Generador eòlic cinètic: dispositiu, principi de funcionament, aplicació

Un generador eòlic cinètic modern permet aprofitar la potència dels corrents d'aire, convertint-la en electricitat.Amb aquesta finalitat, hi ha models d'aparells fets a fàbrica i casolans que s'utilitzen tant a la indústria com a les llars particulars.

Us explicarem com estan dissenyats els aerogeneradors d'aquest tipus i us presentarem les característiques del dispositiu i les opcions de disseny. L'article que hem proposat mostra els punts forts i febles d'una central eòlica. Els qui fan el bricolatge trobaran diagrames útils i recomanacions de muntatge aquí.

Principi de funcionament del generador eòlic

El funcionament d'un generador eòlic es basa en la transformació de l'energia cinètica del vent en l'energia mecànica del rotor, que després es converteix en electricitat.

El principi de funcionament és bastant simple: la rotació de les fulles fixades a l'eix del dispositiu condueix a moviments circulars del generador del rotor, generant així electricitat.

L'energia eòlica és un dels sectors més prometedors de les energies renovables. Els dissenys moderns permeten aprofitar de manera rendible la potència dels corrents d'aire, utilitzant-la per generar electricitat.

El corrent altern inestable resultant "descorre" al controlador, on es converteix en tensió directa que pot carregar les bateries. A partir d'aquí, l'energia es subministra a l'inversor, on es transforma en una tensió alterna amb un indicador de 220/380 V, que es subministra als consumidors.

La potència d'un aerogenerador depèn directament de la potència del flux d'aire (N), calculada segons la fórmula N=pSV³/2, on V és la velocitat del vent, S és l'àrea de treball, p és la densitat de l'aire.

Dispositiu generador de vent

Diverses versions de generadors eòlics difereixen significativament entre si.

El diagrama següent mostra l'estructura interna d'un generador eòlic horitzontal clàssic. Aquests models s'utilitzen amb més freqüència tant a la indústria com a la vida quotidiana.

Els dispositius industrials són una estructura multimetre complexa, la instal·lació de la qual requereix una base, mentre que un model domèstic pot constar d'un mínim de components (motor elèctric de CC 3-12V, condensador elèctric 1000 uF 6V, díode rectificador de silici).

Una instal·lació típica inclou els components següents:

• generador de corrent altern (la potència depèn de la velocitat dels fluxos del vent);
• fulles que transmeten la rotació a l'eix del generador (sovint també estan equipades amb caixes de canvis i estabilitzadors de velocitat del rotor);
• el pal del molí de vent al qual s'uneixen les pales (com més alts són aquests elements, més energia eòlica poden rebre);
• bateries que emmagatzemen energia, la qual cosa permet utilitzar-la quan hi ha poc o cap vent. La bateria també realitza la funció d'estabilitzar l'energia elèctrica subministrada des del generador;
• controlador - convertidor de tensió alterna rebuda del generador a tensió continua, que s'utilitza per carregar la bateria. El controlador es controla girant les pales, la qual cosa permet tenir en compte cap on es mouen els fluxos d'aire;
• AVR és un dispositiu de commutació automàtica que connecta el generador eòlic amb altres fonts d'energia (plaques solars, xarxa elèctrica);
• sensor de direcció del vent: un dispositiu que facilita que les pales trobin el flux del vent;
• un inversor per convertir el corrent continu de les bateries en voltatge alterna, que s'utilitza en les comunicacions elèctriques.

Per satisfer millor les necessitats dels usuaris, el dispositiu es pot equipar amb diversos tipus d'inversors:

• dispositius amb una ona sinusoïdal modificada per inversor que produeix una ona sinusoïdal quadrada. Els dispositius d'aquest tipus són adequats per a elements de calefacció, làmpades incandescents i altres dispositius que no exigeixen la qualitat de la xarxa;
• inversors de tensió trifàsics dissenyats per a xarxes elèctriques trifàsiques;
• unitats d'ona sinusoïdal pura que produeixen energia per a equips més sensibles;
• inversors de xarxa que poden funcionar sense bateries. Aquests dispositius estan dissenyats per a circuits que impliquen energia elèctrica que entra directament a la xarxa general.

Quan escolliu models, assegureu-vos de parar atenció al tipus d'inversor.

Tipus de generadors eòlics

A l'hora de classificar els aerogeneradors, es poden tenir en compte les característiques següents:

• cita;
• característiques de disseny;
• nombre de fulles;
• els materials dels quals estan fets;
• eix de rotació;
• pas de l'hèlix.

