Un generador de viento iónico sin paletas o valla eléctrica es un dispositivo que genera energía eléctrica utilizando el viento para mover partículas cargadas a través de un campo eléctrico .
Los generadores de viento iónico no están disponibles comercialmente, aunque se han creado prototipos funcionales y pruebas de concepto . Existen varios prototipos en los Países Bajos , uno de los cuales se encuentra en la Universidad Tecnológica de Delft , cuyos investigadores desarrollaron parte de la tecnología subyacente. [1] Los generadores de viento iónico son actualmente experimentales, mientras que las turbinas eólicas convencionales son la forma más común de generación de energía eólica . [2] Pero los generadores de viento iónico, que no tienen partes móviles, podrían usarse en entornos urbanos donde las turbinas eólicas son poco prácticas debido al ruido vibratorio, las sombras en movimiento y el peligro que representan para las aves . [3]
Uno de los primeros ejemplos de generación de energía electrostática se encuentra en la Tormenta Eléctrica de Lord Kelvin , un dispositivo inventado en 1867. De manera similar a los generadores de viento iónico, la Tormenta Eléctrica usaba agua para transportar cargas y generar energía a través de principios relacionados. Sin embargo, la Tormenta Eléctrica dependía de la fuerza de la gravedad y dos depósitos con cargas opuestas para generar una diferencia de voltaje . [3] Aunque no son idénticos en su funcionamiento, la Tormenta Eléctrica de Lord Kelvin demuestra el comportamiento del agua y los conceptos de electrostática que sustentan los generadores de viento iónico modernos.
Los generadores de viento iónico utilizan la fuerza del viento para mover partículas cargadas, generalmente agua, contra la fuerza de un campo eléctrico. Esto aumenta la energía potencial de las partículas, lo que puede compararse con mover una masa hacia arriba contra la fuerza de la gravedad . El método de recolección de energía varía según la implementación.
El diseño de los aerogeneradores iónicos elimina la conversión intermedia de energía mecánica que se produce en las turbinas eólicas. Las turbinas eólicas utilizan la energía cinética del viento para hacer girar varias palas alrededor de un rotor. La energía mecánica del rotor se convierte en energía eléctrica mediante un generador eléctrico .
La conversión entre diferentes formas de energía requiere cierta pérdida de energía, ya sea hacia el medio ambiente o en forma inútil, y menos conversiones mejoran el resultado teórico. [5]
Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft idearon una ecuación para modelar el comportamiento de las gotas de agua a medida que se desplazan por el aire con el fin de optimizar el sistema matemáticamente y ejecutar simulaciones por ordenador . Para los fines del modelo, se supone una configuración de electrodos sencilla y un campo eléctrico uniforme, en el que la fuerza eléctrica ejercida sobre las partículas será directamente opuesta a la del viento.
Sobre cada partícula actúa la fuerza de la gravedad ,
donde es la masa de la i- ésima gota y es la aceleración gravitacional de la Tierra . El modelo supone que es constante y no tiene en cuenta la evaporación . La atmósfera también ejerce una fuerza en forma de flotabilidad a medida que caen las gotas,
donde es el volumen de la gota y es la densidad del aire . Las gotas también se ven afectadas por el viento,
donde es el coeficiente de arrastre , es la velocidad del viento y es la velocidad de la gota. La ecuación se puede simplificar en casos de flujo laminar , que se puede expresar utilizando el Número de Reynolds (Re), que se utiliza en mecánica de fluidos para determinar patrones de flujo. El flujo se considera laminar cuando el Número de Reynolds es menor que 1,
donde es la viscosidad del aire . Cuando el flujo es efectivamente laminar, la fuerza de arrastre se puede calcular utilizando la ley de Stoke .
donde es el factor de corrección de deslizamiento de Cunningham , que se supone que es 1 para partículas mayores de 1 μm de diámetro.
La fuerza eléctrica que actúa sobre las gotas se ve afectada tanto por el campo eléctrico externo ( ) de los electrodos del dispositivo,
¿Dónde está la carga de la i- ésima gota y los campos eléctricos de otras gotas cargadas?
donde es la distancia entre la gota i y la gota j . La suma de estas fuerzas representa la ecuación completa de los investigadores,
donde es la fuerza total ejercida sobre la i -ésima gota y es la aceleración de la i - ésima gota. El trabajo realizado sobre la i- ésima gota se puede calcular utilizando la ecuación anterior,
donde es el desplazamiento de la gota . Los investigadores utilizan esto para calcular la diferencia de energía potencial de la gota. La suma del trabajo realizado sobre cada gota da como resultado la energía total generada por el viento. [4]
Existen dos tipos de implementación de generadores de viento iónicos. La primera, patentada por Alvin Marks en 1977, era un dispositivo doble que comprendía un sistema de carga y un colector independiente. El EWICON es un derivado del diseño que permite que el sistema funcione sin la necesidad de un colector independiente.
Un sistema de carga conectado a tierra produce una nube de partículas cargadas. El viento transporta las partículas hacia un colector conductor. El colector está aislado por su soporte mecánico no conductor. Aunque el colector es inicialmente neutro, las partículas transfieren su carga al entrar en contacto, lo que aumenta la energía potencial del colector.
