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Sistemas aéreos de energia eólica: uma revisão das tecnologias Entre as novas tecnologias para produzir eletricidade a partir de recursos renováveis, uma nova classe de conversores de energia eólica foi concebida sob o nome de Airborne Wind Energy Systems (AWESs). Esta nova geração de sistemas emprega voar asas ou aeronaves amarradas para alcançar ventos soprando em camadas de atmosfera que são inacessíveis por turbinas de vento tradicionais. A pesquisa sobre AWESs começou em meados dos anos setenta, com uma rápida aceleração na última década. Vários sistemas baseados em conceitos radicalmente diferentes foram analisados ​​e testados. Vários protótipos foram desenvolvidos em todo o mundo e os resultados de experimentos iniciais estão se tornando disponíveis. Este artigo fornece uma revisão das diferentes tecnologias que foram concebidas para colher a energia de ventos de alta altitude, especificamente incluindo protótipos desenvolvidos por universidades e empresas. A classificação de tais sistemas é proposta com base em seu layout geral e arquitetura. O foco é definido na arquitetura de hardware dos sistemas que foram demonstrados e testados em cenários reais. Soluções promissoras que provavelmente serão implementadas no futuro próximo também são consideradas. 1. Introdução O avanço das sociedades e, em particular, a sua capacidade de sustentar populações maiores, estão intimamente relacionados com as mudanças na quantidade e tipo de energia disponível para satisfazer as necessidades humanas de alimentação e para realizar o trabalho 1. O baixo acesso à energia é um aspecto Pobreza. A energia, e em particular a electricidade, é de facto crucial para a prestação de serviços adequados, tais como água, alimentação, cuidados de saúde, educação, emprego e comunicação. Até hoje, a maior parte da energia consumida pelas nossas sociedades provém de combustíveis fósseis e nucleares, que agora enfrentam graves problemas como a segurança do abastecimento, a acessibilidade económica, a sustentabilidade ambiental e os riscos de catástrofes. Para resolver estes problemas, os principais países estão a adoptar políticas energéticas centradas no aumento da implantação de tecnologias de energia renovável. Em particular: toro Desde 1992, para evitar os impactos mais severos da mudança climática, os Estados membros das Nações Unidas estão comprometidos com uma drástica redução das emissões de gases de efeito estufa abaixo dos níveis de 1990. Em Setembro de 2009, os líderes da União Europeia e do G8 concordaram que as emissões de dióxido de carbono deveriam ser reduzidas em 80 antes de 2050 2. Na União Europeia (UE), a implementação obrigatória deste compromisso está a decorrer através do Protocolo de Quioto, que limitou 15 Estados-Membros da UE a reduzir as suas emissões colectivas por 8 no período de 2008 e 2012, eo Pacote de Energia Climática (as metas 20ndash20ndash20) rsquo, Que obriga a UE a reduzir as suas próprias emissões em pelo menos 20 até 2020. Neste contexto, nas últimas décadas tem havido um rápido crescimento e expansão das centrais de energias renováveis. Entre eles, os geradores eólicos são o tipo mais disseminado de colheitadeiras intermitentes de energia renovável com seus 369xA0GW de potência instalada cumulativa no final de 2014 3. A capacidade eólica, ou seja, a potência instalada total, mantém uma tendência positiva com um incremento de 51,4xA0GW em 2014 No futuro, tal crescimento poderá diminuir devido à saturação de áreas ventosas em terra que são adequadas para instalações. Por esta razão, os atuais programas de pesquisa estão orientados para a melhoria da capacidade de energia por unidade de área de terra. Isto traduz-se na tendência industrial global de desenvolvimento de turbinas eólicas únicas com potência nominal aumentada (até 5xA0MW) que apresentam lâminas de alto comprimento (para aumentar a área varrida) e eixo da turbina de alta altura (para alcançar ventos mais fortes em altitudes mais altas) 4 . Paralelamente, desde o início da década de 2000, a investigação industrial está a investir em instalações offshore. Em