Fem una ullada més de prop a les dues classificacions més utilitzades.

Classificació dels aerogeneradors per finalitat

Hi ha tipus d'aerogeneradors que difereixen en funció. D'això depenen les característiques principals dels dispositius, per exemple, la potència.

Aerogeneradors industrials

Aquests dispositius són instal·lats per grans empreses energètiques o l'estat per subministrar electricitat a les instal·lacions industrials.Les turbines, amb una capacitat de desenes de megawatts, solen estar situades en zones eòliques (turons oberts, costes).

Els parcs eòlics, on s'instal·len desenes d'aerogeneradors, es troben no només a terra, sinó també en aigües poc profundes. L'electricitat resultant s'utilitza normalment per a finalitats industrials

L'electricitat generada, per regla general, entra directament a la xarxa, mentre que per a l'estabilitat i la regulació de la velocitat de rotació de les pales, les turbines eòliques estan equipades amb mecanismes addicionals.

Generadors eòlics comercials

Aquestes instal·lacions s'utilitzen per generar electricitat per a la venda o per subministrar electricitat a la producció en regions amb una xarxa elèctrica de baixa potència (o sense xarxa elèctrica). Aquestes centrals eòliques consisteixen en un grup de generadors elèctrics, que poden tenir diferents capacitats.

L'energia de les instal·lacions comercials es pot alimentar directament a les empreses elèctriques o utilitzar-se per carregar una gran varietat de bateries, on s'emmagatzema i es converteix per alimentar la xarxa.

Dispositius eòlics domèstics

Les unitats de baixa potència s'utilitzen per a ús privat. D'acord amb les normes, els aerogeneradors amb pals de menys de 25 metres d'alçada poden ser instal·lats pels propietaris del terreny sense l'aprovació de les autoritats; per als pals més alts, s'ha d'obtenir un permís especial.

Els molins de vent de baixa i mitjana potència poden servir com a font d'energia elèctrica per a cases rurals, cases rurals, cases de camp i granges.

Els generadors eòlics domèstics són adequats per carregar bateries amb una tensió de 12/24/48V, l'energia de la qual es transforma en una tensió de 220 volts.Aquests dispositius permeten resoldre total o parcialment el problema del subministrament d'energia a petits objectes que es troben lluny de la xarxa elèctrica centralitzada.

Amb pautes per triar un generador eòlic per subministrar energia a un habitatge particular Llegeix l'articlededicat a aquest interessant tema.

Tipus de dissenys d'aerogeneradors

Segons les seves característiques de disseny, els dispositius també es poden dividir en diverses categories, tot i que totes les varietats es redueixen a dos tipus principals: vertical i horitzontal.

Aerogeneradors horitzontals clàssics

Aquestes instal·lacions (també s'anomenen hèlix o ala) solen tenir 3-5 pales muntades en un eix horitzontal. Girant a gran velocitat, aquests elements permeten obtenir la màxima quantitat d'energia (KIEV fins a 0,4).

A més, la quantitat d'electricitat generada depèn en gran mesura de l'alçada del dispositiu (com més gran sigui, més gran serà el resultat).

Un aerogenerador horitzontal utilitza la sustentació, que es produeix quan la pressió augmenta en el punt on el flux d'aire directe passa a través de les pales i es reflecteix per aquests elements.

Aquests dispositius s'instal·len normalment en parcs eòlics on es genera energia per a ús industrial i comercial, però també són aptes per a ús domèstic.

Una solució interessant per a un molí de vent horitzontal és un model amb una fulla; la següent selecció de fotos us familiaritzarà amb les seves característiques:

Aerogeneradors verticals

L'element de funcionament d'aquestes instal·lacions és una roda eòlica giratòria. A causa de les seves característiques de disseny, aquestes estructures difereixen segons el tipus ("Barrel", "Savonius").

La següent selecció de fotos us introduirà al principi de la turbina generadora vertical Savonius:

Malgrat el baix índex KIEV (0,1-0,2), s'utilitzen àmpliament: les instal·lacions verticals funcionen amb fluxos d'aire turbulents, de manera que es poden col·locar fins i tot en zones on rarament bufen vents forts.

