Aerogenerador con difusor aumentado
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 convertir la energía eólica en energía eléctrica. La mayor eficiencia es posible debido a la mayor 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 está 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 la energía disponible en el viento en 8 veces. [1] Un ligero aumento en la velocidad del viento da como resultado un aumento espectacular de la potencia eólica. Desafortunadamente, esto significa que si la velocidad del viento se ralentizara aunque fuera levemente, se reduciría drásticamente la potencia 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 lejos del 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 a alta presión en la parte delantera hacia el aire a 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 obtendrían los efectos opuestos. Se formaría un área de alta presión en la salida, restringiendo 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 al agregar 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 borde 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. [2]
Diseño multirrotor
Otros diseños son muy similares a un difusor, pero consisten en múltiples rotores dentro de él para capturar la mayor cantidad de 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 incrementos de peso indeseables. 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 anillo de salida amplio generan de 2 a 5 veces más energía que las turbinas eólicas desnudas para cualquier velocidad de viento o diámetro de turbina. [2] Un análisis más detallado concluye que el límite de Betz puede superarse si la turbina eólica estuviera equipada con un difusor. Para las turbinas multirrotor equipadas con un difusor, el aumento de potencia es menor, pero aún favorable, con un aumento de alrededor del 5% al 9%. [3]
Limitaciones de las turbinas tradicionales
Los aerogeneradores desnudos 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 desnuda 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 generales pesados y altos costos de fabricación. Las turbinas más pesadas también son propensas a mayores tasas de mal funcionamiento, lo que resulta en mayores costos de mantenimiento. [3] Además, cuanto más grande es la turbina, más recursos se tendrán que invertir en el transporte de las piezas masivas desde la fábrica hasta el lugar donde se desplegarán. Esta rara vez es una opción viable, ya que frustra todo el propósito de la energía alternativa asequible.
Ley de Betz
Además de las limitaciones de fabricación, existen límites dentro de las leyes de la física que gobiernan 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 con viento abierto, no más de 16/27 de la energía cinética total del viento se puede 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
- ^ a b "Velocidad y potencia del viento". Centro de energía de Iowa. Np, nd Web. 6 de noviembre de 2016.
- ^ a b c d e Ohya, Yuji y Takashi Karasudani. "Una turbina eólica cubierta que genera alta potencia con tecnología de lentes de viento". Energies, vol. 3, no. 4, 21 de marzo de 2010, págs. 634–49. Instituto Multidisciplinario de Publicaciones Digitales, doi: 10.3390 / en3040634. Consultado el 10 de octubre de 2016.
- ^ a b c Göltenbott, U., et al. "Interacción de flujo de turbinas eólicas aumentadas con difusor". Journal of Physics: Serie de conferencias, vol. 753, 2016. IOPscience, doi: 10.1088 / 1742-6596 / 753/2/022038. Consultado el 17 de octubre de 2016.
- ^ Hansen, MOL y col. "Efecto de colocar un difusor alrededor de un aerogenerador". Energía eólica, vol. 3, no. 4, octubre / diciembre de 2000, págs. 207-13. Biblioteca en línea de Wiley, DOI: 10.1002 / we.37. Consultado el 10 de octubre de 2016.
