La energía eólica aerotransportada ( AWE ) es el uso directo o la generación de energía eólica mediante el uso de dispositivos de elevación aerodinámicos o aerostáticos. La tecnología AWE es capaz de cosechar vientos de gran altitud , a diferencia de las turbinas eólicas , que utilizan un rotor montado en una torre.
El término energía eólica a 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 se colocan a una gran altura del suelo o la superficie del mar.
Se proponen varios mecanismos para capturar la energía cinética de los vientos, tales como cometas , kytoons , aerostatos , planeadores , planeadores con turbinas para vuelo regenerativo, [2] planeadores con turbinas u otras superficies aerodinámicas, incluidas las explotaciones habilitadas para edificios o terrenos de múltiples puntos. . [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 el aire o en la 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 el aire o enviarse a la superficie del suelo mediante cables conductores, fuerza mecánica a través de una correa, rotación del bucle de línea sin fin, movimiento de productos químicos cambiados, flujo de gases de alta presión, flujo de baja presión. gases de presión, rayos láser o de microondas.
Viento de gran altitud con fines de energía.
Los vientos en altitudes más altas se vuelven más estables, más persistentes y de mayor velocidad. Debido a que la potencia disponible en el viento aumenta con el cubo de la velocidad (la ley del cubo de la velocidad), [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 estables y predecibles, el viento a gran altitud tiene una ventaja sobre el viento cercano al suelo. Ser capaz de ubicar HAWP a altitudes efectivas y usar la dimensión vertical del espacio aéreo para la agricultura eólica brinda una ventaja adicional al usar vientos de 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 fijos montados en torre.
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 cambios de rayos atmosféricos. Con el aumento de la altitud, aumenta la exposición a los pasivos, 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 los costos de operación cambian. Los sistemas HAWP que se vuelan deben ascender a través de todas las altitudes intermedias hasta las altitudes de trabajo finales, siendo al principio un dispositivo de baja altitud y luego un dispositivo de gran altitud.
Se ha preparado un atlas del recurso de energía eólica a gran altitud para todos los puntos de la Tierra. [8] Un atlas similar de evaluación global [9] fue desarrollado en Joby Energy.
Métodos de captura de energía cinética de vientos de gran altitud.
La energía puede ser capturada del viento por cometas, [10] kytoons , planeadores atados , [11] planeadores atados , aerostatos (kytoons esféricos y con forma), turbinas de palas, aspas aerodinámicas, matrices aerodinámicas, drogues, drogues variables, aspas aerodinámicas en espiral, Turbinas Darrieus, dirigibles VAWT de efecto Magnus, complejos de múltiples rotores, cometas de tela Jalbert-parafoil, turbinas uni-blade, flipwings, 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 botes, [14] [15] los objetos colocados en el viento tenderán a tener la mayor parte de la energía capturada en tensión útil en la correa principal. Los cuerpos de trabajo elevados se operarán para mantener la tensión útil incluso mientras el barco está 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 de HAWP. George Pocock fue un líder en remolcar vehículos por tracción. [dieciséis]
Control S
Los aviones HAWP deben ser controlados. Las soluciones en los sistemas construidos tienen mecanismos de control situados de diversas formas. Algunos sistemas son pasivos, activos o mixtos. Cuando se eleva una unidad de gobierno de cometas (KSU), la KSU puede ser robótica y autónoma; una KSU puede ser operada desde tierra a través de un radiocontrol por un operador humano en vivo o por programas de computadora inteligentes. Algunos sistemas tienen sensores incorporados en el cuerpo de la aeronave que informan parámetros como la posición, la posición relativa a otras partes. Las unidades de control de cometas (KCU) han involucrado más que la dirección; Las velocidades y direcciones de enrollado 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 partes de control de la cometa varían ampliamente. [17] [18]
Métodos de conversión de energía.
