La energía de las cometas con viento cruzado es energía derivada de sistemas de conversión de energía eólica aerotransportados (AWECS, también AWES) o sistemas de energía de cometas con viento cruzado (CWKPS). El sistema de cometa se caracteriza por piezas recolectoras de energía que vuelan transversalmente a la dirección del viento ambiental, es decir, en modo de viento cruzado ; a veces, todo el conjunto de alas y el conjunto de correas se vuelan en modo de viento cruzado. Desde juguetes hasta tamaños de alimentación de red eléctrica, estos sistemas pueden usarse como dispositivos de energía eólica de gran altitud (HAWP) o dispositivos de energía eólica de baja altitud (LAWP) sin tener que usar torres. Se pueden usar alas flexibles o alas rígidas en el sistema de cometa. Un ala atada, que vuela con viento cruzado a muchas veces la velocidad del viento, recolecta energía eólica de un área que excede muchas veces el área total del ala.
Los sistemas de energía de cometas de viento cruzado tienen algunas ventajas sobre las turbinas eólicas convencionales, incluido el acceso a recursos eólicos más potentes y estables, un alto factor de capacidad, capacidad de despliegue en tierra y mar adentro a costos comparables y la ausencia de necesidad de una torre. Además, las alas del CWKPS pueden variar en eficiencia aerodinámica; El movimiento de las alas cruzadas y atadas a veces se compara con las partes exteriores de las palas de las turbinas eólicas convencionales. Sin embargo, un juego de palas giratorias convencionales que se desplazan hacia el viento y que se lleva en alto en un sistema de potencia de cometa tiene el juego de palas cortando para generar viento cruzado y es una forma de potencia de cometa con viento cruzado.
Miles L. Loyd amplió los estudios sobre los sistemas de energía de las cometas con viento cruzado en su trabajo de 1980 "Crosswind Kite Power". [1] Hay defensores del viento cruzado que creen que la potencia de la cometa con viento cruzado fue introducida por P. Payne y C. McCutchen en su patente número 3.987.987, presentada en 1975; [2] sin embargo, la potencia de las cometas con viento cruzado se utilizaba mucho antes de dicha patente, por ejemplo, en cometas de tiro para prácticas de tiro de guerra, donde la potencia de bobinado transversal permitía altas velocidades para dar práctica a los artilleros. [3]
La forma en que un sistema extrae energía del viento y la transfiere para fines útiles ayuda a definir los tipos de sistemas de energía de cometas con viento cruzado. Un tipo de parámetro se refiere a la posición del generador o bomba o línea o dispositivo de tarea. Otro tipo de parámetro se refiere a cómo se utilizan las correas del juego de correas del sistema de cometa; las correas que sujetan en alto los elementos de las alas de cometa pueden usarse de diversas maneras para formar tipos; Las correas pueden simplemente mantener en alto las alas de trabajo, o pueden estar tirando de cargas en el suelo, o pueden realizar múltiples tareas enviando electricidad obtenida en el aire a receptores de tierra o tirando de cargas o siendo el dispositivo de tarea en sí, como cuando se usa para tirar de personas o cosas o cortar. o moler cosas. Algunos tipos se distinguen por transferencia en movimiento rápido o transferencia en movimiento lento. La tipificación del sistema de potencia de la cometa con viento cruzado también ocurre por la naturaleza del conjunto de alas, donde el número y tipo de alas son importantes para los diseñadores y usuarios; un conjunto de alas puede tener una disposición de tren, una configuración de pila, un complejo de arco, una malla de cúpula, una familia de alas coordinadas o simplemente ser una simple ala con una sola atadura. Los tipos de dispositivos de potencia de cometas para viento cruzado también se distinguen por su escala, propósito, vida útil prevista y nivel de costo. Se produce la tipificación por éxito económico; ¿Es el sistema eficaz en el mercado de energía o de tareas o no? Algunos CWKPS son del tipo llamado levantadores; están destinados únicamente a levantar cargas, tal vez seres humanos; El tipo es frecuentado por el uso de palas giratorias automáticas que luego parecen helicópteros. Un sistema de energía de cometa con viento cruzado único (CWKPS) puede ser un complejo híbrido que genera energía en el aire y al mismo tiempo realiza trabajos en tierra tirando de cargas con correas. En varios centros de investigación se están explorando los sistemas de energía de las cometas con viento cruzado que implican elementos aleteantes; Flutter se extrae para la conversión de energía de varias maneras. Los investigadores están mostrando tipos de CWKPS que son difíciles de clasificar o tipificar.
