Un generador de viento de iones sin paletas o cerca de energía es un dispositivo que genera energía eléctrica utilizando el viento para mover partículas cargadas a través de un campo eléctrico .
Los aerogeneradores de iones 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 reside en la Universidad Tecnológica de Delft , cuyos investigadores desarrollaron parte de la tecnología subyacente. [1] Los generadores eólicos de iones son actualmente experimentales, mientras que las turbinas eólicas convencionales son la forma más común de generación de energía eólica . [2] Pero los generadores eólicos de iones, que no tienen partes móviles, podrían usarse en entornos urbanos donde las turbinas eólicas no son prácticas debido al ruido vibratorio y las sombras en movimiento.y el peligro que representa para las aves . [3]
Historia
Tormenta de Lord Kelvin
Uno de los primeros ejemplos de generación de energía electrostática se encuentra en la Tormenta de Lord Kelvin , un dispositivo inventado en 1867. Similar a los generadores de viento de iones, la Tormenta utilizó agua para transportar cargas y generar energía a través de principios relacionados. Sin embargo, la Tormenta se basó en la fuerza de la gravedad y dos depósitos con carga opuesta para generar una diferencia de voltaje . [3] Aunque no son idénticos en funcionamiento, Tormenta de Lord Kelvin demuestra el comportamiento del agua y los conceptos de electrostática que sustentan los generadores eólicos de iones modernos.
Diseño y construcción
Operación teórica
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/c/c4/Vaneless_ion_wind_generator_particle_in_electric_field.png/220px-Vaneless_ion_wind_generator_particle_in_electric_field.png)
Los generadores eólicos de iones utilizan la fuerza del viento para mover partículas cargadas, normalmente 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 aerogeneradores de iones elimina la conversión intermedia de energía mecánica que sufren los aerogeneradores. 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 para el medio ambiente o en una forma inútil, y menos conversiones mejoran la producción teórica. [5]
Modelo analítico simplificado
Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft idearon una ecuación para modelar el comportamiento de las gotas de agua a medida que se mueven por el aire con el fin de optimizar el sistema matemáticamente y ejecutar simulaciones por computadora . Para los propósitos del modelo, se asume una configuración de electrodo simple y un campo eléctrico uniforme, en donde la fuerza eléctrica ejercida sobre las partículas será directamente opuesta a la del viento.
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/47/Vaneless_ion_wind_generator_droplets_repelling.png/220px-Vaneless_ion_wind_generator_droplets_repelling.png)
Cada partícula se ve afectada por la fuerza de la gravedad ,
dónde es la masa de la i- ésima gota yes la aceleración gravitacional de la Tierra . El modelo asumees constante y no tiene en cuenta la evaporación . La atmósfera también ejerce una fuerza en forma de flotabilidad a medida que caen las gotas,
dónde es el volumen de la gota y es la densidad del aire . Las gotas también son afectadas por el viento,
dónde 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 los patrones de flujo. El flujo se considera laminar cuando el número de Reynolds es menor que 1,
dónde es la viscosidad del aire . Cuando el flujo es realmente laminar, la fuerza de arrastre se puede calcular usando la ley de Stoke ,
dónde es el factor de corrección de deslizamiento de Cunningham , que se supone que es 1 para partículas de más 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 es la carga de la i- ésima gota, y los campos eléctricos de otras gotas cargadas,
dónde es la distancia entre la gota i y la gota j . La suma de estas fuerzas representa la ecuación completa de los investigadores,
dónde es la fuerza total ejercida sobre la i- ésima gota yes la aceleración de la i- ésima gota. El trabajo realizado en la i- ésima gota se puede calcular utilizando la ecuación anterior,
dónde 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 en cada gota produce la energía total generada por el viento. [4]
Implementaciones
Hay dos implementaciones principales de generadores eólicos de iones. El primero, patentado 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 separado.
