Generador de viento cinético: dispositivo, principio de funcionamiento, aplicación.
Un moderno aerogenerador cinético permite aprovechar la potencia de las corrientes de aire, convirtiéndola en electricidad.Para ello, existen modelos de dispositivos fabricados en fábrica y caseros que se utilizan tanto en la industria como en los hogares privados.
Le diremos cómo se diseñan las turbinas eólicas de este tipo y le presentaremos las características del dispositivo y las opciones de diseño. El artículo que hemos propuesto muestra los puntos fuertes y débiles de una central eólica. Los aficionados al bricolaje encontrarán diagramas útiles y recomendaciones de montaje aquí.
El contenido del artículo:
Principio de funcionamiento del generador eólico.
El funcionamiento de un aerogenerador se basa en la transformación de la energía cinética del viento en energía mecánica del rotor, que luego se convierte en electricidad.
El principio de funcionamiento es bastante simple: la rotación de las palas fijadas al eje del dispositivo provoca movimientos circulares del rotor generador, generando así electricidad.
La corriente alterna inestable resultante se "drena" en el controlador, donde se convierte en voltaje directo que puede cargar las baterías. Desde allí, la energía se suministra al inversor, donde se transforma en tensión alterna con un indicador de 220/380 V, que se suministra a los consumidores.
La potencia de un aerogenerador depende directamente de la potencia del flujo de aire (N), calculada según la fórmula N=pSV3/2, donde V es la velocidad del viento, S es el área de trabajo, p es la densidad del aire.
Dispositivo generador de viento
Las distintas versiones de aerogeneradores se diferencian significativamente entre sí.
Los dispositivos industriales son una estructura compleja de varios metros, cuya instalación requiere una base, mientras que un modelo doméstico puede constar de un mínimo de componentes (motor eléctrico de CC de 3-12 V, condensador eléctrico de 1000 uF 6 V, diodo rectificador de silicio).
Una instalación típica incluye los siguientes componentes:
- generador de corriente alterna (la potencia depende de la velocidad del viento);
- palas que transmiten la rotación al eje del generador (a menudo están equipadas además con cajas de cambios y estabilizadores de velocidad del rotor);
- el mástil del molino de viento al que se fijan las palas (cuanto más altos sean estos elementos, más energía eólica podrán recibir);
- Baterías que almacenan energía, permitiendo su uso cuando hay poco o ningún flujo de viento. La batería también cumple la función de estabilizar la energía eléctrica suministrada desde el generador;
- controlador: convertidor de voltaje alterno recibido del generador a voltaje continuo, que se utiliza para cargar la batería. El controlador se controla girando las aspas, lo que le permite tener en cuenta hacia dónde se mueven los flujos de aire;
- AVR es un dispositivo de conmutación automática que conecta el generador eólico con otras fuentes de energía (paneles solares, red eléctrica);
- sensor de dirección del viento: un dispositivo que facilita que las palas encuentren el flujo del viento;
- un inversor para convertir corriente continua de baterías en tensión alterna, que se utiliza en comunicaciones eléctricas.
Para satisfacer mejor las necesidades del usuario, el dispositivo puede equiparse con varios tipos de inversores:
- Dispositivos con una onda sinusoidal modificada por inversor que produce una onda sinusoidal cuadrada. Los dispositivos de este tipo son adecuados para elementos calefactores, lámparas incandescentes y otros dispositivos que no exigen la calidad de la red;
- inversores de tensión trifásicos diseñados para redes eléctricas trifásicas;
- unidades de onda sinusoidal pura que producen energía para equipos más sensibles;
- Inversores de red que pueden funcionar sin baterías. Dichos dispositivos están diseñados para circuitos que implican que la energía eléctrica ingrese directamente a la red general.
Al elegir modelos, asegúrese de prestar atención al tipo de inversor.
Tipos de generadores eólicos
A la hora de clasificar los aerogeneradores se pueden tener en cuenta las siguientes características:
- cita;
- caracteristicas de diseño;
- número de palas;
- los materiales con los que están hechos;
- eje de rotación;
- paso de la hélice.
Echemos un vistazo más de cerca a las dos clasificaciones más utilizadas.
Clasificación de aerogeneradores por finalidad.
Hay tipos de turbinas eólicas que difieren en su finalidad. De esto dependen las principales características de los dispositivos, por ejemplo, la potencia.
Turbinas eólicas industriales
Estos dispositivos los instalan las grandes empresas energéticas o el Estado para suministrar electricidad a las instalaciones industriales.Las turbinas, con una capacidad de decenas de megavatios, suelen estar situadas en zonas eólicas (colinas abiertas, costas).
