Potencia de cometa con viento cruzado

La energía generada mediante cometas con viento cruzado se obtiene de sistemas aerotransportados de conversión de energía eólica (AWECS, también AWES) o sistemas de generación de energía mediante cometas con viento cruzado (CWKPS). El sistema de cometa se caracteriza por tener componentes de captación de energía que vuelan transversalmente a la dirección del viento ambiental, es decir, en modo de viento cruzado ; a veces, todo el conjunto de alas y el cable vuela en modo de viento cruzado. Desde modelos de juguete hasta sistemas para la alimentación de la red eléctrica, estos sistemas pueden utilizarse como dispositivos de energía eólica de gran altitud (HAWP) o de baja altitud (LAWP) sin necesidad de torres. En el sistema de cometa se pueden utilizar alas flexibles o rígidas . Un ala sujeta, volando con viento cruzado a una velocidad muy superior a la del viento, capta energía eólica de un área que supera con creces la superficie total del ala.

Los sistemas de energía eólica con cometas de viento cruzado presentan algunas ventajas sobre las turbinas eólicas convencionales, como el acceso a recursos eólicos más potentes y estables, un alto factor de capacidad, la posibilidad de instalación tanto en tierra como en alta mar a costes comparables y la ausencia de necesidad de torre. Además, las palas de estos sistemas pueden variar en eficiencia aerodinámica; el movimiento de las palas sujetas al viento cruzado se compara a veces con las partes exteriores de las palas de las turbinas eólicas convencionales. Sin embargo, un conjunto de palas giratorias convencionales que giran transversalmente al viento, transportadas en un sistema de energía eólica con cometas, se orienta hacia el viento cruzado y constituye una forma de energía eólica con cometas de viento cruzado.

Miles L. Loyd profundizó en los estudios sobre sistemas de propulsión de cometas con viento cruzado en su obra de 1980, "Crosswind Kite Power". ^{[ 1 ]} Hay defensores del viento cruzado que creen que la propulsión de cometas con viento cruzado fue introducida por P. Payne y C. McCutchen en su patente n.° 3,987,987, presentada en 1975; ^{[ 2 ]} sin embargo, la propulsión de cometas con viento cruzado se utilizaba mucho antes de dicha patente, por ejemplo, en cometas objetivo para prácticas de tiro, donde la propulsión con viento cruzado permitía altas velocidades para que los artilleros practicaran. ^{[ 3 ]}

La forma en que un sistema extrae energía del viento y la transfiere a fines útiles ayuda a definir los tipos de sistemas de energía de cometas de viento cruzado. Un tipo de parámetro se refiere a la posición del generador, la bomba, la línea de trabajo o el dispositivo. Otro tipo de parámetro se refiere a cómo se utilizan los cables del conjunto de cables del sistema de cometa; los cables que sostienen los elementos de las alas de la cometa en el aire pueden usarse de varias maneras para formar tipos; los cables pueden simplemente sostener las alas en funcionamiento en el aire, o pueden estar tirando de cargas en el suelo, o realizar múltiples tareas enviando electricidad ganada en el aire a receptores en tierra o tirando de cargas o siendo el propio dispositivo de trabajo, como cuando se usa para tirar de personas u objetos o cortar o moler cosas. Algunos tipos se distinguen por la transferencia de movimiento rápido o la transferencia de movimiento lento. La tipificación del sistema de energía de cometas de viento cruzado también se realiza por la naturaleza del conjunto de alas donde el número de alas y los tipos de alas son importantes para los diseñadores y usuarios; Un conjunto de alas puede estar en una disposición en tren, configuración apilada, complejo de arco, malla de cúpula, familia de alas coordinadas, o simplemente ser un ala simple con un solo cable. Los tipos de dispositivos de energía de cometa de viento cruzado también se distinguen por escala, propósito, vida útil prevista y nivel de costo. La clasificación se realiza según el éxito económico; ¿es el sistema efectivo en el mercado energético o de tareas o no? Algunos CWKPS son un tipo llamado elevadores; están diseñados solo para levantar cargas, quizás personas; este tipo es frecuente por el uso de palas autorrotatorias que entonces parecen helicópteros. Un sistema de energía de cometa de viento cruzado (CWKPS) simple puede ser un complejo híbrido que realiza generación de energía en el aire mientras también realiza trabajo en tierra mediante el arrastre de cargas con cables. Los sistemas de energía de cometa de viento cruzado que involucran elementos aleteantes se están explorando en varios centros de investigación; el aleteo se aprovecha para la conversión de energía de varias maneras. Los investigadores están mostrando tipos de CWKPS que son difíciles de clasificar o tipificar.

