Generador eólico iónico sin aspas

Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft idearon una ecuación para modelar el comportamiento de las gotas de agua al moverse por el aire, con el fin de optimizar matemáticamente el sistema y realizar simulaciones por computadora . Para este modelo, se asume una configuración simple de electrodos y un campo eléctrico uniforme, donde la fuerza eléctrica ejercida sobre las partículas es directamente opuesta a la del viento.

Sobre cada partícula actúa la fuerza de la gravedad ,

$${\displaystyle {\overset {\rightarrow }{F}}_{i,g}=m_{i}\cdot {\overset {\rightarrow }{g}}}$$

dónde${\displaystyle m_{i}}$es la masa de la i- ^ésima gota y${\displaystyle {\overset {\rightarrow }{g}}}$es la aceleración gravitacional de la Tierra . El modelo asume${\displaystyle m_{i}}$es constante y no tiene en cuenta la evaporación . La atmósfera también ejerce una fuerza en forma de flotabilidad a medida que caen las gotas,

$${\displaystyle {\overset {\rightarrow }{F}}_{i,B}=-\rho _{a}\cdot V_{d}\cdot {\overset {\rightarrow }{g}}}$$

dónde${\displaystyle V_{d}}$es el volumen de la gota y${\displaystyle \rho _{a}}$es la densidad del aire . Las gotitas también son afectadas por el viento,

$${\displaystyle {\overset {\rightarrow }{F}}_{i,w}={\frac {\pi }{8}}\cdot C_{d}\cdot \rho _{a}\cdot d^{2}\cdot \left|{\overset {\rightarrow }{v}}_{w}-{\overset {\rightarrow }{v}}_{d}\right|^{2}\cdot {\frac {{\overset {\rightarrow }{v}}_{w}-{\overset {\rightarrow }{v}}_{d}}{|{\overset {\rightarrow }{v}}_{w}-{\overset {\rightarrow }{v}}_{d}|}}}$$

dónde${\displaystyle C_{d}}$es el coeficiente de arrastre ,${\displaystyle v_{w}}$es la velocidad del viento, y${\displaystyle v_{d}}$es la velocidad de la gota. La ecuación puede simplificarse en casos de flujo laminar , que puede expresarse utilizando el número de Reynolds (Re), que se utiliza en mecánica de fluidos para determinar patrones de flujo. El flujo se considera laminar cuando el número de Reynolds es menor que 1.

$${\displaystyle Re={\frac {\rho _{a}\cdot d\cdot |{\vec {v}}_{w}-{\vec {v}}_{d}|}{\eta _{a}}}<1}$$

dónde${\displaystyle \eta _{a}}$es la viscosidad del aire . Cuando el flujo es realmente laminar, la fuerza de arrastre se puede calcular utilizando la ley de Stokes .

$${\displaystyle {\overset {\rightarrow }{F}}_{i,w}={\frac {3\pi \cdot \eta _{a}\cdot d\cdot ({\vec {v}}_{w}-{\vec {v}}_{d})}{C_{c}}}}$$

dónde${\displaystyle C_{c}}$es el factor de corrección de deslizamiento de Cunningham , que se supone que es 1 para partículas con un diámetro mayor a 1 μm.

La fuerza eléctrica que actúa sobre las gotas se ve afectada tanto por el campo eléctrico externo (${\displaystyle E_{ext}}$) de los electrodos del dispositivo,

$${\displaystyle {\vec {F}}_{i,E}=q_{i}\cdot {\vec {E}}_{ext}}$$

dónde${\displaystyle q_{i}}$es la carga de la i- ^ésima gota, y los campos eléctricos de otras gotas cargadas,

$${\displaystyle {\vec {F}}_{i,j}={\frac {1}{4\pi \varepsilon _{0}}}\cdot {\frac {q_{i}q_{j}}{r_{i,j}^{2}}}\cdot {\hat {r}}_{ij}}$$

dónde${\displaystyle r_{i,j}}$es la distancia entre la gota i y la gota j . La suma de estas fuerzas representa la ecuación completa de los investigadores,

$${\displaystyle {\vec {F}}_{i}={\vec {F}}_{i,g}+{\vec {F}}_{i,B}+{\vec {F}}_{i,w}+{\vec {F}}_{i,B}+{\vec {F}}_{i,E}+\sum _{j\neq i}^{i}{\vec {F}}_{i,j}=m_{i}\cdot {\vec {a}}_{i}}$$

dónde${\displaystyle F_{i}}$es la fuerza total ejercida sobre la i- ^ésima gota y${\displaystyle a_{i}}$es la aceleración de la i- ^ésima gota. El trabajo realizado sobre la i- ^ésima gota se puede calcular utilizando la ecuación anterior,

$${\displaystyle W_{i}=\int ({\vec {F}}_{i}-{\vec {F}}_{i,w})\cdot d{\vec {l}}}$$

dónde${\displaystyle dl}$es el desplazamiento de la gota . Los investigadores utilizan esto para calcular la diferencia de energía potencial para la gota. La suma del trabajo realizado sobre cada gota produce la energía total generada por el viento. ^{[ 4 ]}

Un sistema de carga conectado a tierra genera una nube de partículas cargadas. El viento transporta estas partículas hacia un colector conductor. El colector está aislado mediante un soporte mecánico no conductor. Si bien el colector es inicialmente neutro, las partículas transfieren su carga al entrar en contacto con él, aumentando así su energía potencial.

Las partículas cargadas y el colector, ahora también cargado, forman un campo eléctrico que ejerce una fuerza sobre las partículas en dirección opuesta al viento. Si bien la fuerza del viento inicialmente supera la del campo eléctrico, el flujo continuo de partículas incrementa la fuerza de este último. Dicha fuerza puede llegar a ser lo suficientemente intensa como para impulsar las partículas de vuelta hacia el sistema de carga, o bien, estas pueden simplemente pasar de largo del colector. Las partículas que no 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. Ajustar variables como la velocidad del viento y el tamaño del colector puede mejorar el rendimiento del sistema. ^{[ 4 ]}

El EWICON funciona con los mismos principios que la implementación anterior, pero prescinde del colector. En su lugar, el EWICON está aislado de la Tierra y libera partículas cargadas al aire. La dispersión de partículas con carga negativa desde un sistema inicialmente neutro aumenta su energía potencial. Una vez que el sistema de carga adquiere una polaridad opuesta a la de las partículas, se ejerce una fuerza de atracción. Si hay poco viento, esta fuerza puede transportar las partículas de vuelta al sistema de carga, perdiendo así la energía neta obtenida durante 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 diseñó el sistema. Se instaló un prototipo del dispositivo en el campus universitario y otros dos se encuentran en la azotea del edificio Stadstimmerhuis 010, ubicado en Rotterdam . Los prototipos fueron diseñados por Mecanoo , un estudio de arquitectura local de Delft . ^{[ 1 ]}

El Dutch Windwheel es un diseño arquitectónico 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 esperaba que el edificio estuviera terminado para 2022, pero aún no ha comenzado la construcción. La estructura está diseñada para mostrar múltiples tecnologías respetuosas con el medio ambiente, incluyendo la captación de agua de lluvia, la filtración de agua de humedales y la energía solar. El centro del edificio circular está reservado para la generación de energía eólica mediante un generador eólico iónico 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 ]}