La energía mecánica del dispositivo puede convertirse en calor , sonido , electricidad , luz , tensión , empujes, tirones, láser , microondas , cambios químicos o compresión de gases. La tracción es un gran uso directo de la energía mecánica como en los remolcadores de buques de carga y kitesurfistas. Existen varios métodos para obtener la energía mecánica de la energía cinética del viento. Los aerostatos amarrados más ligeros que el aire (LTA) se emplean como elevadores de turbinas . Los perfiles aerodinámicos anclados más pesados que el aire (HTA) se utilizan como elevadores o turbinas. Se están construyendo y volando combinaciones de dispositivos LTA y HTA en un sistema para capturar HAWP. Incluso una familia de dispositivos aéreos de vuelo libre está representada en la literatura que captura la energía cinética de los vientos de gran altitud (comenzando con una descripción en 1967 de Richard Miller en su libro Sin medios visibles de apoyo ) y una solicitud de patente contemporánea de Dale. C. Kramer , competidor de planeadores, inventor.
Una investigación sobre innovaciones en la tecnología de turbinas eólicas aerotransportadas revela que la técnica “Kite type AWTs”, el tipo más común, tiene un gran alcance de crecimiento en el futuro; ha contribuido con aproximadamente el 44% de la energía eólica aérea total durante 2008-2012. Los AWT tipo cometa extraen energía a través de turbinas eólicas suspendidas a gran altura utilizando cometas tales como cometas de múltiples ataduras, cometas y abanicos circulares de doble propósito, cometas de alas giratorias, etc. [19]
Posición del generador eléctrico en un sistema HAWP
La generación de electricidad es solo una de las opciones para capturar 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 de agua , bombear agua o comprimir aire o hidrógeno. La posición del generador eléctrico es una característica distintiva entre los sistemas. Hacer volar el generador en alto 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 alto y en la estación de tierra donde un pequeño generador opera dispositivos electrónicos en el aire mientras que el generador de tierra es el gran trabajador para producir electricidad para cargas significativas.
Generador de carrusel
En la configuración “Carrusel” varias cometas vuelan a una altura constante y altitudes mayores, tirando en rotación un generador que se mueve sobre un amplio carril circular. Para un sistema de carrusel grande, 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 costo del generador es lineal. [20]
HAWP basado en aerostato
Un método para mantener en alto los sistemas HAWP en funcionamiento es utilizar aeróstatos flotantes, ya sea que el generador eléctrico se levante o se deje en el suelo. Los aerostatos suelen tener una forma, aunque no siempre, para lograr un efecto lifting de kitesurf. La recarga de gas de elevación con fugas recibe varias soluciones. En caso de vientos productivos, los aerostatos suelen ser derribados por la resistencia aerodinámica aplicada en la amplia e inevitable superficie de Reynolds, excluyéndolos de facto de la categoría HAWP.
- WR Benoit Patente estadounidense 4350897 Sistema de conversión de energía eólica más ligero que el aire de William R. Benoit, presentada el 24 de octubre de 1980 y emitida: 21 de septiembre de 1982.
- El sistema TWIND (solicitud de patente internacional PCT / W02010 / 015720 ) se basa en el uso de una superficie de vela elevada por la fuerza de ascenso de un globo aerostático conectado al suelo por un cable utilizado también para la transmisión de energía. El viento presente en grandes altitudes crea un empuje horizontal sobre la vela que en su movimiento transmite esta energía al suelo a través del cable de conexión. Al final de su movimiento hacia adelante, la superficie de la vela se reduce, lo que le permite moverse en contra del viento con un menor desperdicio de energía. [21]
- El aerostato de Magenn es una turbina eólica de eje vertical que se mantiene con su eje horizontal frenando el eje transversal al viento para que la sustentación con efecto Magnus se obtenga durante la autorrotación; la electricidad se genera con generadores de eje terminal. [22]
- El LTA Windpower PowerShip utiliza sustentación tanto de un aerostato como de alas. Opera cerca de la flotabilidad neutra y no requiere un cabrestante. La energía es generada por turbinas con las hélices en el borde de fuga de las alas. El sistema está diseñado para poder despegar y aterrizar sin supervisión. [23]
- Airbine propone elevar aerogeneradores en el aire mediante el uso de aerostatos; la electricidad volvería a las cargas de tierra por medio de una correa conductora. [24]
- Turbina de potencia de aeronave de William J. Mouton, Jr. y David F. Thompson: Su sistema integró la turbina dentro de la parte central de un aerostato casi toroidal, como colocar una turbina en el orificio de una rosquilla de aerostato. [25]
- El sistema HAWE [26] se desarrolla a partir de la idea de Tiago Pardal. Este sistema consta de un ciclo de bombeo similar al de los sistemas de cometas. En la fase de generación, la fuerza de tracción aumenta de 5 a 10 veces debido al efecto Magnus de un cilindro giratorio (plataforma aérea). Como una cometa, la fuerza de tracción producida por la plataforma aérea desenrollará el cable y generará electricidad en el suelo. En la fase de recuperación rebobina el cable sin efecto Magnus en la plataforma aérea.