locais suficientemente afastados da costa, os recursos eólicos são geralmente maiores do que aqueles em terra, com os ventos sendo mais fortes e mais regulares, permitindo uma taxa de utilização mais constante e planejamento de produção preciso e proporcionando mais energia disponível para conversões. A taxa de crescimento prevista das instalações offshore é extremamente promissora de acordo com as previsões actuais, a potência instalada mundial está prevista na ordem de 80xA0GW dentro de 2020 5. Nesse contexto, surgiu na comunidade científica um setor de energia renovável completamente novo, a Aerogeradora de Energia Eólica (AWE). A AWE pretende captar a energia eólica em altitudes significativamente mais elevadas. As máquinas que colhem esse tipo de energia podem ser chamadas de Sistemas Aerotransportados de Energia Eólica (AWESs). O alto nível e a persistência da energia transportada pelos ventos de alta altitude, que explodem na faixa de 200xA0m ndash a 10xA0km da superfície do solo, tem atraído a atenção de várias comunidades de pesquisa desde o início dos anos oitenta. O princípio básico foi introduzido pelo trabalho seminal de Loyd 6 no qual ele analisou a energia máxima que pode ser teoricamente extraída com AWESs baseado em asas amarradas. Durante os anos noventa, a pesquisa sobre AWESs foi praticamente abandonada, mas na última década, o setor tem experimentado uma aceleração extremamente rápida. Várias empresas entraram no negócio de energia eólica de alta altitude, registrando centenas de patentes e desenvolvendo uma série de protótipos e demonstradores. Várias equipas de investigação em todo o mundo estão actualmente a trabalhar em diferentes aspectos da tecnologia, incluindo controle, eletrônica e design mecânico. Este artigo fornece uma visão geral dos diferentes conceitos AWES focando em dispositivos que foram praticamente demonstrados com protótipos. O artigo está estruturado da seguinte forma. A Secção 2 fornece uma breve descrição do recurso energético dos ventos de altitude elevada. A seção 3 fornece uma classificação unificada e abrangente de diferentes conceitos de AWES, que tenta mesclar taxonomias previamente propostas. Em 4 xA0andxA05. Uma visão geral atualizada de diferentes dispositivos e conceitos é fornecida. Seção 6 explica por que AWE é tão atraente graças a alguns modelos simples e bem conhecidos. Finalmente, a Seção 7 apresenta algumas questões tecno-econômicas fundamentais baseadas no estado da arte e tendências da pesquisa acadêmica e privada. Diferentemente de outras revisões anteriormente publicadas, este artigo trata de aspectos que dizem respeito a escolhas arquitetônicas e design mecânico de AWESs. Fizemos o nosso melhor na coleta de informações abrangentes da literatura, patentes e também por contatos diretos com alguns dos principais atores industriais e acadêmicos. 2. Disponibilidade de Energia Eólica Aérea Na literatura, a sigla AWE (Airborne Wind Energy) é geralmente empregada para designar o recurso de energia eólica de alta altitude, bem como o setor tecnológico. Os ventos de alta altitude têm sido estudados desde décadas por meteorologistas, climatologistas e pesquisadores no campo da ciência ambiental, embora muitas questões ainda não tenham sido resolvidas. 7. O primeiro trabalho que objetivou avaliar o potencial da AWE como recurso de energia renovável foi apresentado por Archer e Caldeira 8. O trabalho apresenta um estudo que avalia uma enorme disponibilidade mundial de energia cinética de vento em altitudes entre 0,5xA0km e 12xA0km acima do solo, fornecendo mapas de distribuição geográfica e persistência de densidade de energia eólica em diferentes faixas de altitude. Esta análise preliminar não leva em conta as conseqüências sobre o vento eo clima de uma possível extração de energia cinética dos ventos. No entanto, as conclusões dessas investigações já chamaram a atenção de muitos pesquisadores e engenheiros, sugerindo grandes promessas para tecnologias capazes de colher energia de ventos de alta altitude. Estudos mais aprofundados têm sido realizados empregando modelos climáticos complexos, que prevêem conseqüências