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Turbina eólica aumentada por difusor

Una turbina eólica con difusor aumentado (DAWT) es una turbina eólica modificada con un difusor de viento en forma de cono que se utiliza para aumentar la eficiencia de la conversión de energía eólica en energía eléctrica. La mayor eficiencia es posible debido al aumento de la velocidad del viento que puede proporcionar el difusor. En las turbinas desnudas tradicionales, las palas del rotor están montadas verticalmente en la parte superior de una torre o eje de soporte. En un DAWT, las palas del rotor se montan dentro del difusor, que luego se coloca en la parte superior de la torre de soporte. Se pueden realizar modificaciones adicionales al difusor para aumentar aún más la eficiencia.

Mecánica

La energía eólica mide cuánta energía hay disponible en el viento y se puede representar mediante la siguiente ecuación donde r es la densidad del aire, A es el área del rotor y V es la velocidad del viento. [1] Esto significa que la cantidad de energía disponible en el viento es directamente proporcional a la velocidad del viento al cubo. [2] Por ejemplo, suponiendo que todas las demás variables se mantengan constantes, duplicar la velocidad del viento aumentaría 8 veces la energía disponible en el viento. [1] Un ligero aumento en la velocidad del viento da como resultado aumentos dramáticos en la energía eólica. Desafortunadamente, esto significa que si la velocidad del viento disminuyera aunque fuera ligeramente, se reduciría drásticamente la energía eólica.

Diseños

La mayoría de los diseños incluyen un difusor en forma de cono con el propósito de aumentar la velocidad del aire a medida que viaja a través de la turbina. Para que esto sea posible, el orificio de salida del difusor debe ser más grande que el orificio de entrada para difundir correctamente el aire. A medida que el viento fluye a través del difusor, viaja a lo largo de las paredes, lo que hace que el viento que sale forme vórtices de viento al salir. Estos vórtices hacen que la mayor parte del aire se difunda desde el centro de la salida, lo que crea un segmento de aire de baja presión detrás de la turbina. La diferencia de presión acelera el aire de alta presión en la parte delantera hacia el aire de baja presión en la parte trasera, provocando un aumento significativo de la velocidad. [2] Si, en cambio, el difusor tuviera un orificio de salida más pequeño que su entrada, se conseguirían los efectos opuestos. Se formaría un área de alta presión en la salida, lo que restringiría severamente el flujo de aire a través del difusor. Los diseños adicionales toman el difusor básico y realizan modificaciones adicionales para aumentar aún más la generación de energía.

Lente de viento

Un diseño de Yuji Ohya, profesor de la Universidad de Kyushu, modificó aún más el difusor añadiendo un anillo ancho alrededor del orificio de salida y una cubierta de entrada en la entrada: una " lente de viento ". Este diseño amplifica los efectos positivos de una cubierta de difusor normal para dar como resultado un difusor más eficiente. El orificio de salida con ala crea vórtices más fuertes que un difusor normal, lo que significa que la diferencia de presión es mayor que con un difusor normal. [2] Como resultado, el viento puede alcanzar velocidades más altas. Además, la cubierta de entrada en la entrada facilita la entrada de aire, por lo que el aire no se ralentizará tanto al entrar. [2]

Diseño multirotor

Otros diseños son muy similares a un difusor, pero constan de múltiples rotores en su interior para capturar más energía eléctrica del viento. Una forma de generar más energía sería aumentar el área del rotor, lo que se puede hacer de dos maneras. Una forma es aumentar el diámetro de un solo rotor; sin embargo, esto provoca ganancias de masa desfavorables. Otra forma es aumentar el número de rotores por turbina, lo que no provoca aumentos indeseables de peso. Se han probado sistemas con hasta 45 rotores en una turbina y no se han encontrado interferencias negativas entre los rotores. [3]

Resultados

Las turbinas equipadas con una cubierta en forma de difusor y un amplio anillo de salida generan entre 2 y 5 veces más energía que las turbinas eólicas simples para cualquier velocidad del viento o diámetro de turbina. [2] Un análisis más detallado concluye que se puede superar el límite de Betz si la turbina eólica estuviera equipada con un difusor. Para las turbinas multirrotor equipadas con un difusor, el aumento de potencia es menor, pero sigue siendo favorable, con un aumento de alrededor del 5 % al 9 %. [3]

Limitaciones de las turbinas tradicionales

Las turbinas eólicas desnudas tienen varias limitaciones que disminuyen su eficiencia en la generación de electricidad. Estas limitaciones juegan un papel importante cuando se trata de la producción masiva de energía.

Fabricación

La cantidad de energía que puede generar una turbina eólica depende en gran medida del tamaño del rotor, lo que implica que cuanto más grande sea una turbina, más energía producirá. Sin embargo, el uso de turbinas grandes da como resultado pesos totales elevados y costes de fabricación elevados. Las turbinas más pesadas también son propensas a sufrir mayores índices de mal funcionamiento, lo que se traduce en mayores costos de mantenimiento. [3] Además, cuanto más grande sea la turbina, más recursos habrá que invertir en el transporte de las piezas masivas desde la fábrica hasta el lugar donde se implementarán. Esta rara vez es una opción viable, ya que frustra todo el propósito de una energía alternativa asequible.

ley de betz

Además de las limitaciones de fabricación, existen límites dentro de las leyes de la física que rigen la cantidad de energía que se puede generar. Los diseños tradicionales de turbinas abiertas también están limitados por la ley de Betz , que establece que para una turbina desnuda en viento abierto, no más de 16/27 de la energía cinética total del viento se pueden convertir en energía eléctrica. [4] El 59% no es la tasa más eficiente, por lo que se han realizado varios diseños para sortear esta limitación. Los diseños incluyen la adición de una "Lente de viento" o el uso de múltiples rotores dentro del difusor.

Referencias

  1. ^ ab "Velocidad y potencia del viento". Centro de energía de Iowa. Np, nd Web. 6 de noviembre de 2016.
  2. ^ abcde Ohya, Yuji y Takashi Karasudani. "Una turbina eólica cubierta que genera potencia de alto rendimiento con tecnología de lentes eólicas". Energías, vol. 3, núm. 4, 21 de marzo de 2010, págs. 634–49. Instituto Editorial Digital Multidisciplinario, doi:10.3390/en3040634. Consultado el 10 de octubre de 2016.
  3. ^ abc Göltenbott, U., et al. "Interacción de flujo de turbinas eólicas con difusor aumentado". Revista de Física: Serie de conferencias, vol. 753, 2016. IOPscience, doi:10.1088/1742-6596/753/2/022038. Consultado el 17 de octubre de 2016.
  4. ^ Hansen, MOL y col. "Efecto de colocar un difusor alrededor de una turbina eólica". Energía eólica, vol. 3, núm. 4, octubre/diciembre de 2000, págs. 207-13. Biblioteca en línea Wiley, DOI:10.1002/we.37. Consultado el 10 de octubre de 2016.