Sistemas no aerotransportados
Conceptualmente, dos montañas adyacentes (naturales o habilitadas por el terreno) o edificios o torres artificiales (urbanas o artificiales) podrían tener una turbina eólica suspendida entre ellos mediante el uso de cables. Cuando HAWP se cablea entre dos cimas de montañas a través de un valle, [3] el dispositivo HAWP no se transporta por el aire, sino que lo sostiene el sistema de cable. No se conocen tales sistemas en uso, aunque las patentes enseñan estos métodos. Cuando los puentes no cableados son la base para sostener las turbinas eólicas por encima del suelo, [27] estos se agrupan con las turbinas torres convencionales y están fuera de la intención de HAWP, donde el anclaje de un sistema aerotransportado es fundamental.
Seguridad
Los rayos , el tráfico de aeronaves , los procedimientos de emergencia, las inspecciones del sistema, el marcado de visibilidad de las partes del sistema y sus ataduras, la seguridad eléctrica , los procedimientos de ala fuera de control, los controles de sobrecarga, el amarre adecuado 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 tuvo un gran enfoque en tirar de carruajes sobre las tierras y capturar la electricidad atmosférica y los rayos para uso humano. [28] El segundo período fue en las décadas de 1970 y 1980, cuando florecieron la investigación y la inversión; una caída en el precio del petróleo no resultó en instalaciones significativas de HAWP. El retorno de la inversión (ROI) ha sido el parámetro clave; que el ROI permanece enfocado en la actividad de desarrollo actual mientras que en el fondo está el movimiento de energía renovable y sostenible que apoya la energía eólica de cualquier tipo; pero HAWP debe competir en retorno de la inversión con las soluciones de torre convencionales. Un centro de pruebas en Lista, Noruega, proporciona una verificación independiente de la investigación. [29]
Primeras referencias a HAWP
Los primeros siglos de kitesurf demostraron que la cometa es un motor rotativo que hace girar 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 por 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 aerotransportada (AWE) para HAWP nació hace miles de años; nombrar lo que sucedió 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.
- 1796 George Pocock utilizó el modo de tracción para viajar en vehículos por carreteras terrestres.
- 1827 Se publicó el libro de George Pocock 'El arte aeroplústico' o 'Navegación en el aire mediante el uso de cometas o velas flotantes'. Pocock describió el uso de cometas para viajes por tierra y mar. El libro se volvió a publicar varias veces. [30]
- 1833 John Adolphus Etzler vio a HAWP florecer al menos para la tracción. [31]
- 1864? El capítulo del libro Kite-Ship describe bien la dinámica clave del HAWP utilizado para remolcar barcos con cometas. John Gay's: o Work for Boys. Capítulo XVIII del volumen Verano. [15]
- 1935 Aloys van Gries se erige como uno de los primeros titulares de la patente de la energía eólica a gran altitud; enseñó varios sistemas de cometas para su uso en la generación de electricidad en su patente DE 656194 C : Durch Drachen getragene Windkraftmaschine zur Nutzbarmachung von Hoehenwinden
- 1943 Stanley Biszak instruyó el uso de energía potencial en vuelo libre para convertir los vientos ambientales que impactan en la turbina para impulsar el generador eléctrico para cargar las baterías. [32]
- 1967 Richard Miller, ex editor de la revista Soaring , publicó el libro Sin medios visibles de apoyo que describe la viabilidad de cometas no amarradas en tierra acopladas en vuelo libre para capturar las diferencias en los estratos de viento para viajar a través de los continentes; tal HAWP es el tema de la solicitud de patente contemporánea de Dale C. Kramer.