En los sistemas de este tipo de CWKPS, el conjunto de correas de tracción conduce a las personas y objetos que resisten a distintos puntos de la superficie de masas de agua o tierra o puntos de la atmósfera. En este tipo de funcionamiento con cometa con viento cruzado, el diseño de los objetos resistivos (personas, tablas, cascos, botes, barcos, turbinas hidráulicas, turbinas de aire, otras alas) permite otros tipos. El enrollamiento cruzado de las alas voladoras superiores proporciona energía para lograr ciertos objetivos finales. Los objetivos se encuentran en kitesurf, kite windsurf, kite en la nieve, kite en yate, navegación en buques de carga, kite boat y vuelo libre y salto. Un grupo de investigadores ha explorado el histórico reino de las parakitas de vuelo libre hasta donde el vuelo cruzado de las alas de los sistemas permitiría el vuelo libre en la atmósfera; fundamentalmente se trata de un conjunto de cuerdas de cometa con un ala arriba y un ala como conjunto de anclaje resistivo; El control del conjunto de alas separadas, especialmente en esfuerzos de sinuosos cruzados, extrae la potencia de los vientos en diferentes capas de la atmósfera. [4] [5] [6]
En los sistemas de este tipo, se instala en el suelo un generador eléctrico, una bomba o una línea de tareas. Hay dos subtipos, con o sin vehículo secundario. En el subtipo sin vehículo secundario, el método "Yo-Yo", la correa se desenrolla lentamente de un tambor en el suelo, debido al tirón del ala del sistema de cometa a barlovento, mientras el ala viaja con viento cruzado, es decir, de izquierda a derecha. de la dirección ambiental del viento, a lo largo de varias trayectorias, por ejemplo, una trayectoria de vuelo en forma de 8, trayectorias de lemniscata optimizadas o trayectorias circulares (de radio pequeño o grande). El tambor giratorio hace girar el rotor del generador o bomba a través, quizás, de una caja de cambios de alta relación. Periódicamente, se acciona el ala y se enrolla la correa o, utilizando el viento cruzado para un tirón constante, la correa se vuelve a conectar a una sección diferente del tambor mientras el ala viaja en un ciclo de "a favor del viento". En algunos sistemas se utilizan dos correas en lugar de una. [1]
En otro subtipo se utiliza un vehículo secundario. Un vehículo de este tipo puede ser un carrusel, un automóvil, un carro con raíles, un vehículo terrestre con ruedas o incluso un barco en el agua. El generador eléctrico está instalado en el vehículo. El rotor del generador eléctrico se pone en movimiento mediante el carrusel, el eje del automóvil o la hélice del barco, respectivamente. [7]
En los sistemas de este tipo, se instalan en el ala una o más palas volantes y generadores eléctricos. El flujo de aire relativo hace girar las palas mediante autorrotación , una interacción con el viento, que transfiere la energía a los generadores. La energía eléctrica producida se transmite al suelo a través de un cable eléctrico tendido a lo largo de la correa [1] o integrado con la correa. Las mismas palas se utilizan a veces para un doble propósito: son hélices impulsadas positivamente por electricidad calculada para el lanzamiento o aterrizaje especial o para mantener el vuelo en calma.