El funcionament dels aerogeneradors verticals no depèn de la direcció dels vents. Són fàcils d'instal·lar i operar, i aquests dispositius es poden instal·lar a prop del terra

Per millorar l'eficiència dels aerogeneradors verticals, els fabricants sovint augmenten els seus paràmetres dimensionals, la qual cosa comporta un augment significatiu del cost. Com que aquestes instal·lacions són bastant fràgils, requereixen una major protecció contra huracans i altres fenòmens naturals.

Generadors eòlics "Rotor Daria"

Aquests dispositius pertanyen a la categoria d'aerogeneradors verticals, però tenen diferències pronunciades en el disseny. Gràcies a aquestes característiques, s'aconsegueix la reducció del soroll i també augmenta KIEV, que s'acosta al rendiment dels models horitzontals.

Una turbina de baixa pressió amb un eix de rotació perpendicular a l'aire, proposada l'any 1931 pel dissenyador d'avions francès Georges Darrieus, ha trobat una àmplia aplicació en l'energia eòlica.

El desavantatge d'aquests dissenys és el baix parell d'arrencada (a causa de la presència de només dues fulles, és difícil que el dispositiu s'iniciï per si sol). Per resoldre el problema, s'utilitza sovint l'híbrid "Savonius + Darier".

Instal·lacions de vent de vela

Per a aquestes instal·lacions, es pot utilitzar el principi de construir aerogeneradors tant verticals com horitzontals. La característica principal del disseny és una roda de vent coberta amb moltes pales o veles, mentre que aquests models no tenen un perfil aerodinàmic.

Hi ha molts models de generadors eòlics de vela, que es diferencien pel nombre de pales, el pes i la potència. Tots aquests paràmetres s'han de tenir en compte a l'hora d'escollir un dispositiu

Malgrat que les instal·lacions de vela es caracteritzen per una baixa velocitat i una baixa eficiència, sovint s'utilitzen en l'economia nacional.Aquests dissenys són fàcils d'instal·lar i operar, i la combinació d'un parell elevat i una velocitat baixa us permet conduir directament diversos mecanismes útils, per exemple, una bomba per bombejar aigua.

La següent galeria us presentarà un dels models d'aerogeneradors de vela implementats a la pràctica:

Generador per a aerogenerador

Els aerogeneradors requereixen generadors trifàsics convencionals per funcionar. El disseny d'aquests dispositius és similar als models utilitzats en els cotxes, però té paràmetres més grans.

Els instruments de turbina eòlica tenen un bobinat estator trifàsic (connexió en estrella), del qual surten tres cables i van al controlador, on la tensió alterna es converteix en tensió continua.

El rotor del generador per a una turbina eòlica està fet d'imants de neodimi: en aquests dissenys no és adequat utilitzar l'excitació elèctrica, ja que la bobina consumeix molta energia

Sovint s'utilitza un multiplicador per augmentar la facturació.Aquest dispositiu permet augmentar la potència del generador existent o utilitzar un dispositiu més petit, la qual cosa redueix el cost d'instal·lació.

Els multiplicadors s'utilitzen més sovint en generadors eòlics verticals, en els quals el procés de rotació de la roda eòlica és més lent. Per a dispositius horitzontals amb altes velocitats de rotació de la fulla, no es requereixen multiplicadors, cosa que simplifica i redueix el cost del disseny.

Especificacions de muntatge i instal·lació de generadors eòlics de la rentadora i aerogeneradors d'un generador de cotxe es descriu detalladament als articles que recomanem.

Pros i contres d'un generador eòlic

Considerem amb detall els avantatges i els inconvenients dels aerogeneradors, ja que la decisió de comprar un aerogenerador o abandonar-lo depèn d'ells.

Avantatges dels dispositius de vent

Els avantatges dels dispositius que utilitzen energia eòlica inclouen:

• Respecte al medi ambient. Les instal·lacions utilitzen una font d'energia renovable que es pot utilitzar de manera continuada sense causar danys al medi ambient. L'electricitat generada pels aerogeneradors substitueix l'energia de les centrals tèrmiques, reduint les emissions de gasos d'efecte hivernacle.
• Versatilitat. Les centrals eòliques es poden construir gairebé a tot arreu: a les planes, a les muntanyes, als camps, a les illes i fins i tot en aigües poc profundes. L'energia eòlica és especialment valuosa en llocs remots on és difícil estendre les comunicacions elèctriques convencionals. Els generadors eòlics en aquest cas permeten establir un subministrament d'energia per als objectes, garantint la seva independència de factors aleatoris (per exemple, combustible no lliurat a temps).
• Eficiència d'ús. Els models moderns processen l'energia dels vents fins i tot febles: el límit mínim és de 3,5 m/s.D'aquesta manera, és possible subministrar electricitat addicional a la xarxa centralitzada, així com organitzar el subministrament d'energia a objectes individuals (illa o locals) independentment de la seva potència.
• Una alternativa digna a les fonts tradicionals. Les centrals eòliques estacionàries poden proporcionar electricitat completament a un edifici residencial o fins i tot a una petita instal·lació industrial. En aquest cas, la turbina acumularà el subministrament d'electricitat requerit en bateries, destinades al seu ús en períodes de calma.
• Econòmic. En comparació amb les fonts tradicionals d'energia elèctrica (gas, torba, carbó, petroli), les turbines de bicicletes poden reduir significativament els costos energètics. En molts casos, construir un parc eòlic és més barat que connectar-se als sistemes elèctrics existents.

