Dispositivo aeromecánico
La Figura 19 es la representación de un parque eólico con 4 dispositivos GESOF y una Central Hidroeléctrica (C.H.). Se ponen 4 para facilitar la visualización, en un parque real serian 16 GESOF equidistantes entre ellos y con una C.H. en el centro. Se aprecia un viento que tensa los cables de la izquierda (ciclo de impulsión), mientras que los otros dos cables pierden tensión (ciclo de succión). Las tuberías que conectan los cilindros hidráulicos con la C.H. están enterrados. De la C.H. salen tres tuberías; una que trae agua salada del mar, otra con salmuera que es vertida mar adentro y una tercera que lleva el agua potable a la población.
Figura 19: Parque de 4 GESOF y una central hidráulica
Fuente: Propia
La Figura 20 representa dos alturas de trabajo del dispositivo GESOF junto con un perfil de velocidades del viento. La potencia eólica es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Mayor altura implica mayor velocidad del viento y por ende un potencial eólico muy superior al de la eólica convencional.
Figura 20: Potencia eólica a dos alturas diferentes
Fuente: Propia
Técnicamente el vector viento produce tres efectos sobre GESOF. Arrastre en el plano paralelo y perpendicular al vector viento, y sustentación, sobre el haz de planos que contiene el vector viento. El efecto que produce el vector viento en el arrastre se ve en la Fig. 21a y Fig. 21b.
Figura 21a: Variabilidad en el vector fuerza de arrastre respecto al sentido del viento.
Fuente: Propia
Figura 21b: Variabilidad en el vector fuerza de arrastre respecto a la perpendicular del viento.
Fuente: Propia
Si la velocidad y la dirección del viento que incide sobre el GESOF permanecen constantes, en la cara opuesta aparecen las VIV. Debido a la aleatoriedad de los torbellinos se crean intervalos de tiempo. (1) Generan succión oblicua tirando del GESOF en el mismo sentido que el flujo. (2) Momentos en que no tenga incidencia al ser un vector nulo. (3) Empuje oblicuo se realiza en sentido contrario a la marcha del flujo. La suma de los dos vectores da como resultado la fuerza de arrastre (Fd).
CD (Coeficiente de Arrastre) ≈ 1
La fuerza de sustentación (Fy) se produce por el efecto Bernoulli, Figura 22:
Figura 22: Fuerza de sustentación en alternancia.
Fuente: Propia
Si las líneas de corriente tienden a ir hacia la parte superior de la esfera, se comprimen y aumentan la velocidad por lo que disminuye la presión. Por el contrario, en la parte inferior de la esfera disminuye la velocidad y aumenta la presión. Tal diferencia de presiones crea un diferencial que desplaza verticalmente hacia arriba al GESOF. Con el paso del tiempo se da la situación inversa. La presión alta esta sobre el GESOF y las bajas presiones bajo este, produciéndose un empuje descendente. Cíclicamente se repite dicho fenómeno. CL (Coeficiente de sustentación) ≈ 0.5
La combinación de las dos componentes (CD y CL) provoca un desplazamiento periódico oblicuo del globo, con un tira y afloja de los cables de tracción.
El dispositivo GESOF es afectado por: la fuerza de arrastre, la fuerza de sustentación, densidad del aire, corrientes convectivas, peso del dispositivo, ángulo de los cables de arriostramiento, nº de Reynolds, capa límite, ángulo de incidencia del vector viento, resonancia, etc. Todos estos parámetros hacen difícil el cálculo de la fuerza resultante que actúa sobre GESOF. La mejor opción son ensayos con CFD (Computer Fluid Dynamics). A groso modo se estima la resultante de dichos parámetros como rendimiento aeromecánico ≈ 0.5
Figura 23: Factor vector viento.
Fuente: Propia
La Figura 23 muestra la incidencia de un vector viento (Vxyz) sobre el GESOF. Siempre hay un eje paralelo que pasa por el centro de la esfera perpendicular al plano tangente a la superficie (π). Su prolongación es un radio de la esfera, por este motivo la fuerza de incidencia sobre el GESOF es máxima. Al aprovechar las 3 componentes del vector viento se obtiene la característica de omnidireccionabilidad. Sople de donde sople el viento la incidencia en el GESOF será máxima, y de manera instantánea sin necesidad de mecanismos de posicionamiento.
Los aerogeneradores no captan toda la energía del vector viento, por no tener tiempo a posicionar la góndola a favor de los vientos más potentes. El segundo motivo es que la componente Vy del vector viento no es aprovechable.
Si se posiciona un aerogenerador y un GESOF bajo las mismas condiciones de viento, el vector viento que incida en el GESOF siempre será mayor que el del aerogenerador. La potencia es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Sí el vector viento que incide en el GESOF es de media un 12% mayor, se obtiene un 40% extra de energía.
La Figura 24 es el GESOF visto en planta. El cilindro hidráulico 3 se posiciona en la dirección del viento dominante. El tamaño de cada cilindro y su amplitud se diseña acorde a la rosa de los vientos del emplazamiento local.
Figura 24: Vista en planta de un GESOF.
Fuente: Propia
La Figura 25 es un ejemplo gráfico de frecuencias y amplitudes de los tres cilindros hidráulicos ideales funcionando al mismo tiempo. La gráfica marca la posición de un movimiento armónico simple (TIPLER, 2003) no la fuerza del cilindro hidráulico. En un ciclo de succión o de impulsión, se observa que el cilindro 1 tiene una amplitud del 40%, el cilindro 2 tiene una amplitud del 60%. La diferencia se debe a un ángulo de incidencia en el vector viento que no está perfectamente alineado. El cilindro 3 es posicionado en virtud del viento, por ello tiene una amplitud del 100%. La frecuencia de resonancia es la misma para los tres cilindros hidráulicos. GESOF oscila de arriba a abajo y de delante a atrás. Se mantiene un desfase de π radianes del cilindro 3 respecto a los cilindros 1 y 2. Cuando el cilindro 3 sube, los cilindros 1 y 2 bajan. Cuando el cilindro 3 baja, los cilindros 1 y 2 suben. El ciclo es periódico. En condiciones reales las gráficas pueden sufrir modificaciones debido a las turbulencias provocadas por las calles de vórtices. Si no hay viento, los tres cilindros se ubican en su posición de reposo a mitad de carrera. Todo esto bajo la hipótesis de un viento ideal que mantiene el mismo módulo y dirección del vector viento.
Figura 25: Amplitudes y frecuencias de los cilindros hidráulicos.
Fuente: Propia
Se diseña el globo para que las frecuencias de arrastre y sustentación coincidan, magnificándose el efecto por resonancia. La resonancia mecánica es la generación de mayor amplitud de movimiento al aplicarle una fuerza pequeña en sintonía con el desplazamiento. Dicho fenómeno se consigue igualando la frecuencia natural de GESOF con la frecuencia de calles de vórtices de Von Karman.