associadas à introdução de colheitadeiras de energia eólica (perto da superfície e em alta altitude), que exerce forças de arrasto distribuídas contra os fluxos de vento. Marvel et ai. 9 estimam um máximo de 400xA0TW e 1800xA0TW de potência cinética que poderiam ser extraídos dos ventos que sopram, respectivamente, perto da superfície (colhida com turbinas eólicas tradicionais) e através de toda a camada atmosférica (colhida com turbinas tradicionais e conversores de energia eólica de alta altitude ). Mesmo que mudanças climáticas globais possam afetar o clima global no caso de tal extração maciça, os autores mostram que a extração de 18xA0TW (ou seja, uma quantidade comparável com a demanda real de energia no mundo) não produz efeitos significativos em escala global. Isto significa que, do ponto de vista geofísico, pode-se extrair muito grande quantidade de energia do vento em altitudes diferentes. Uma visão mais cética em ventos de grande altitude é fornecida em Miller et al. 10 que avaliou em 7,5xA0TW a extração de energia global sustentável máxima. Mas sua análise é focada unicamente em ventos do jato (isto é, somente em alturas muito elevadas entre 6xA0km e 15xA0km acima do solo). Apesar da grande variabilidade e do nível de incerteza desses resultados e previsões, é possível concluir que uma parcela importante da energia primária mundial poderia ser potencialmente extraída de ventos de altitude elevada. Isso torna possível a previsão de grandes oportunidades de negócios e pesquisa para os próximos anos no campo da energia eólica aerotransportada. 3. Classificações dos sistemas de energia eólica no ar Neste artigo, o termo AWES (Airborne Wind Energy Systems) é utilizado para identificar todas as máquinas eletromecânicas que transformam a energia cinética do vento em energia elétrica. Os AWES são geralmente constituídos por dois componentes principais, um sistema de solo e pelo menos um avião que estão ligados mecanicamente (em alguns casos também ligados electricamente) por cabos (muitas vezes referidos como amarrações). Entre os diferentes conceitos da AWES, podemos distinguir os sistemas Ground Gen em que a conversão de energia mecânica em energia elétrica ocorre no solo e nos sistemas Fly-Gen em que essa conversão é feita na aeronave. Newt - Taricha torosa Os adultos terrestres são marrom amarelado a marrom escuro acima, amarelo pálido a laranja abaixo. (Há menos contraste entre a cor dorsal e ventral nos lados do que com T. granulosa.) As pálpebras ea área abaixo dos olhos são mais claras que o resto da cabeça. A íris é prateada a amarelo pálido. Os olhos parecem estender-se para ou para além do contorno da cabeça quando visto de cima, (ao contrário de T. granulosa.) Masculino Feminino Diferenças Machos reprodutores desenvolvem pele lisa que parece enrugada e baggy subaquática, uma cauda achatada para ajudar com a natação, um inchado Cloaca e almofadas nupciais ásperas na parte de baixo dos pés para ajudar na exploração em fêmeas durante o amplexus. As larvas aquáticas são o tipo da lagoa, amarelo claro acima com duas faixas estreitas regulares escuras na parte traseira. Mais Informações e Referências Stebbins, Robert C. e McGinnis, Samuel M. Guia de Campo para Anfíbios e Répteis da Califórnia: Edição Revisada (California Natural History Guides) Universidade da Califórnia Press, 2012. Stebbins, Robert C. Califórnia Anfíbios e Répteis. The University of California Press, 1972. Stebbins, Robert C. Um guia de campo para répteis ocidentais e anfíbios. 3a Edição. Houghton Mifflin Company, 2003. 