L'ús d'aerogeneradors pot ser una alternativa a l'ús de costosos generadors dièsel, reduint encara més els costos de transport i emmagatzematge de combustible fins a un 80%.

La potència mitjana d'un aerogenerador difereix diverses vegades de la càrrega màxima. Un generador eòlic només és responsable de la quantitat d'energia produïda durant un període de temps determinat a la velocitat mitjana mensual del vent característica d'una zona determinada.

Per a una avaluació més precisa dels recursos eòlics, podeu utilitzar dades derivades especialment (paràmetres de Weibull). Aquests indicadors reflecteixen la distribució de vents de diferents intensitats característics d'una zona concreta. És important tenir en compte aquesta informació a l'hora de desenvolupar projectes de parcs eòlics amb una capacitat de desenes de MW.

La potència generada per un aerogenerador és proporcional a triplicar la velocitat del vent.En conseqüència, aquest indicador és molt petit quan els fluxos de vent són febles, però quan s'intensifiquen, augmenta bruscament. A causa de la variabilitat de la direcció i velocitat del vent, s'han d'incloure components estabilitzadors en el disseny d'un aerogenerador.

Regles i fórmules per calcular la potència dels aerogeneradors es donen aquí, us recomanem que us familiaritzeu amb la informació molt útil.

En petits sistemes autònoms, la seva funció la fan bateries, la càrrega de les quals comença a augmentar tan bon punt la potència del generador eòlic supera la càrrega.

A mesura que augmenta la càrrega, la bateria es pot descarregar. És important tenir en compte aquesta característica a l'hora de triar una unitat domèstica; la seva potència ha de coincidir amb la taxa de consum elèctric mensual o anual.

Cal tenir en compte que l'ús efectiu dels fluxos de vent es veu facilitat per una varietat de dissenys de generadors eòlics.

Les turbines horitzontals funcionen bé en zones planes on hi ha molt vent, mentre que les turbines verticals funcionen millor a les regions amb fluxos turbulents que es troben a baix del sòl (turons superiors, serralades).

Els principals inconvenients dels aerogeneradors

Al mateix temps, els aerogeneradors també tenen els seus costats negatius:

• La magnitud de la força del vent és difícil de predir amb antelació, ja que canvia amb freqüència. Per això, s'aconsella considerar una xarxa de seguretat proporcionant una font d'energia de reserva (plaques solars, connexió a la xarxa elèctrica).
• Els dispositius verticals corren el risc de destruir les pales de l'hèlix a causa dels efectes de les forces centrífugues quan les pales giren al voltant de l'eix principal. Com a resultat d'aquest efecte, elements estructurals importants es deformen i es destrueixen amb el temps i el mecanisme falla.
• És millor instal·lar aerogeneradors a l'espai lliure, ja que els edificis propers poden "amortir" el vent, formant una zona d'aire "mort".
• Per estalviar l'excés d'energia dels aerogeneradors, cal incloure en el disseny l'ús de bateries i altres dispositius addicionals que serveixin per convertir l'electricitat generada en corrent amb característiques de consum adequades.
• Quan funcionen, els aerogeneradors produeixen sorolls que poden causar molèsties a les persones i espantar els animals. Les aspes de les instal·lacions també poden provocar la mort d'aus que volen cap a elles.
• Segons alguns experts, els aerogeneradors poden degradar la recepció de les emissions de ràdio i televisió.

Els aspectes negatius també poden incloure el cost força elevat d'aquestes unitats, però, el baix cost de la font d'energia compensa en gran mesura aquest factor.