En todos los tipos de sistemas de potencia de cometas con viento cruzado, la potencia útil se puede describir aproximadamente mediante la fórmula de Loyd:

${\displaystyle P={2 \over 27}\rho _{a}AC_{L}({C_{L} \over C_{D}})^{2}V^{3}}$

donde P es la potencia; C _L y C _D son los coeficientes de sustentación y resistencia, respectivamente; ρ _a es la densidad del aire a la altitud del ala; A es el área del ala y V es la velocidad del viento. ^{[ 1 ]} Esta fórmula no tiene en cuenta la resistencia del cable, el peso del ala y del cable, el cambio de la densidad del aire con la altitud y el ángulo del vector de movimiento del ala con respecto al plano, perpendicular al viento. Una fórmula más precisa es:

${\displaystyle P={2 \over 27}\rho _{a}AC_{L}G^{2}V^{3}}$

donde G es la relación de planeo efectiva, teniendo en cuenta la resistencia del cable. ^{[ 25 ]}

Ejemplo: un sistema con un ala rígida, con dimensiones de 50 m x 2 m y G=15 en un  viento de 12 m/s proporcionará 40 MW de energía eléctrica.

Dependiendo de la aplicación final de una cometa de viento cruzado, se utilizan diferentes métodos de control . El control humano durante toda la sesión de vuelo se emplea en el kitesurf acrobático con viento cruzado y en el kitesurf en general; lo mismo se ha utilizado en algunas cometas generadoras de electricidad, como la desarrollada por Pierre Benhaiem en Francia. Cuando la cometa de viento cruzado se vuelve demasiado grande para manejarla, se pueden implementar dispositivos con asistencia humana o sistemas de control robóticos totalmente autónomos. Se han demostrado cometas de viento cruzado totalmente pasivas, que utilizan las frecuencias naturales del sistema para permitir la ausencia de controles humanos o robóticos; un ala de cometa que se mueve de un lado a otro constantemente es una cometa primitiva controlada pasivamente. Los avances en computadoras, sensores, unidades de dirección de cometas y servomecanismos se están aplicando para lograr la autonomía total del lanzamiento, vuelo y aterrizaje de las cometas de viento cruzado, con el objetivo de llegar al mercado de producción de energía a gran escala.

Algunos sectores de energía generada por cometas con viento cruzado ya son comercialmente sólidos; la industria de tracción deportiva a baja altitud es uno de ellos; los sistemas de energía generada por cometas con viento cruzado para uso deportivo que se mantienen a baja altitud deben seguir siendo seguros. Pero los sectores de sistemas de energía generada por cometas con viento cruzado de mayor tamaño y a gran altitud que buscan la producción de electricidad a escala industrial para competir con otras formas de producción de energía deben superar varios desafíos para lograr una aceptación generalizada. Algunos de los desafíos son los permisos regulatorios, incluido el uso del espacio aéreo y terrestre; las consideraciones de seguridad; el funcionamiento fiable en diversas condiciones (día, noche, verano, invierno, niebla, viento fuerte, viento débil, etc.); la evaluación y certificación por terceros; y el modelado del costo del ciclo de vida. ^{[ 26 ]}