La electricidad generada, por regla general, va directamente a la red, mientras que para la estabilidad y regulación de la velocidad de rotación de las palas, las turbinas eólicas están equipadas con mecanismos adicionales.
Generadores eólicos comerciales
Estas instalaciones se utilizan para generar electricidad para la venta o para suministrar electricidad a la producción en regiones con una red eléctrica de baja potencia (o sin red eléctrica). Estas centrales eólicas constan de un grupo de generadores eléctricos, que pueden tener diferentes capacidades.
La energía de las instalaciones comerciales puede alimentarse directamente a las empresas eléctricas o utilizarse para cargar una gran variedad de baterías, donde se almacena y se convierte para alimentar la red.
Dispositivos de viento domésticos.
Las unidades de baja potencia se utilizan para uso privado. Según la normativa, los propietarios de los terrenos pueden instalar turbinas eólicas con mástiles de menos de 25 metros de altura sin autorización de las autoridades; para mástiles más altos, se debe obtener un permiso especial.
Los generadores eólicos domésticos son adecuados para cargar baterías con un voltaje de 12/24/48 V, cuya energía se transforma en un voltaje de 220 voltios.Dichos dispositivos permiten resolver total o parcialmente el problema del suministro de energía a objetos pequeños que se encuentran lejos de la red eléctrica centralizada.
Con pautas para elegir un aerogenerador para suministrar energía a una vivienda particular leer el artículodedicado a este interesante tema.
Tipos de diseños de aerogeneradores
Según sus características de diseño, los dispositivos también se pueden dividir en varias categorías, aunque todas las variedades se reducen a dos tipos principales: vertical y horizontales.
Aerogeneradores horizontales clásicos
Estas instalaciones (también llamadas hélice o ala) suelen tener de 3 a 5 palas montadas sobre un eje horizontal. Al girar a alta velocidad, estos elementos le permiten obtener la máxima cantidad de energía (KIEV hasta 0,4).
Además, la cantidad de electricidad generada depende en gran medida de la altura del dispositivo (cuanto más alta, mayor será el resultado).
Estos dispositivos suelen instalarse en parques eólicos donde se genera energía para uso industrial y comercial, pero también son aptos para uso doméstico.
Una solución interesante para un molino de viento horizontal es un modelo de una pala, la siguiente selección de fotografías le permitirá conocer sus características:
Aerogeneradores verticales
El elemento operativo de tales instalaciones es una rueda de viento giratoria. Debido a sus características de diseño, estas estructuras se diferencian según el tipo ("Barril", "Savonius").
La siguiente selección de fotografías le presentará el principio de funcionamiento de la turbina generadora vertical Savonius:
A pesar del bajo índice KIEV (0,1-0,2), se utilizan ampliamente: las instalaciones verticales funcionan con flujos de aire turbulentos, por lo que pueden colocarse incluso en zonas donde rara vez soplan vientos fuertes.
Para mejorar la eficiencia de las turbinas eólicas verticales, los fabricantes suelen aumentar sus parámetros dimensionales, lo que conduce a un aumento significativo del coste. Dado que estas instalaciones son bastante frágiles, requieren una mayor protección contra huracanes y otros fenómenos naturales.
Generadores eólicos "Rotor Daria"
Estos dispositivos pertenecen a la categoría de aerogeneradores verticales, pero tienen diferencias de diseño pronunciadas. Gracias a estas características, se logra una reducción del ruido y también un aumento del KIEV, que se acerca al rendimiento de los modelos horizontales.
La desventaja de tales diseños es el bajo par de arranque (debido a la presencia de solo dos palas, es difícil que el dispositivo arranque por sí solo). Para solucionar el problema, se suele utilizar el híbrido "Savonius + Darier".
Instalaciones eólicas para vela
Para tales instalaciones, se puede utilizar el principio de construir turbinas eólicas tanto verticales como horizontales. La característica principal del diseño es una rueda de viento cubierta con muchas palas o velas, mientras que estos modelos no tienen un perfil aerodinámico.
A pesar de que las instalaciones de navegación se caracterizan por su baja velocidad y baja eficiencia, se utilizan a menudo en la economía nacional.Estos diseños son fáciles de instalar y operar, y la combinación de alto par y baja velocidad permite accionar directamente varios mecanismos útiles, por ejemplo, una bomba para bombear agua.
La siguiente galería le presentará uno de los modelos de aerogeneradores de vela implementados en la práctica:
Generador para turbina eólica
Las turbinas eólicas requieren generadores trifásicos convencionales para funcionar. El diseño de estos dispositivos es similar al de los modelos utilizados en automóviles, pero tiene parámetros más amplios.