En este tipo, se instala un generador eléctrico en el suelo y un cable o correa independiente, que va detrás del ala, transfiere la energía a una rueda dentada en el suelo, que hace girar el rotor del generador. La correa separada se extiende aproximadamente a la velocidad del ala. Debido a la alta velocidad de esa correa, no se requiere la caja de cambios. [8]
En este tipo, un generador eléctrico, una bomba, un conjunto de líneas de tareas o una palanca se instala en el suelo a barlovento del ala y se acciona mediante la operación de dos o tres o más correas dispuestas desde un conjunto de alas voladoras de enrollado transversal y movimiento rápido. Se encuentran ejemplos en los centros de investigación de varias universidades y centros de investigación de energía cometa. [9] [10] [11]
Varios centros de investigación están explorando conjuntos de alas gemelas que emplean correas para tirar de cargas terrestres contra el viento, donde los conjuntos de alas de enrollado cruzado utilizan dispositivos más livianos que el aire para asegurar el vuelo en caso de calma en el viento ambiental. [12]
Muchas enseñanzas divulgadas por patentes de dominio público y algunos centros de investigación actuales se centran en el uso de cometas LTA para sostener turbinas de palas utilizando la autorrotación para impulsar generadores suspendidos. [13]
Cuando un elemento de ala en un sistema de cometa está diseñado para que se produzca aleteo , entonces ese aleteo se puede aprovechar para obtener energía para alimentar varias cargas. En aleteo, el elemento del ala viaja con viento cruzado y luego retrocede para viajar con viento cruzado en una dirección generalmente opuesta; la frecuencia de ciclos de dirección inversa es alta. El aleteo en la aviación tradicional suele considerarse una dinámica mala y destructiva diseñada a partir de un avión; pero en CWKPS, el aleteo a veces se diseña en el sistema de cometa con el propósito específico de convertir la energía cinética del viento en propósitos útiles; Algunos centros de desarrollo de sistemas de energía de cometas valoran el rápido movimiento del aleteo. La recolección de la energía del aleteo en los sistemas de cometas se ha realizado de varias maneras. Una forma es convertir la energía del aleteo en sonido, incluso en música o sonido agradable; los propósitos varían desde entretener a una persona o a una multitud de personas; el espantar pájaros ha sido una aplicación. Se ha hecho y se está explorando la posibilidad de sacudir las líneas de amarre mediante los elementos oscilantes de la cometa para impulsar cargas y generar electricidad. En la comunidad de energía de las cometas se ha propuesto bombear fluidos mediante el uso de energía derivada del aleteo. Y si el ala ondeante está fabricada con los materiales y la disposición adecuados para ser una parte directa del generador eléctrico, entonces se puede generar electricidad inmediatamente; parte del ala ondeante que está formada para ser un imán revolotea mediante bobinas conductoras forma las partes del generador eléctrico . [14] [15] [16] [17] [18] [19]
Los CWKPS se utilizan para mover objetos inmediatamente sobre hielo, nieve, tierra, estanques, lagos u océanos. El movimiento de objetos puede realizarse por diversos motivos: recreación, deporte, comercio, industria, ciencia, viajes, limpieza de minas, defensa, ataque, arado, paisajismo, etc. La multitud de sistemas de cometas voladas con viento cruzado para mover a los practicantes de cometas, navegantes terrestres, kitesurfistas, kitesurfistas, yates, barcos, catamaranes, kayaks, kitesurfistas, kitesurfs, kitesquíes, kitesquíes acuáticos, etc., mantiene ocupados a los fabricantes de alas para cometas. Sky Sails es líder en ahorro de combustible en la industria naviera mediante el uso de CWKPS.
En este tipo de CWKPS, el movimiento rápido de las palas o alas volantes recolecta la energía del viento para impulsar la capacidad de elevación del sistema. Las cargas de masa a veces están estrechamente acopladas con el conjunto de alas; en otras ocasiones la masa levantada se distribuye a lo largo del conjunto de correas. Un uso militar de este tipo implicaba cometas con rotores atadas por el hilo de la cometa; un observador humano es elevado a puntos altos con fines de observación. Algunos de estos se utilizaron junto con operaciones submarinas y el movimiento de remolque del submarino proporcionaba el viento aparente para el CWKPS. Un ejemplo es el Focke-Achgelis Fa 330 . Los usos de levantar y colocar o levantar y bajar ocurren en este tipo; se levantan y luego se colocan o dejan caer cargas masivas; A veces esto se hace para superar barreras o ahorrar costos de combustible para el transporte terrestre. Cuando la masa que se levanta es un generador acoplado a las palas devanadas transversalmente, entonces se cambia el tipo AWES; Este cambio es la base del enfoque de algunas empresas de energía eólica actuales. [20]
En este tipo, un conjunto de cometas se agrupa para formar un rotor, las cometas giratorias de viento cruzado impulsan su conjunto de correas alrededor de un eje compartido. Se colocan anillos dentro de las ataduras giratorias para ayudar a mantener las ataduras separadas. Luego, las líneas de tracción transfieren el torque de las cometas giratorias a un generador terrestre. [21] [22] El 15 de diciembre de 2015, este método fue el primero en completar con éxito el desafío 100*3 de someawe.org [23] Para ver una demostración del prototipo, consulte [24]
En todos los tipos de sistema de potencia de cometa con viento cruzado, la potencia útil se puede describir aproximadamente mediante la fórmula de Loyd:
donde P es potencia; C L y C D son coeficientes de sustentación y resistencia, respectivamente; ρ a es la densidad del aire a la altitud del ala; A es el área del ala y V es la velocidad del viento. [1] Esta fórmula no tiene en cuenta la resistencia de las correas, los pesos de las alas y las correas, el cambio de la densidad del aire con la altitud y el ángulo del vector de movimiento del ala con respecto al avión, perpendicular al viento. Una fórmula más precisa es:
donde G es la relación de planeo efectiva, teniendo en cuenta la resistencia de la correa. [25]
Ejemplo: un sistema con ala rígida, de dimensiones 50 mx 2 my G=15 en vientos de 12 m/s, proporcionará 40 MW de energía eléctrica.