A principios del siglo XIX, George Pocock utilizó el control de las alas de un sistema de cometa para contrarrestar el viento lateral con buenos resultados. A principios del siglo XX, Paul Garber fabricó alas de alta velocidad mediante controles de dos líneas para proporcionar objetivos a los artilleros de aeronaves. La potencia de las cometas generadas por viento lateral volvió a cobrar protagonismo cuando Miles L. Loyd describió detalladamente las matemáticas y el potencial de esta tecnología en 1980. En aquel entonces, no era posible crear un sistema de control automático económico para controlar las alas de un sistema de cometa, aunque el control pasivo de estos sistemas era una práctica antigua. Con el avance de los recursos computacionales y sensoriales, el control preciso de las alas de un sistema de cometa se volvió no solo asequible, sino también económico. Al mismo tiempo, se lograron avances significativos en los materiales y las técnicas de construcción de alas; se inventaron nuevos tipos de cometas flexibles con una buena relación L/D . Los materiales sintéticos adecuados para el ala y el cable se volvieron asequibles; entre ellos se encuentran el UHMWPE , la fibra de carbono , el PETE y el nailon ripstop . Un gran número de personas se han aficionado a los deportes como el kitesurf , el kiteboarding, el kite buggy , el snowkiting y el power kiting . Numerosas empresas y equipos académicos trabajan en el power kiting con viento cruzado. La mayor parte del progreso en este campo se ha logrado en los últimos 10 años.

Parece existir un gran entusiasmo entre más de mil trabajadores en el ámbito de la energía generada por cometas con viento cruzado, que abarca desde escalas de juguete hasta redes eléctricas. Se especula con la posibilidad de viajar y transportar mercancías sin combustible por todo el mundo mediante el uso de sistemas de cometas con viento cruzado, tanto con sistemas conectados a tierra como con sistemas completamente desconectados. Los objetivos futuros que se discuten en la literatura se refieren a la energía generada por cometas con viento cruzado para su uso en juguetes, deportes, industria, ciencia, comercio, energía para redes eléctricas, navegación y una gran variedad de otras aplicaciones. Para que la energía generada por cometas con viento cruzado pueda competir con la energía solar , la energía nuclear , los combustibles fósiles , la energía eólica convencional , la energía generada por cometas con viento cruzado u otras fuentes de energía renovable , el costo nivelado de la energía generada por cometas con viento cruzado deberá ser competitivo, probado, conocido y adoptado; mientras la energía generada por cometas con viento cruzado avanza hacia el futuro, otros sectores competidores también progresarán. Se espera que aumente la variedad de configuraciones de sistemas de cometas que volarán con viento cruzado para obtener mayor potencia; sin embargo, para propósitos y aplicaciones específicas, se espera que algunos formatos exitosos acaben destacando. Se está investigando la colocación de elementos de alas que vuelan con viento cruzado en enormes arcos elevados a base de cuerdas o incluso en cúpulas de red. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Se han concedido varias patentes relacionadas con la propulsión mediante cometas con viento cruzado. Entre ellas se incluyen:

• US 3987987 Molino de viento autoerigible, obra de Charles McCutchen y Peter R. Payne. La solicitud de patente se presentó el 28 de enero de 1975. Su obra es ahora de dominio público.
• La patente estadounidense US8066225, "Multi-tether cross-wind kite power" ( generación de energía mediante cometas con viento cruzado ) de Benjamin Tigner, fue presentada el 19 de enero de 2009, pero tiene fecha de prioridad del 31 de enero de 2008. Enseña a generar electricidad mediante el uso de cometas con viento cruzado.
• US6781254 Cometa de molino de viento de Bryan William Roberts con fecha de prioridad del 7 de noviembre de 2001. Este ejemplo de cometa propulsada por viento cruzado utiliza generadores voladores impulsados ​​por palas de turbina de viento cruzado autorrotatorias que, además, proporcionan energía para elevar la aeronave a gran altitud o llevarla a puerto seguro. El rápido movimiento de las palas de viento cruzado se aprovecha para impulsar los generadores eólicos aéreos en el buje de las palas giratorias. Este tipo de máquina apareció en la revista Popular Science. ^{[ 29 ]}

• US4708078 Ala propulsora con armazón inflable, de Bruno T. Legaignoux y Dominique M. Legaignoux, con fecha de prioridad del 16 de noviembre de 1984. Esta actividad de patentes formó parte del creciente auge de la generación de energía mediante cometas con viento cruzado, que aún continúa. El borde de ataque y los puntales inflables permitieron aprovechar al máximo el viento con movimientos transversales y alcanzar el agua. Una tecnología estructural similar se utiliza en algunos centros de investigación de generación de energía mediante cometas con viento cruzado de AWES en todo el mundo.