Los instrumentos de los aerogeneradores cuentan con un devanado de estator trifásico (conexión en estrella), del cual salen tres cables que van al controlador, donde la tensión alterna se convierte en tensión continua.
A menudo se utiliza un multiplicador para aumentar la facturación.Este dispositivo le permite aumentar la potencia del generador existente o utilizar un dispositivo más pequeño, lo que reduce el costo de instalación.
Los multiplicadores se utilizan con mayor frecuencia en generadores eólicos verticales, en los que el proceso de rotación de la rueda eólica es más lento. Para dispositivos horizontales con altas velocidades de rotación de las palas, no se requieren multiplicadores, lo que simplifica y reduce el costo del diseño.
Detalles del montaje e instalación de aerogeneradores. de la lavadora y turbinas eólicas de un generador de coche se describe en detalle en los artículos que recomendamos.
Pros y contras de un generador eólico.
Consideremos en detalle las ventajas y desventajas de los aerogeneradores, ya que de ellos depende la decisión de comprar un aerogenerador o abandonarlo.
Ventajas de los dispositivos eólicos.
Las ventajas de los dispositivos que utilizan energía eólica incluyen:
- Respetuoso con el medio ambiente. Las instalaciones utilizan una fuente de energía renovable que se puede utilizar de forma continuada sin provocar daños al medio ambiente. La electricidad generada por generadores eólicos reemplaza la energía de las centrales térmicas, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
- Versatilidad. Las centrales eólicas se pueden construir prácticamente en todas partes: en llanuras, montañas, campos, islas e incluso en aguas poco profundas. La energía eólica es especialmente valiosa en lugares remotos donde es difícil ampliar las comunicaciones eléctricas convencionales. Los generadores eólicos en este caso permiten establecer un suministro de energía para los objetos, asegurando su independencia de factores aleatorios (por ejemplo, combustible no entregado a tiempo).
- Eficiencia de uso. Los modelos modernos procesan la energía incluso de los vientos débiles: el límite mínimo es 3,5 m/s.De esta forma, es posible suministrar electricidad adicional a la red centralizada, así como organizar el suministro de energía a objetos individuales (isla o local) independientemente de su potencia.
- Una alternativa digna a las fuentes tradicionales. Las plantas de energía eólica estacionarias pueden suministrar electricidad por completo a un edificio residencial o incluso a una pequeña instalación industrial. En este caso, la turbina acumulará el suministro necesario de electricidad en baterías destinadas a su uso durante los períodos de calma.
- Económico. En comparación con las fuentes tradicionales de energía eléctrica (gas, turba, carbón, petróleo), las turbinas de bicicleta pueden reducir significativamente los costes energéticos. En muchos casos, construir un parque eólico es más barato que conectarlo a los sistemas eléctricos existentes.
El uso de turbinas eólicas puede ser una alternativa al uso de costosos generadores diésel, reduciendo aún más los costos de transporte y almacenamiento de combustible hasta en un 80%.
La potencia media de una turbina eólica difiere varias veces de la carga máxima. Un generador eólico es responsable únicamente de la cantidad de energía producida durante un cierto período de tiempo a la velocidad media mensual del viento característica de un área determinada.
Para una evaluación más precisa de los recursos eólicos, se pueden utilizar datos especialmente derivados (parámetros de Weibull). Estos indicadores reflejan la distribución de vientos de diferente intensidad característicos de un área en particular. Es importante tener en cuenta esta información a la hora de desarrollar proyectos de parques eólicos con una capacidad de decenas de MW.
La potencia generada por un aerogenerador es proporcional al triple de la velocidad del viento.En consecuencia, este indicador es muy pequeño cuando los flujos de viento son débiles, pero cuando se intensifican aumenta considerablemente. Debido a la variabilidad de la dirección y velocidad del viento, se deben incluir componentes estabilizadores en el diseño de una turbina eólica.
Reglas y fórmulas para calcular la potencia de los generadores eólicos. se dan aquí, le recomendamos que se familiarice con información muy útil.
En pequeños sistemas autónomos, su función la realizan baterías, cuya carga comienza a aumentar tan pronto como la potencia del aerogenerador excede la carga.
Cabe señalar que el uso eficaz de los flujos de viento se ve facilitado por una variedad de diseños de generadores eólicos.
Las turbinas horizontales funcionan bien en áreas planas donde hay mucho viento, mientras que las turbinas verticales funcionan mejor en regiones con flujos turbulentos que se encuentran cerca del suelo (colinas superiores, cadenas montañosas).