Esquemes i mètodes de connexió

Tot i que un aerogenerador pot funcionar de manera autònoma, es poden aconseguir resultats molt millors mitjançant esquemes combinats que combinen un aerogenerador amb plaques solars, una xarxa elèctrica centralitzada, fonts d'energia dièsel o de gas.

Funcionament autònom. En aquest cas, s'instal·la una única instal·lació, amb l'ajuda de la qual es capta i acumula energia eòlica, que després es converteix en el corrent elèctric que necessiten els consumidors.

El diagrama mostra la manera més senzilla d'utilitzar un generador eòlic, que és aconsellable utilitzar-lo en regions on bufen vents forts constantment.

Combinant un generador eòlic amb plaques solars. L'opció combinada es considera un mètode d'alimentació fiable i eficient. Si no hi ha vent, la bateria funciona panells solars, i en temps ennuvolat i durant la nit, la càrrega es produeix des d'un aerogenerador.

Una opció ideal per a una casa privada o granja situada lluny d'una xarxa elèctrica centralitzada. Aquest esquema combinat permet l'ús de dos tipus d'energies renovables

Funcionament combinat d'un generador eòlic i xarxa elèctrica. Un aerogenerador es pot combinar amb comunicacions elèctriques.

Aquesta disposició és típica per a dispositius industrials i comercials. També es proporciona connexió a comunicacions elèctriques per a alguns models de generadors eòlics domèstics

Si hi ha un excés d'electricitat produïda, va a la xarxa centralitzada, i si hi ha escassetat, es pot utilitzar el corrent elèctric del sistema energètic general.

Matisos de l'ús de generadors eòlics

Actualment, els aerogeneradors s'utilitzen en diversos sectors de l'economia nacional. Els models industrials de diferents capacitats són utilitzats per petroli i gas, empreses de telecomunicacions, estacions de perforació i exploració geològica, instal·lacions de producció i agències governamentals.

L'aerogenerador es pot utilitzar com a font addicional d'energia en hospitals i altres institucions per garantir un subministrament continu d'energia en situacions d'emergència.

Destaca especialment la importància d'utilitzar les turbines eòliques per a la ràpida restauració de l'electricitat danyada durant els cataclismes i els desastres naturals. Amb aquesta finalitat, les unitats del Ministeri de Situacions d'Emergència utilitzen sovint els aerogeneradors.

Els aerogeneradors domèstics són perfectes per organitzar la il·luminació i la calefacció a les cases de camp i les cases particulars, així com per a finalitats econòmiques a les granges.

Hi ha alguns punts a tenir en compte:

• Els dispositius de fins a 1 kW només poden proporcionar una quantitat suficient d'electricitat en llocs amb vent.Normalment, l'energia que generen només és suficient per alimentar la il·luminació LED i alimentar petits dispositius electrònics.
• Per proporcionar electricitat completament a una casa rural, necessitareu un generador eòlic amb una potència superior a 1 kW. Aquest indicador és suficient per alimentar aparells d'il·luminació, així com un ordinador i un televisor, però la seva potència no és suficient per subministrar electricitat a una nevera moderna que funciona durant tot el dia.
• Per proporcionar energia a una casa de camp, necessitareu una turbina eòlica amb una capacitat de 3-5 kW, però fins i tot aquesta xifra no serà suficient per escalfar les cases. Per utilitzar aquesta funció, necessiteu una opció potent, a partir de 10 kW.

Quan escolliu un model, heu de tenir en compte que l'indicador de potència indicat al dispositiu només s'aconsegueix a la velocitat màxima del vent. Així, una instal·lació de 300 V produirà la quantitat d'energia especificada només a una velocitat de flux d'aire de 10-12 m/s.

Per a aquells que vulguin construir un generador eòlic amb les seves pròpies mans, oferim següent article, que ofereix informació útil detallada.

Conclusions i vídeo útil sobre el tema

El vídeo següent proporciona informació detallada sobre el principi de funcionament i el disseny d'un model domèstic d'un generador eòlic:

Un generador eòlic és una excel·lent font de producció d'energia elèctrica, que serà especialment apreciada pels residents de zones remotes. Diverses empreses russes i estrangeres ofereixen una àmplia gamma d'estructures eòliques; a més, es poden fer models domèstics amb les vostres pròpies mans.

Escriu comentaris al bloc següent. Expliqueu-nos com heu construït un aerogenerador a la vostra propietat o com funciona l'aerogenerador dels vostres veïns.Feu preguntes, compartiu informació útil i fotos sobre el tema.