Los sistemas de propulsión para cometas con viento cruzado se encuentran en cometas de juguete , cometas deportivas y tamaños experimentales y prácticos; los centros de investigación proponen tamaños enormes para la alimentación eléctrica. La potencia obtenida en los tamaños de juguete se utiliza para entusiasmar a los usuarios; los sistemas de propulsión para cometas de juguete con viento cruzado de dos y cuatro líneas llenan los cielos de los festivales de cometas. Los sistemas de propulsión para cometas deportivas con viento cruzado impulsan el movimiento de los atletas en los circuitos de carreras en competiciones locales y nacionales. Se están explorando tamaños experimentales y prácticos de sistemas de propulsión para cometas con viento cruzado mientras se avanza en la investigación hacia sistemas a escala industrial.

La energía generada por cometas con viento cruzado se ha utilizado de diversas maneras a lo largo de la historia. La variedad de dispositivos que la producen ha evolucionado históricamente. Un sistema de cometa simple, inactivo y sin generar energía con viento cruzado, contrasta con sistemas que vuelan con viento cruzado, aprovechando al máximo la energía cinética del viento . Para comprender mejor esta energía, una cronología de los usos y el desarrollo de los dispositivos que la generan puede ayudar a entenderla mejor.

• 2013: En mayo de 2013, Google adquirió una empresa californiana que desarrollaba sistemas con generadores a bordo que volaban a favor del viento en trayectorias circulares utilizando una aeronave híbrida que cumple una doble función: palas de turbina y hélices de energía controlada. ^{[ 30 ]} Su sistema está diseñado para funcionar como una aeronave motorizada cuando sea necesario; las palas y el generador se convierten entonces para funcionar como hélices y motor.
• Noviembre de 2012: NTS GmbH muestra avances en su sistema de propulsión por cometa X-wind (viento cruzado) mediante vagones sobre raíles que tiran de un cable que acciona un generador terrestre. NTS X-Wind en EcoSummit Düsseldorf. Un raíl de circuito cerrado con vagones conectados por cable funciona en conjunto para tirar del cable. Cada vagón es arrastrado por un ala de cometa de cuatro amarres; cada ala está controlada por un piloto automático o una unidad de dirección de cometa. ^{[ 31 ]}
• Aproximadamente en 2012: Pacific Sky Power introduce en el mercado minorista un sistema de propulsión mediante cometas para viento cruzado. Archivado el 24/10/2013 en Wayback Machine . Los elementos de viento cruzado que se utilizan son palas de turbina configuradas en formato HAWT con un generador en la parte superior del buje de las palas giratorias. Su sistema no es una aeronave propulsada en ninguna fase de su funcionamiento. Su tamaño es manejable para una sola persona. Se utiliza una cometa de elevación para el piloto.
• Alrededor de 2010: Generación de electricidad mediante el uso de energía de cometa de viento cruzado a bordo, con elementos de bobinado cruzado que son palas HAWT de rotación automática, mostrado por FlygenKite bajo la patente francesa FR 2955627 .
• 2009: Se formó la Asociación de la Industria de la Energía Eólica Aerotransportada (AWEIA, por sus siglas en inglés) para servir a la industria de sistemas de energía eólica mediante cometas de todos los métodos, incluida la energía eólica mediante cometas con viento cruzado.
• 2006: Financiación de KiteGen .
• Década de 1980: Los practicantes de kitesurf demuestran una navegación eficaz contra el viento mediante el uso de técnicas de propulsión con cometa en viento cruzado.
• La potencia de la cometa generada por el viento cruzado se utilizó en prácticas de tiro militar por Paul E. Garber . ^{[ 32 ]} La potencia de la cometa generada por el viento cruzado se utilizó para producir velocidad en el ala del objetivo y simular aeronaves enemigas.
• 1980: Mayo-junio: Miles L. Loyd, del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, Livermore, California, publicó en el Journal of Energy, vol. 4, n.º 3, artículo n.º 80-4075, "Crosswind Kite Power". Se centró en hacer volar las alas de los sistemas de cometas "transversalmente" al viento ambiente; observó que la velocidad del aire transversal de las alas permitiría aprovechar la energía cinética involucrada tanto para mantener las alas en vuelo como para impulsar otras cargas con fines secundarios.
• Hacia 1820, George Pocock demostró el control de un sistema de propulsión mediante cometas para aprovechar el viento lateral y obtener energía para arrastrar un vehículo rápidamente. Muchos lo considerarían posteriormente el padre de la propulsión mediante cometas con viento lateral, que utiliza la energía eólica captada para la tracción.