Dependiendo de la aplicación final de una fuente de energía de cometa con viento cruzado, se utilizan diferentes métodos de control de cometas . El control humano ejercido durante toda la sesión de vuelo se utiliza en kitesurf y kitesurf con viento cruzado; Lo mismo se ha hecho con algunas fuentes de energía producidas por cometas de viento cruzado, por ejemplo, por Pierre Benhaiem de Francia. Cuando la fuente de energía de la cometa con viento cruzado se vuelve demasiado grande para manejarla, se pueden implementar dispositivos asistidos por humanos o sistemas de control robóticos totalmente autónomos. Se han demostrado fuentes de energía de cometas con viento cruzado totalmente pasivas, utilizando las frecuencias naturales de un sistema para permitir la ausencia de controles humanos o robóticos; el ala de una cometa que se mueve hacia adelante y hacia atrás en constante movimiento es una fuente de energía primitiva de viento cruzado controlada pasivamente. Se están aplicando avances en computadoras, sensores, unidades de dirección de cometas y servomecanismos para lograr total autonomía en el lanzamiento, vuelo y aterrizaje de fuentes de energía de cometas con viento cruzado que apuntan al mercado de producción de energía a escala de servicios públicos.
Algunos sectores de la energía de las cometas con viento cruzado ya son comercialmente sólidos; la industria de la tracción deportiva a baja altitud es uno de esos sectores; Los sistemas de energía de cometas deportivas de juguete con viento cruzado mantenidos a baja altitud deben permanecer seguros. Pero los sectores de CWKPS más grandes a gran altitud que apuntan a la producción eléctrica a escala de servicios públicos para competir con otras formas de producción de energía deben superar varios desafíos para lograr la aceptación generalizada. Algunos de los desafíos son los permisos regulatorios, incluido el uso del espacio aéreo y terrestre; consideraciones de seguridad; funcionamiento fiable en diversas condiciones (día, noche, verano, invierno, niebla, viento fuerte, viento débil, etc.); evaluación y certificación de terceros; Modelización de costes del ciclo de vida. [26]
A principios del siglo XIX, George Pocock utilizó el control de las alas del sistema de cometas para hacer viento cruzado con buenos resultados. A principios del siglo XX, Paul Garber produjo alas de alta velocidad con controles de dos líneas para proporcionar objetivos a los artilleros de los aviones. La potencia de una cometa con viento cruzado volvió a ser objeto de atención cuando Miles L. Loyd describió cuidadosamente las matemáticas y el potencial de la potencia de una cometa con viento cruzado en 1980. En 1980 no era posible crear un sistema de control automático económico para controlar las alas de un sistema de cometa, aunque fuera pasivo. El control de los sistemas de cometas con viento cruzado había sido antiguo. Con el avance de los recursos computacionales y sensoriales, el control preciso de las alas de un sistema de cometa se volvió no sólo asequible, sino también barato. Al mismo tiempo se lograron importantes avances en los materiales y técnicas de construcción de las alas; Se han inventado nuevos tipos de cometas flexibles con buena relación L/D . Los materiales sintéticos adecuados para el ala y la correa se volvieron asequibles; entre esos materiales se encuentran UHMWPE , fibra de carbono , PETE y nailon rip-stop . Un gran número de personas se dedicaron a los deportes de kitesurf , kitesurf, kite buggy , snowkite y power kite . Varias empresas y equipos académicos trabajan en la potencia de las cometas con viento cruzado. La mayor parte de los avances en este campo se han logrado en los últimos 10 años. [ cita necesaria ]