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O clima eo clima do oceano são definidos como o estado da atmosfera em um lugar e em uma hora específicos, visto que o clima é uma média a longo prazo do tempo em uma região. Muitos fatores se combinam para criar os diferentes climas encontrados em todo o mundo, como a quantidade de radiação solar que uma área recebe, terreno local, grandes massas de água próximas e condições geológicas e biológicas variáveis. Pequenas mudanças no padrão orbital de Earthx0027s ao redor do Sol também podem ter grandes efeitos sobre o clima. Os meteorologistas conseguiram algum sucesso na previsão de padrões climáticos, em parte porque são de natureza localizada e de curta duração. O clima, entretanto, leva em consideração os fatores climáticos em uma região maior e um período de tempo mais longo e, portanto, é muito mais difícil de prever. Fatores que afetam o clima do Earthx0027s O fator preliminar que afeta o clima é radiação solar. Cerca de metade da energia do Sunx0027s irradiada para a Terra é absorvida, mas esta energia não está uniformemente distribuída através da superfície. Fatores que influenciam a absorção são a transparência da atmosfera, o ângulo do Sol acima da superfície da Terra e a refletividade dessa superfície. Os oceanos mundiais desempenham um papel importante na absorção e liberação de energia solar, e fornecendo umidade à atmosfera. Eles também absorvem enormes quantidades de gás dióxido de carbono da atmosfera. O ângulo do Sol acima do horizonte, conhecido como o ângulo de incidência, determina a quantidade de energia que atinge a Terra. Se o ângulo de incidência é alto, como na região equatorial, com o Sol quase perpendicular à superfície da Terra, a energia máxima será espalhada por uma pequena área superficial com pouca reflexão. À medida que o ângulo de incidência cai, como quando se aproxima dos pólos, a mesma quantidade de energia é espalhada sobre uma área muito maior devido ao ângulo aumentado. Mais energia solar é refletida fora do sistema Earthx0027s se ele vem em um ângulo. A absorção da energia solar também é influenciada pela inclinação orbital do Earthx0027s. Como a Terra está inclinada em seu eixo de rotação de 23,5 graus em relação ao seu plano orbital ao redor do Sol (a eclíptica), as latitudes médias do Hemisfério Norte recebem cerca de três vezes mais radiação solar em junho do que em dezembro. Como a Terra orbita o Sol, primeiro o Hemisfério Norte, então o Hemisfério Sul é inclinado mais perto do Sol, criando as estações. Em 21 de junho, o Sol está diretamente sobre o céu ao meio-dia no Trópico de Câncer. Esta data é o solstício de verão do Hemisfério Norte. Em 21 de dezembro, solstício do hemisfério sul, o Sol está diretamente sobre o Trópico de Capricórnio a 23,5 graus de latitude sul. Este aquecimento solar desigual criou regiões climáticas do oceano aberto que funcionam paralelas às linhas de latitude. Estas regiões climáticas são relativamente estáveis ​​e são apenas ligeiramente influenciadas pelas correntes de superfície. Transferência de calor. Se o calor do Sol não fosse redistribuído, os pólos seriam muito mais frios e o equador muito mais quente do que eles. Movendo correntes de ar e água do oceano redistribuir o calor sobre a Terra. A evaporação da água no equador adiciona calor latente da vaporização à atmosfera. O ar quente e úmido sobe no equador, formando duas células de circulação, uma de cada lado. A influência da rotação de Earthx0027s faz com que a velocidade no equador seja muito maior do que a velocidade próxima dos pólos. Isso cria a Coriolis Figura 1. As células de convecção atmosférica e os ventos de uma hipotética Terra coberta de água são dispostos em faixas latitudinais, embora sejam modificados pela influência das massas de terra. O efeito Coriolis desvia as massas de ar, quer para o leste (se afastando-se do equador) quer para o oeste (se movendo em direção ao equador). O upwelling ocorre nas frentes do equador e polares, e downwelling nos pólos e em latitudes médias. Efeito, desviando fluidos em movimento para a direita no Hemisfério Norte, e para a esquerda no Hemisfério Sul. As complicações resultantes fazem com que cada hemisfério tenha três células de circulação atmosférica em vez de apenas uma. As células de Hadley consistem em ar quente que se eleva no equador, tornando-se mais frio e denso com movimento para cima e para o pólo, e afundando a cerca de 30 graus de latitude norte e sul. Poleward das células de Hadley, a circulação atmosférica é governada pelas células de circulação Ferrell e Polar (ver Figura 1). O ar que se levanta e que afunda nas junções entre estas pilhas governa ventos de superfície e pressão atmosférica através da terra. Zonas