Los sistemas de propulsión por cometa dedicados a operar sin que sus elementos de captación de energía vuelen con viento cruzado no son CWKPS. Los ejemplos ayudan a aclarar las dos ramas de los sistemas de propulsión por cometa. Una cometa simple simétrica de dos palos en forma de diamante, suelta para volar a favor del viento mientras el cable del sistema tira para hacer girar el eje de un generador en tierra, produce energía para usarla volando a favor del viento sin volar con viento cruzado; este es un no-CWKPS. Algunos sistemas de propulsión por cometa de viento a favor (DWKPS) de gran tamaño son propuestos por investigadores serios; algunas instrucciones de DWKPS se encuentran en la literatura de patentes; una tendencia implica la apertura y cierre de paracaídas de apertura y cierre levantados por la cometa piloto para accionar generadores. ^{[ 33 ]} Nótese que algunos CWKPS, como el parapente Jalbert que funciona en patrones de figura de ocho para hacer girar un generador en tierra, podrían ponerse en marcha para operar completamente sin volar con viento cruzado, y el sistema de propulsión por cometa resultante sería entonces un DWKPS. Por otra parte, el CWKPS propuesto por los usuarios de las palas autorrotatorias se mantiene necesariamente como CWKPS. El globo cometa de ala abatible de Magenn Power es un DWKPS. ^{[ 34 ]} Alas giratorias de ala abatible similares son DWKPS, por ejemplo, la que se enseña en la patente de Edwards y Evan . El legendario cruce del estanque de Benjamin Franklin mediante la fuerza de una cometa fue un simple DWKPS; simplemente fue arrastrado a favor del viento por una cometa que volaba a favor del viento. Un sistema que no es CWPKS se ilustra históricamente con un sistema de recolección de energía de cometa como el que usó Samuel Franklin Cody para elevar personas con las alas involucradas colocadas en vuelo estable a favor del viento sin volar a contraviento.

• turbina eólica aerotransportada
• Energía eólica de gran altitud
• Cometa rígida (energía eólica aérea)
• Aerogeneradores no convencionales

• Vance, E. Energía eólica: Grandes esperanzas. Nature 460, 564–566 (2009). https://doi.org/10.1038/460564a

• Asociación de la Industria de la Energía Eólica Aerotransportada (AWEIA)
• Laboratorios de energía eólica aerotransportados
• Partes interesadas en la energía de cometas para viento cruzado
• Génesis de la energía de las cometas con viento cruzado, por Miles L. Loyd, en una presentación de 2010.
• Vídeo de Twind que ilustra el sistema de propulsión por cometa con asistencia LTA para viento cruzado.
• Aprovechamiento de la energía eólica ambiental mediante el aleteo de flujo cruzado.
• El advenimiento de la energía eólica aerotransportada por Brian MacCleery
• Fenómenos de inestabilidad aerodinámica controlada
• I. Argatov, P. Rautakorpi y R. Silvennoinen. Estimación de la producción de energía mecánica del generador eólico de cometa . Energía Renovable, 34:1525–1532, 2009.
• Remolque y generación de energía óptimos con viento cruzado mediante cometas amarradas. Archivado el 6 de abril de 2011 en Wayback Machine.