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Energía eólica aérea

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.

Se ha preparado un atlas del recurso de energía eólica a gran altitud para todos los puntos de la Tierra. [8] En Joby Energy se desarrolló un atlas similar de evaluación global [9] .

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: Kitesforfuture
Una 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.

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.

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

Referencias

  1. ^ Roberts, Bryan R.; Shepard, David H.; Caldeira, Ken; Cañón, M. Elizabeth; Eccles, Da G.; Grenier, Albert J.; Freidin, Jonathan F. (2007). "Aprovechamiento de la energía eólica a gran altitud". Transacciones IEEE sobre conversión de energía . 22 (1): 136-144. Código Bib : 2007ITEnC..22..136R. doi :10.1109/TEC.2006.889603. S2CID  1833299.
  2. ^ Vuelo sin combustible: estudio de viabilidad de vuelo regenerativo
  3. ^ ab Turbinas eólicas en soportes
  4. ^ SkySails Archivado el 5 de enero de 2010 en la Wayback Machine.
  5. ^ Anne Quéméré, Oceankite y el clima extremo
  6. ^ Curvas de energía eólica Archivado el 9 de diciembre de 2008 en la Wayback Machine.
  7. ^ El poder del viento: cubo de la velocidad del viento por la Asociación Danesa de la Industria Eólica Archivado el 31 de octubre de 2009 en la Wayback Machine.
  8. ^ Evaluación global de la energía eólica a gran altitud
  9. ^ Análisis y modelado de recursos eólicos a gran altitud, Archan Padmanabhan
  10. ^ Windswept and Interested ltd a través de juegos de cometas rotativas que aprovechan la transferencia de potencia rotativa por tracción.
  11. ^ Makani Power, Inc. informó que han logrado avances en una nave similar a un planeador de turbina circular atada que a veces funciona y en ocasiones no durante la generación de energía. El informe se presentó en la conferencia HAWP 2009 en el Cleanteach Innovation Center en noviembre de 2009.
  12. ^ Materiales piezoeléctricos
  13. ^ Joby Energy Archivado el 20 de abril de 2017 en la Wayback Machine.
  14. ^ KiteShip: innovación en vuelos atados Archivado el 5 de marzo de 2010 en la Wayback Machine.
  15. ^ ab Trabajo de John Gay para niños. Cuatro volúmenes. El volumen de verano tenía el Capítulo XVIII titulado Kite-Ship que describía bien la dinámica de tiro de cometas HAWP.
  16. ^ Mecánica del kitesurf clásico o cómo el Sr. Pocock ganó 9 m / s con su Charvolant Archivado el 10 de agosto de 2011 en Wayback Machine.
  17. ^ SwissKitePower; El diseñador de KCU fue Corey Houle.
  18. ^ 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.
  19. ^ "Turbinas eólicas aerotransportadas: informe técnico". Scope e-Knowledge Center Pvt Ltd. 2013. Archivado desde el original el 24 de septiembre de 2015.
  20. ^ "KiteGen: Rondas de inversión, principales clientes, socios e inversores | i3 Connect". i3connect.com . Consultado el 10 de septiembre de 2018 .
  21. ^ GEMELO Archivado el 16 de diciembre de 2009 en la Wayback Machine.
  22. ^ Magenn Power, Inc. Archivado el 11 de diciembre de 2008 en la Wayback Machine.
  23. ^ Energía eólica LTA
  24. ^ Solicitud de patente de aeronave con turbina eólica canalizada 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 ]
  25. ^ Turbina de potencia para dirigible, patente estadounidense 4166596 de William J. Mouton, Jr. y David F. Thompson, presentada el 28 de abril de 1978.
  26. ^ "Sistema HAWE Omnidea". Archivado desde el original el 26 de febrero de 2015 . Consultado el 26 de febrero de 2015 .
  27. ^ "Publicación de LinkedIn de Garrett Smith" . Consultado el 11 de noviembre de 2022 .
  28. ^ Michailidis, Giannis (9 de enero de 2023), Concepto de turbina eólica de gran altitud , consultado el 22 de febrero de 2023
  29. ^ El World Trade Center de Bahrein 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 es un ejemplo de una disposición de torres gemelas no atadas y no suspendidas en el aire.
  30. ^ 'El arte aeropleustico' de Pocock Archivado el 23 de julio de 2011 en la Wayback Machine.
  31. ^ 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 .
  32. ^ El arte aeropleustico Archivado el 9 de diciembre de 2006 en la Wayback Machine.
  33. ^ El paraíso al alcance de todos los hombres, sin trabajo. Volúmenes 1-2 de John Adolphus Etzler. "Podríamos extender la aplicación de la energía [eólica] a las alturas de las nubes, por medio de cometas".
  34. ^ Patente estadounidense 2368630 presentada el 3 de junio de 1943.
  35. ^ "MEA - El futuro de la humanidad".
  36. ^ Aprovechando el viento a gran altitud, 'escalera' de cometas vista como fuente de energía Archivado el 15 de julio de 2006 en la Wayback Machine.
  37. ^ Innovaciones Selsam
  38. ^ BBC News, ciencia tecnológica.
  39. ^ J. Energía, 1980, vol. 4., no. 3.
  40. ^ 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.
  41. ^ Sistemas de cometas de energía

Bibliografía

enlaces externos