Patente de Alvin Marks
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/1/1d/Vaneless_Ion_Wind_Generator_Alvin_Marks_Diagram.png/220px-Vaneless_Ion_Wind_Generator_Alvin_Marks_Diagram.png)
Un sistema de carga conectado a tierra produce una nube de partículas cargadas. El viento lleva las partículas hacia un colector aislado . Aunque el colector es inicialmente neutral, las partículas transfieren su carga al contacto, aumentando 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 del viento. Aunque la fuerza del viento inicialmente excede la fuerza del campo eléctrico, el flujo continuo de partículas aumenta la fuerza del campo eléctrico. La fuerza puede volverse lo suficientemente fuerte como para mover las partículas hacia el sistema de carga, o simplemente pueden 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. El ajuste de variables como la velocidad del viento y el tamaño del colector puede mejorar el rendimiento del sistema. [4]
EWICON (convertidor de energía eólica electrostática)
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/3/30/Vaneless_Ion_Wind_Generator_EWICON_Diagram.png/220px-Vaneless_Ion_Wind_Generator_EWICON_Diagram.png)
El EWICON funciona con los mismos principios que la implementación anterior, pero abandona el recolector. En cambio, el EWICON está aislado de la Tierra y libera partículas cargadas en el aire. La dispersión de partículas cargadas negativamente de 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 la máxima eficiencia cuando todas las partículas salen del 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 ideó el sistema. Un prototipo del dispositivo se instaló en el campus universitario y dos más se encuentran en lo alto del edificio Stadstimmerhuis 010 ubicado en Rotterdam . Los prototipos fueron diseñados por Mecanoo , una firma de arquitectura local en Delft . [1]
La rueda de viento holandesa
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 esperan que el edificio esté terminado para 2022. 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. energía. El centro del edificio circular está reservado para la generación de energía eólica mediante el uso de un generador eólico de iones 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]
Comparación con aerogeneradores
Los generadores eólicos de iones 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]
Ventajas
Los generadores eólicos de iones suelen ser mucho más pequeños que las turbinas eólicas. Muchos modelos de aerogeneradores superan los 122 m (400 pies) de altura. [9] Su tamaño y complejidad dan lugar 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 en los alrededores. [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 eólicos de iones. Un 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 eólicos de iones podría hacer que la energía eólica sea más respetuosa con el medio ambiente , ya que las actuales "plantas de energía eólica representan un riesgo de mortalidad de aves". [13] Las turbinas eólicas tienen velocidades máximas de funcionamiento 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 en vientos de alta velocidad que caen más allá de la ventana de rendimiento, mientras que los generadores de viento de iones teóricamente pueden seguir funcionando. [15]
Desventajas
La tecnología está todavía en su etapa inicial y los generadores eólicos de iones no son tan eficientes como las turbinas eólicas convencionales. Durante las pruebas realizadas en 2005, el EWICON no pudo igualar la potencia 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 conducir a una eficiencia del EWICON en el rango del 25 al 30% ". [15] En la Conferencia Internacional de 2005 sobre Sistemas de Energía del Futuro, las sugerencias para futuros avances incluyeron cambios en el método de atomización electrohidrodinámica , o electropulverización , y el diseño de una matriz más densa de boquillas. [15] Las pruebas aún tienen que indicar que la tecnología se ha desarrollado lo suficiente como para competir 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 de energía en entornos urbanos donde una turbina eólica puede resultar poco práctica.
Ver también
- Energía renovable
- Eficiencia de conversión de energía
- Generación distribuida
- Electrohidrodinámica
- Electropulverización
- Ionización por electropulverización
Referencias
- ^ a b "La turbina de viento sin palas EWICON genera electricidad usando gotas de agua cargadas" . newatlas.com . Consultado el 17 de octubre de 2018 .
- ^ ClimateWire, Umair Irfan. "¿Funcionan los diseños alternativos para aerogeneradores?" . Scientific American . Consultado el 17 de octubre de 2018 .
- ^ a b The London, Edinburgh y Dublin Philosophical Magazine y Journal of Science . Taylor y Francis. 1867. p. 391 .
- ^ a b c d e f g Dhiradj., Djairam (2008). El convertidor de energía eólica electrostática: rendimiento eléctrico de un prototipo de alta tensión . [Sl]: [sn] ISBN 9789085594826. OCLC 839641603 .
- ^ "Pérdida de energía - Educación energética" . energyeducation.ca . Consultado el 31 de octubre de 2018 .
- ^ Waerden, Rodesk | Jasper Rooduijn y Bart van der. "La rueda de viento holandesa" . dutchwindwheel.com . Consultado el 3 de noviembre de 2018 .
- ^ "The Dutch Windwheel - convertidor de energía eólica circular" . www.altenergy.org . Consultado el 3 de noviembre de 2018 .
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- ^ "¿Cómo sobreviven las turbinas eólicas a las tormentas severas?" . Energy.gov . Consultado el 15 de octubre de 2018 .
- ^ a b c Djairam, D .; Hubacz, AN; Morshuis, PHF; Marijnisen, JCM; Smit, JJ (2005). "El desarrollo de un convertidor de energía eólica electrostática (EWICON)": 4 pp. – 4. doi : 10.1109 / FPS.2005.204208 . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ "El aerogenerador sin palas EWICON genera electricidad a partir de gotas de agua cargadas" . newatlas.com . Consultado el 15 de octubre de 2018 .
Patentes
- Patente de EE . UU . 4.433.248 : Generador de energía eólica / eléctrica en aerosol cargado con regeneración solar y / o gravitacional (Alvin Marks)