Las partículas cargadas y el colector, ahora también cargado, forman un campo eléctrico que ejerce una fuerza sobre las partículas en la dirección opuesta al viento. Aunque la fuerza del viento supera inicialmente la fuerza del campo eléctrico, el flujo continuo de partículas aumenta la fuerza del campo eléctrico. La fuerza puede llegar a ser lo suficientemente fuerte como para mover las partículas de nuevo hacia el sistema de carga, o pueden simplemente pasar por el colector. Las partículas que nunca llegan al colector no contribuyen a la generación neta de energía.
El sistema funciona con la máxima eficiencia cuando todas las partículas llegan al colector. Ajustar variables como la velocidad del viento y el tamaño del colector puede mejorar el rendimiento del sistema. [4]
El EWICON funciona con los mismos principios que la implementación anterior, pero abandona el colector. En su lugar, el EWICON está aislado de la Tierra y libera partículas cargadas al aire. La dispersión de partículas cargadas negativamente desde un sistema inicialmente neutro aumenta su energía potencial. Una vez que el sistema de carga tiene una polaridad opuesta a la de las partículas, se ejerce una fuerza de atracción. Si hay poco viento, la fuerza puede transportar las partículas de regreso al sistema de carga, perdiendo la energía neta obtenida de su dispersión.
El sistema EWICON funciona con máxima eficiencia cuando todas las partículas abandonan el sistema de carga y llegan a la Tierra, que actúa como colector en lugar de un sistema secundario. [4]
Un grupo de investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft diseñó el sistema. Un prototipo del dispositivo se instaló en el campus universitario y dos más se encuentran en la parte superior del edificio Stadstimmerhuis 010, ubicado en Róterdam . Los prototipos fueron diseñados por Mecanoo , una firma de arquitectura local de Delft . [1]
El Dutch Windwheel es un diseño de edificio que se espera que incorpore la tecnología EWICON. Los planes fueron propuestos por una asociación de tres empresas de Rotterdam a través de Dutch Windwheel Corp., que esperaba que el edificio estuviera terminado para 2022, pero aún no ha comenzado la construcción. La estructura está destinada a mostrar múltiples tecnologías respetuosas con el medio ambiente, incluida la captura de agua de lluvia, la filtración de agua de humedales y la energía solar. El centro del edificio circular está reservado para la generación de energía eólica mediante el uso de un generador de viento iónico a gran escala basado en la implementación de EWICON. Se desconoce la eficiencia y la generación de energía del sistema a tal escala, pero Dutch Windwheel Corp. espera que el edificio genere más energía de la que consume. [6] [7]
Los generadores de viento iónicos y las turbinas eólicas comparten algunas de las mismas ventajas y desventajas. Ambos están sujetos a las condiciones del viento y no pueden generar electricidad si las condiciones climáticas no son favorables. Esto se puede mitigar hasta cierto punto con la ubicación estratégica de los dispositivos en áreas con una velocidad del viento más constante. [8]
Los generadores de viento iónico suelen ser mucho más pequeños que las turbinas eólicas. Muchos modelos de turbinas eólicas superan los 400 pies (122 m) de altura. [9] Su tamaño y complejidad conducen a altos costos de mantenimiento , que, cuando se combinan con el costo de operación , pueden representar una cuarta parte del costo total por kilovatio-hora. [10] Las turbinas eólicas también producen ruido que puede molestar a los residentes de las cercanías. [11] Las propiedades aerodinámicas de las palas de las turbinas eólicas [11] y el funcionamiento mecánico interno [12] producen el ruido, pero ambas características no están presentes en los generadores de viento iónico. El funcionamiento más silencioso ha llevado a los investigadores a considerar el uso de la tecnología en entornos urbanos . El diseño sin palas de los generadores de viento iónicos podría hacer que la energía eólica sea más respetuosa con el medio ambiente , ya que las "plantas de energía eólica actuales representan un riesgo de mortalidad de aves". [13] Las turbinas eólicas tienen velocidades máximas de operación que varían según el diseño. Las turbinas eólicas se apagan cuando se exceden las velocidades de "corte" para evitar daños. [14] Por lo tanto, las turbinas no pueden generar energía con vientos de alta velocidad que caen más allá de la ventana de rendimiento, mientras que los generadores de viento iónico teóricamente pueden continuar funcionando. [15]
La tecnología aún está en sus inicios y los generadores de viento iónico no son tan eficientes como las turbinas eólicas convencionales. Durante las pruebas realizadas en 2005, el EWICON no pudo igualar la salida de la turbina eólica. Los investigadores pudieron demostrar "una conversión del 7% de la energía eólica en energía eléctrica, mientras que los sistemas de turbinas eólicas convencionales tienen una eficiencia del 45% a sus velocidades nominales. Se sugieren mejoras que podrían llevar a una eficiencia del EWICON en el rango del 25-30%". [15] En la Conferencia Internacional de 2005 sobre Sistemas de Energía Futura, las sugerencias para futuros avances incluyeron cambios en el método de atomización electrohidrodinámica , o electrospray , y el diseño de una matriz más densa de boquillas. [15] Las pruebas aún deben indicar que la tecnología se ha desarrollado lo suficiente como para rivalizar con las turbinas eólicas en eficiencia. Se han construido varios prototipos para pruebas y experimentación , pero los investigadores esperan construir un dispositivo más grande con mayor potencia de salida. [16] Si bien el nivel actual de desarrollo no supera a las turbinas eólicas en eficiencia, la tecnología podría contribuir a la combinación energética en entornos urbanos donde una turbina eólica puede resultar poco práctica.