climáticas A região equatorial recebe a quantidade máxima de radiação solar. O ar quente é capaz de evaporar e armazenar grandes quantidades de vapor de água. O ar quente começa a subir, causando vapores superficiais fracos e variados, conhecidos pelos marinheiros como o x0022doldrums. x0022 Este ar úmido e ascendente esfria com a altitude. Gerando chuveiros de chuva quase diariamente. As regiões tropicais se estendem ao norte e ao sul da estreita região equatorial até ao Trópico de Câncer e ao Trópico de Capricórnio, respectivamente. Figura 2. As zonas equatoriais, tropicais, subtropicais, temperadas, subpolares e polares são o resultado do aquecimento desigual da superfície da Terrax. Esta é a área de ventos alísios, favorecida pelos primeiros marinheiros, onde ventos consistentes mantêm fortes correntes equatoriais. O aumento do calor e do vapor de água gera as tempestades tropicais e os ciclones para os quais esta região é bem conhecida. Norte e sul dos trópicos encontra-se uma faixa de ar quente e seco conhecido como as regiões subtropicais. O ar descendente cria uma correia de alta pressão com baixa precipitação e, como na região equatorial, correntes oceânicas mínimas e ventos fracos. Estas são as latitudes x0022horse, x0022 onde o ar quente e seco evapora a água do oceano a uma taxa acelerada. As regiões temperadas situam-se acima de 40 graus de latitude norte e sul. Os ventos predominantes do oeste dominam esta região com ventos fortes e tempo instável. Como em terra, esta região é bem conhecida por tempestades de grande tamanho e intensidade, especialmente quando o ar quente e úmido, como em um ciclone tropical, se mistura com o ar mais frio da região temperada. As regiões subpolares têm predominantemente baixa pressão e áreas de alta precipitação. As temperaturas da superfície do mar atingem um máximo no verão de apenas 5xB0C (41xB0F). Isso permite que o gelo marinho se forme durante os meses de inverno e cubra completamente o oceano até a primavera descongelar. As regiões polares têm constantemente condições de alta pressão e muito pouca precipitação. Temperaturas raramente sobem acima do congelamento e permanecem abaixo de zero a maior parte do ano. Estas regiões têm as condições mais severas na Terra. Ventos raramente cessam e o ano é dividido em seis meses de luz, seguido por seis meses de escuridão. Apenas algumas áreas na Antártida escapam brevemente do bloqueio do gelo. Mudanças Climáticas O estudo de registros fósseis indica que o clima do Earthx0027s mudou várias vezes no passado geológico. Muitas espécies de plantas e animais evoluíram e, em seguida, desapareceram ao longo de Earthx0027s passado. A mudança climática tem sido sugerida como uma possível causa para algumas dessas extinções em massa. As mudanças climáticas podem ser causadas por vários fatores: uma diminuição súbita na quantidade de variações de luz solar disponível na órbita Earthx0027s ao redor do Sol grandes mudanças nos padrões de circulação do oceano e mudanças na quantidade de gases de efeito estufa absorvendo infravermelho na atmosfera. A interação de todas essas causas e os feedbacks positivos e negativos entre eles tornam as previsões climáticas muito difíceis. Evidências, além disso, confirma que vulcões em erupção (por exemplo, Krakatoa, Pinatubo) e asteróides impactantes alteraram o clima Earthx0027s enchendo a atmosfera com partículas de matéria. Isto é visto no estudo dos afloramentos terrestres da rocha, e de amostras do núcleo dos sedimentos do oceano-assoalho. Se a energia solar for severamente restringida por um período prolongado, uma mudança drástica no clima de Earthx vai resultar. As mudanças na órbita de Earthx0027s podem criar mudanças climáticas. A inclinação do eixo de rotação oscila entre 22,1 e 24,5 graus ao longo de um período de 40.000 anos. A forma da órbita muda entre uma elipse e um círculo ao longo de um período de 100.000 anos. E este eixo de rotação oscila com um ciclo de 11.000 anos. Grandes mudanças na circulação oceânica têm efeitos importantes sobre o clima global. Por exemplo, o fechamento geológico do Istmo do Panamá provocou uma reorganização das