- 1973? Hermann Oberth En el apéndice de su libro Primer para los que gobernarían hay bocetos y una fotografía de una maqueta de la central eléctrica Kite del Museo Oberth. [33]
- 1977 3 de abril de 1977, declarada invención. El 21 de septiembre de 1979, Douglas Selsam certificó ante notario su sistema HAWP de cadena interminable de aspas aerodinámicas levantadas con cometas, tipo genérico que luego se mostraría en el dispositivo del astronauta holandés Wubbo Ockels [34] llamado LadderMill descrito en una patente de 1997. Douglas Selsam concibió su Auto Tranvía aéreo flotante con arnés de viento orientado el 3 de abril de 1977. En la divulgación notariada de invención de Selsam se colocó una fecha del 20 de septiembre, mientras que el notario colocó la firma final el 21 de septiembre de 1979. notas y dibujos . [35]
- 1979 El profesor Bryan Roberts comienza el desarrollo del generador de viento HAWP tipo gyrocopter giromill. [36]
- 1980 Miles Loyd publica un artículo sobre el poder de las cometas con viento cruzado. [37]
- 1986 El rotor AWE HAWP de Bryan Roberts genera electricidad y se eleva en vuelo atado. [38]
- 1992 Free Rotor WO / 1992020917 Free Rotor de JACK, Colin, Humphry, Bruce (un hombre). Colin Jack. Colin Bruce. Se tratan los rotores múltiples. Se reconocen las correas carenadas. 1992.
Ver también
- Asociación de la Industria de Energía Eólica Aerotransportada
- Aerogenerador aerotransportado
- Altitud
- Ley de Betz
- Potencia de cometa con viento cruzado
- Aplicaciones de cometas
- Tipos de cometas
- Escalera
- Lista de organizaciones de energía eólica aerotransportada
- Atar
- Turbina
- Viento
- Granja eólica
- Energía eólica
- Ley de potencia del perfil del viento
- Evaluación del recurso eólico
- Turbina eólica
Referencias
- ^ Roberts, Bryan R .; Shepard, David H .; Caldeira, Ken; Cannon, 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. doi : 10.1109 / TEC.2006.889603 .
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- ^ J. Energy, 1980, vol. 4., no. 3.
- ^ Fotografía de Robert's Rotorcraft del experimento en Australia. PJ Shepard sitúa el año 1986 en 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 real de electricidad se realizó brevemente en otra prueba. Un video está disponible donde se efectuó la generación eléctrica. La nave mostrada tenía dos cubos giratorios; en cada eje irradiaba una pala de rotor de elevación y una pala aerodinámica más corta 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: monte. Agradable granja en Marulan en Nueva Gales del Sur. Viento: aproximadamente 15 nudos. El inventor de AWECS, David H. Shepard, después de mucha correspondencia, finalmente se reunió cara a cara en 2006 con el profesor Bryan Roberts; Estos son parte de los cimientos de la empresa Sky WindPower de HAWPA.
enlaces externos
- Lista de participantes de la energía eólica aerotransportada
- Grupo de investigación TU Delft kite power
- Energy Kite Systems un glosario de términos y enlaces a los sistemas HAWP
- AWESystems.info lista de organizaciones
- Evaluación de la viabilidad de los recursos eólicos de gran altitud en Irlanda , Colm O'Gairbhith para Carbon Tracking