargar baterías. [34]
1967 Richard Miller, ex editor de la revista Soaring , publicó el libro Without Visible Means of Support que describe la viabilidad de volar libremente cometas acopladas y no amarradas al suelo para capturar diferencias en los estratos de viento para viajar a través de 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 Manual para los que gobernarían se encuentran bocetos y una fotografía de un modelo de la central eléctrica Kite del Museo Oberth. [35]
1977 3 de abril de 1977, declaración de invención. El 21 de septiembre de 1979, Douglas Selsam legalizó ante notario su sistema HAWP de cadena sin fin de perfiles aerodinámicos elevado mediante cometa, tipo genérico que más tarde aparecería en el dispositivo del astronauta holandés Wubbo Ockels [36] llamado LadderMill descrito en una patente de 1997. Douglas Selsam concibió su Auto Tranvía aéreo flotante con aprovechamiento del viento orientado al viento el 3 de abril de 1977. En la divulgación notariada de la invención de Selsam se colocó la 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 girocóptero giromill. [38]
1980 Miles Loyd publica un artículo sobre la potencia de una cometa con viento cruzado. [39]
1986 El rotor AWE HAWP de Bryan Roberts genera electricidad y se eleva en vuelo atado. [40]
1992 Free Rotor WO/1992020917 Free Rotor de JACK, Colin, Humphry, Bruce (un hombre). Colin Jack. Colin Bruce. Se tratan multirrotores. Se reconocen las correas carenadas. 1992.
Rotación automática
La autorrotación es la base de un gran sector de la tecnología AWE. Los centros de investigación y desarrollo de energía eólica a gran altitud con frecuencia dependen 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 para generar electricidad en altitud y enviar la electricidad a tierra a través de correas conductoras. [41]
Ver también
Wikimedia Commons tiene medios relacionados con la energía eólica aérea .
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^ Fotografía de Robert's Rotorcraft del experimento en Australia. PJ Shepard sitúa el año 1986 como el mejor recuerdo. Bryan Roberts recuerda que la fotografía fue en su sesión en mayo de 1986. En la fotografía, la nave motorizada estaba casi en autorrotación; La generación de electricidad real se realizó brevemente en otra prueba. Se encuentra disponible un video donde se efectuó la generación eléctrica. La nave mostrada tenía dos centros giratorios; en cada cubo irradiaba una pala de rotor elevador y una pala más corta y aerodinámica 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. Sitio: 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 conoció cara a cara en 2006 al profesor Bryan Roberts; Estos son parte de los cimientos de la empresa HAWPA Sky WindPower.
^ Sistemas de cometas de energía
Bibliografía
Vance, E. Energía eólica: grandes esperanzas. Naturaleza 460, 564–566 (2009). https://doi.org/10.1038/460564a
enlaces externos
Lista de participantes en energía eólica aérea
Grupo de investigación sobre potencia de cometas TU Delft 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 a gran altitud en Irlanda, Colm O'Gairbhith para el seguimiento del carbono