correntes há 4 milhões de anos. À medida que as correntes de superfície atlânticas passam pelo Cinturão de Vento Trade, elas se tornam mais salgadas por evaporação da água. Em vez de se deslocar para o oeste no Oceano Pacífico, a água salgada agora é bloqueada pelo Panamá e flui para o Atlântico Norte. Lá é resfriado e torna-se bastante densa, formando o naufrágio do Atlântico Norte Água Profunda que começa a correia transportadora de corrente profunda. Se a água da superfície fosse mais fresca, seria menos densa. Em vez de afundar, pode fluir em regiões polares e aquecê-los. O afundamento desta água iniciou uma mudança na idade do gelo na taxa de afundamento parecem estar intimamente ligadas às mudanças glaciais e interglaciais no Hemisfério Norte. Períodos Glaciais e Interglaciares. Durante longos períodos de resfriamento, a neve e o gelo não podiam derreter o mais rápido que se acumulavam. Ao longo do tempo, as geleiras começaram a se formar e crescer, causando mudanças climáticas sobre as enormes massas de gelo cobrindo os pólos. Água evaporada dos oceanos e foi trancada como neve e gelo nas latitudes mais altas. Como a Terra possui apenas uma quantidade finita de água, os níveis do oceano começaram a cair. No auge da última era glacial há cerca de 18.000 anos, os oceanos podem ter estado a apenas 150 metros (500 pés) abaixo do seu nível atual. Climas quentes derreteriam o gelo glacial mais rápido do que estava sendo criado, recarregando lentamente as bacias oceânicas. Estes períodos de interglaciação geralmente exibiram condições suaves para empurrar para trás as geleiras polares e permitir a migração e distribuição de espécies marinhas e terrestres, incluindo seres humanos. Aquecimento global. O aquecimento global será um ponto de pesquisa e debate para o futuro previsível. O aquecimento global é parte de um ciclo natural no cenário mais amplo da mudança climática, o que é confirmado no registro fóssil e geológico. No entanto, a atividade humana teve um impacto que, se não causar o aquecimento global, é, pelo menos, ajudar a acelerá-lo. Registros de CO 2 atmosférico em gelo glacial ao longo do tempo mostram uma correlação entre alto teor de CO 2 e aquecimento do clima global. Os pesquisadores concordam que o aquecimento global vai produzir mudanças, mas não concordam com o que exatamente essas mudanças serão ou sua intensidade. Um aumento nas tempestades tropicais, ondas de calor e precipitação foi sugerido. O aumento das temperaturas globais pode influenciar os padrões de circulação de águas profundas do oceano, que podem causar mudanças climáticas rápidas, o que por sua vez afetaria a distribuição global de espécies vegetais e animais. Outra mudança possível seria a fusão acelerada das calotas polares. A água libertada do gelo derretido causaria um aumento no nível do mar, inundando áreas costeiras baixas. Bibliografia Ahrens, C. Donald. Essentials of Meteorology, um convite à atmosfera. MinneapolisSt. Paul, MN: Companhia de publicação ocidental, 1993. Charlson, Robert J. x0022A Acoplamento de ciclos de Biogeochemical e de clima: Forçings, Feedbacks, e Responses. x0022 na ciência do sistema de terra dos ciclos de Biogeochemical às mudanças globais, eds. Michael Jacobson, et ai. San Diego, CA: Academic Press, 2000. Garrison, Tom. Oceanografia, um convite à ciência marinha. Nova Iorque: Wadsworth Publishing Company, 1996. Philander, S. George. 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Eu entendo que é difícil manter um site, mas por favor, faça o seu melhor, adicionando essas informações para a lista que será usado por muitos. A diferença na área de superfície da água entre o pico da glaciação eo final de um período interglacial pode exceder 7. Esta diferença na área de evaporação teria um efeito significativo na quantidade de vapor de água atmosférico, na cobertura de nuvem média e Altitude média da nuvem (assim temperatura média da nuvem). Esta mudança de nuvem poderia ser um contribuinte importante na alternância entre glaciação e climas interglaciais. Foi considerado Comentário sobre este artigo, fazer perguntas ou adicionar novas informações sobre este tópico: