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Twistower o Torre Huracán

El Twistower o Torre Huracán es una torre ultra ligera flotante yen rotación que puede sustituir una torre solar con aire ascendente. En principio, la torre es un tornado estable vinculado por un cilindro hueco con paredes delgadas.

http://www.greenidealive.org/110599/476/twistower.html
Por: F. Hagg | 22-Sep-2009


Figura 1: Torre Huracán como una Torre Solar de 200 MW de 1000 m

Un ejemplo de un vórtice estable es la estela de vapor generada por una punta de ala de avión. Esta vorágine sostiene a más de 10.000 hasta 50.000 veces el diámetro del vórtice (véase la figura 2). Normalmente, un vórtice sostiene 10 a 50 veces el diámetro.


Figura 2: estela de vapor generada por un vórtice de punta de ala de avión

Una estela es estable, porque las gotitas se condensan en el centro del vórtice. Las gotas se mueven hacia el diámetro exterior de la base, dejando atrás en el núcleo el calor latente. Este calor genera una inversión de temperatura en el diámetro del núcleo, que debido a la fuerza centrífuga, evita que se mezclen el núcleo de baja densidad con el ambiente de mayor densidad. Este límite de inversión hace que el vórtice es muy estable.

Un cilindro con paredes delgadas es más resistente que una inversión de temperatura y generará vórtices más estables. Si el aire en el cilindro es caliente el vórtice será aún más estable. Si una torre giratoria con paredes delgadas como la torre huracán o Twistower se utiliza como una torre solar va a generar un vórtice estable, con pérdidas de bajo flujo.


Operativo de torre solar
Una torre solar levanta aire calentado con el sol por el efecto chimenea. La energía cinética del aire de elevación se transforma en energía eléctrica mediante turbinas en la base de la torre.

La torre flotara, si es más ligera que la fuerza de elevación de baja densidad del aire caliente y la fuerza de arrastre del corriente en la torre. Mayor ligereza puede ser proporcionada con anillos hinchables llenos de helio o de hidrógeno.

Otra idea de substitución con una torre de pared delgada que es la torre solar “greentower” en Namibia. También, se puede aplicar un vórtice al motor de vórtice AVE del Canadiense Michaud. El problema de una torre con pared delgada y que no esta en rotación es la presión, que va a causar la implosión del cilindro. El problema de un vórtice sin consolidación es la estabilidad y el diámetro pequeño del núcleo. Ambos problemas no están presentes en la torre huracán, donde la presión interna de la pared está en equilibrio con la presión externa sobre la pared y donde el diámetro del núcleo es automáticamente el diámetro de la pared. Debido a las cargas bajas, la pared puede ser fina, si el material aplicado es fuerte y ligero como por ejemplo fibra de carbono.

En principio, cada parte individual de la pared estará en equilibrio con las fuerzas del aire alrededor, a pesar de que las cargas en la pared son pequeñas. El vórtice se genera por una rejilla de paletas en la parte inferior de la torre. La energía cinética se transforma mediante aerogeneradores, dispuestos alrededor de la entrada de la torre.






Figura 3: torre huracán o twistower con los detalles de las turbinas de viento, la red de paletas y la cima de la torre
.Si hay viento la torre se inclina por la fuerza del viento. El ángulo de inclinación depende de las fuerzas verticales y horizontales que actúan sobre la torre y las costillas inflables llenas de gas ligero.

La fuerza vertical esta debida a la densidad del aire caliente en rotación, la parte vertical de la fuerza es debida a los anillos hinchables llenos de gas ligero, al peso de la torre y al arrastre interior:
Fv = (π/4)d²hg[(ρo – ρi) cos φ+0.5 Ca ρo /(gh) (D/d)² vw²sin φ cos φ -4 t/d ρw+ρi sin φ λ/(gd) vt²]

La fuerza horizontal se debe al arrastre del viento en la torre y en las costillas hinchables:
Fh = 0.5 ρo vw² (Cd h d sin φ + Ca (π/4)D² cos² φ)

La inclinación de la torre resultante es:
φ = arctan (Fa /Fh)

Debido a que la torre no puede soportar momentos de flexión, es libre lateralmente y sólo las fuerzas axiales positivas serán apoyadas, por lo que la tensión en la pared “hoja” muy delgada de la torre es la siguiente:
σ = (Fv² + Fh²)½/(πdt)

Para proporcionar la libertad lateral de la torre, esta se apoya en la base sobre una articulación giratoria, mientras que el sello de la conexión con la base es proporcionada por un laberinto (cepillo) giratorio.






Figura 4: Operación del codo en la base de la torre

Para un diámetro de 60 m, una torre alta de 100m con una pared “hoja” de 0,4 mm, el ángulo de inclinación y el estrés sobre la pared “hoja” se da en la figura 5 (a continuación) para diferentes velocidades del viento.


Figura 5: inclinación de la torre, la tensión y las fuerzas dependientes de la velocidad del viento ambiente

Con una velocidad del viento normal hasta 5 m/s la inclinación de la torre es de 65° a 80°, que es factible. Con una velocidad del viento alta de 22 m/s la inclinación de la torre es de 30° y durante el corto período de tiempo que ocurrirá, es factible. Incluso en velocidades del viento extremas, la torre no tocará el suelo (φ> 18°).
En todas las condiciones, la tensión sobre la pared “hoja” es factible (σ inferior a 100 MPa) si la delgada pared se ve reforzada con fibras de alta tensión. Por supuesto, si se esperan condiciones meteorológicas extremas la torre puede fácilmente ser implementada.






Figura 6: funcionamiento de la torre huracán o twistower con una velocidad del viento de 15 m/s.


Ventajas
La torre será muy barata y es fácil construirla y mantenerla. Se puede comparar con la construcción de globos de aire caliente o zeppelines (aeróstato dirigible).
La masa de la torre es de solamente 180 toneladas, que es más pequeña de varias órdenes que el peso de una torre solar convencional de 60 m de diámetro y de 1000 m de alto (estimado: 500.000 toneladas). El costo estimado es de sólo 20 millones de €, que también es más barato que el precio para una torre convencional (estimación de 300 M€).

Para una torre solar de 200 MW, esto es sólo 0,1 €/W, y es muy viable.
Proporcionado por una torre solar con invernadero el costo estimado de la electricidad es de 3 a 6 centavos de €/kWh. Si proporcionado con una torre solar húmeda (con un estanque) de aire ascendente, el costo estimado es de 1,5 - 3 centavos de €/kWh.
La eficiencia de una torre de aire ascendente es proporcional a la altura de la columna de aire ascendiente, que es la altura de la chimenea de torres convencionales. Porque para la twistower el vórtice continuará de ser estable, la altura de la columna de aire ascendiente será mucho mayor y se espera que sea más del doble de la altura de la torre. Esto hará que la eficiencia de la torre huracán será mucho más alta que para una torre convencional.


Puntos críticos y medidas recomendadas:
• La lluvia y el hielo aumentan la masa de la torre, que podría inclinarse hasta el suelo;
• Las aves podrían dañar la torre;
• La aero-inestabilidad elástica podría dañar la torre y las turbinas.

Para evitar la deposición de hielo es preferible situar las turbinas en los lugares libres de hielo. Sin embargo, si se produce de vez en cuando en los niveles superiores, el hielo se funde cuando la torre se cae un podo, y la torre se levantará de nuevo después de la fusión del hielo.
Para evitar la deposición de la lluvia sobre la pared debe ser hidrófoba de modo que la fuerza centrífuga de la torre giratoria eliminará la lluvia.
Las aves serán expulsadas por el ruido. Se espera que la torre en rotación transmita a nivel local un ruido suficiente para advertir a los pájaros. Sin embargo si una colisión puede ocurrir, la pared delgada de la torre amortizara la colisión. También porque la presión interna está en equilibrio con la presión externa, un agujero pequeño no es ningún problema y casi ninguna fuga de aire caliente va a producirse.
Debido a la rigidez de alta y baja aerodinámica de amortiguación de una pared delgada, no se esperan inestabilidades elástica o aerodinámica.
Antes y durante eventos climáticos extremos, con fuertes gradientes de velocidad del viento (turbulencias), como las tormentas, la torre debe ser desplegada (desmontada o acostada).


Conclusiones
La twistower o torre huracán es una torre muy barata, que puede convertir energía cinética de un flujo de aire con alta eficiencia. Debido a que tradicionalmente la torre es un componente costoso de las torres solares con aire ascendente, una twistower reducirá sustancialmente el costo.
Otras aplicaciones, como chimeneas económicas o torres de enfriamiento también podrían ser posibles.

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Por: F. Hagg | 22-Sep-2009
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