El entusiasmo parece estar en un alto nivel entre más de mil trabajadores en el ámbito de la energía de las cometas con viento cruzado, que incluye escalas que van desde la báscula de juguete hasta la red eléctrica. La especulación sobre viajar y mover mercancías sin combustible alrededor del mundo mediante el uso de CWKPS se prevé tanto con sistemas que permanecerán conectados al suelo como con algunos sistemas completamente desconectados del suelo. Los objetivos para el futuro discutidos en la literatura se refieren a CWKPS de cara a los juguetes, el deporte, la industria, la ciencia, el comercio, la energía para la red eléctrica, la navegación y una serie de otras aplicaciones de tareas. Para que CWKPS compita con la energía solar , la energía nuclear , los combustibles fósiles , la energía eólica convencional , DWKPS u otras fuentes de energía renovables , el costo nivelado de la energía de CWKPS deberá volverse competitivo, probado, dado a conocer y adoptado; Durante la marcha de CWKPS hacia el futuro, otros sectores competidores también avanzarán. Se espera que crezca la variedad de configuraciones de sistemas de cometas que volarán con alas con viento cruzado para aumentar la potencia; sin embargo, para propósitos y aplicaciones específicos, se espera que algunos formatos ganadores eventualmente brillen. Se está investigando la posibilidad de colocar elementos de ala que vuelen con viento cruzado sobre enormes arcos elevados basados en cuerdas o incluso sobre cúpulas de red. [27] [28]
Se han emitido varias patentes relacionadas con la potencia de las cometas con viento cruzado. Éstas incluyen:
Los sistemas de potencia de cometas con viento cruzado se encuentran en cometas de juguete , cometas deportivas y tamaños prácticos experimentales; propuestos por los centros de investigación son tamaños enormes de alimentación de energía a la red pública. El poder obtenido con el tamaño de los juguetes se utiliza para excitar a los usuarios del producto; Los sistemas de energía de cometas de juguete con viento cruzado de dos y cuatro líneas llenan los cielos del festival de cometas. Los sistemas de potencia de cometas para deportes serios con viento cruzado impulsan el movimiento de los atletas alrededor de los campos de carreras en competencias locales y nacionales. Se exploran tamaños experimentales prácticos de sistemas de energía de cometas con viento cruzado mientras se avanza la investigación hacia sistemas a escala de servicios públicos.
La potencia de la cometa con viento cruzado ha tenido diversos usos a lo largo de la historia. Y la variedad de dispositivos que producen potencia de cometa con viento cruzado tiene una progresión histórica. Un sistema de cometa simple sentado pasivamente sin producción de energía con viento cruzado se contrasta con los sistemas de cometa que vuelan con viento cruzado produciendo una mayor recolección de energía de la energía cinética del viento . Para tener una perspectiva, una línea de tiempo de los usos de la energía de la cometa con viento cruzado y el progreso del dispositivo puede ayudar a comprender la potencia de la cometa con viento cruzado.
Los sistemas de propulsión de cometas dedicados a operar sin sus elementos de recolección de energía volando con viento cruzado no son CWKPS. Los ejemplos ayudan a aclarar las dos ramas de los sistemas de potencia de las cometas. Una simple cometa de diamante simétrica de dos palos que se suelta para volar a favor del viento mientras la correa del sistema tira para girar el eje de un generador en tierra produce energía para usarla al volar a favor del viento sin volar con viento cruzado; tal es un no CWKPS. Investigadores serios proponen algunos sistemas de potencia de cometas a favor del viento (DWKPS); algunas instrucciones DWKPS se encuentran en la literatura de patentes; una tendencia implica la apertura y cierre de paracaídas de apertura y cierre levantados por cometas piloto para impulsar los generadores. [33] Tenga en cuenta que algunos CWKPS, como el parafoil Jalbert que funciona en patrones de figura 8 para hacer girar un generador estacionado en tierra, podrían encargarse para operar completamente sin volar con viento cruzado, y el sistema de energía de cometa resultante sería entonces un DWKPS. Por el contrario, el CWKPS propuesto por los usuarios de palas autorrotantes permanece necesariamente como CWKPS. El globo-cometa con alas plegables de Magenn Power es un DWKPS. [34] Alas giratorias de ala abatible similares son DWKPS, por ejemplo, las que se enseñan en la patente de Edwards y Evan. El legendario cruce de estanques de Benjamin Franklin mediante cometas fue un simple DWKPS; simplemente fue arrastrado a favor del viento por una cometa que volaba a favor del viento. Un sistema que no es CWPKS se ilustra históricamente mediante un sistema de recolección de energía de cometa como el que utilizó Samuel Franklin Cody para levantar personas con las alas involucradas colocadas en vuelo estable a favor del viento sin volar con viento cruzado.