Las principales desventajas de los aerogeneradores.
Al mismo tiempo, las turbinas eólicas también tienen sus aspectos negativos:
- La magnitud de la fuerza del viento es difícil de predecir de antemano, ya que cambia con frecuencia. Por ello, es recomendable considerar una red de seguridad proporcionando una fuente de energía de respaldo (paneles solares, conexión a la red eléctrica).
- Los dispositivos verticales corren el riesgo de destruir las palas de la hélice debido a los efectos de las fuerzas centrífugas cuando las palas giran alrededor del eje principal. Como resultado de este efecto, con el tiempo elementos estructurales importantes se deforman y destruyen, y el mecanismo falla.
- Es mejor instalar turbinas eólicas en el espacio libre, ya que los edificios cercanos pueden "amortiguar" el viento, formando una zona de aire "muerta".
- Para ahorrar el exceso de energía de los aerogeneradores es necesario incluir en el diseño el uso de baterías y otros dispositivos adicionales que sirvan para convertir la electricidad generada en corriente con características de consumo adecuadas.
- Durante su funcionamiento, los aerogeneradores producen ruidos que pueden provocar molestias a las personas y ahuyentar a los animales. Las aspas de las instalaciones también pueden provocar la muerte de las aves que vuelen hacia ellas.
- Según algunos expertos, las turbinas eólicas pueden degradar la recepción de emisiones de radio y televisión.
Los aspectos negativos también pueden incluir el costo bastante alto de tales unidades, sin embargo, el bajo costo de la fuente de energía compensa en gran medida este factor.
Diagramas y métodos de conexión.
Aunque una turbina eólica puede funcionar de forma autónoma, se pueden lograr resultados mucho mejores utilizando esquemas combinados que combinen una turbina eólica con paneles solares, una red eléctrica centralizada, fuentes de energía diésel o gas.
Operación autónoma. En este caso se instala una única instalación, con ayuda de la cual se capta y acumula la energía eólica, que luego se convierte en la corriente eléctrica que necesitan los consumidores.
Combinando un generador eólico con paneles solares. La opción combinada se considera un método de suministro de energía confiable y eficiente. Si no hay viento, la batería funciona paneles solares, y en tiempo nublado y durante la noche, la carga se realiza desde una turbina eólica.
Funcionamiento combinado de un aerogenerador y una red eléctrica. Una turbina eólica se puede combinar con comunicaciones eléctricas.
Si hay un exceso de electricidad producida, esta pasa a la red centralizada, y si hay escasez, se puede utilizar corriente eléctrica del sistema energético general.
Matices del uso de aerogeneradores.
Actualmente, los aerogeneradores se utilizan en diversos sectores de la economía nacional. Los modelos industriales de diferentes capacidades son utilizados por empresas de petróleo y gas, empresas de telecomunicaciones, estaciones de perforación y exploración geológica, instalaciones de producción y agencias gubernamentales.
Particularmente digna de mención es la importancia del uso de turbinas eólicas para la pronta restauración de la electricidad dañada durante cataclismos y desastres naturales. Para ello, las unidades del Ministerio de Situaciones de Emergencia suelen utilizar generadores eólicos.
Las turbinas eólicas domésticas son perfectas para organizar la iluminación y la calefacción en comunidades rurales y casas privadas, así como para fines económicos en granjas.
Hay algunos puntos a considerar:
- Los dispositivos de hasta 1 kW pueden proporcionar una cantidad suficiente de electricidad sólo en lugares con mucho viento.Normalmente, la energía que generan sólo es suficiente para alimentar iluminación LED y pequeños dispositivos electrónicos.
- Para proporcionar electricidad por completo a una casa de campo (casa de campo), necesitará un generador eólico con una potencia superior a 1 kW. Este indicador es suficiente para alimentar dispositivos de iluminación, así como una computadora y un televisor, pero su potencia no es suficiente para suministrar electricidad a un refrigerador moderno que funciona las 24 horas.
- Para proporcionar energía a una casa de campo, necesitará una turbina eólica con una capacidad de 3 a 5 kW, pero ni siquiera esta cifra será suficiente para calentar las casas. Para utilizar esta función, necesita una opción potente, a partir de 10 kW.
A la hora de elegir un modelo, debes tener en cuenta que el indicador de potencia indicado en el dispositivo se alcanza solo a la velocidad máxima del viento. Por lo tanto, una instalación de 300 V producirá la cantidad especificada de energía sólo con una velocidad de flujo de aire de 10-12 m/s.
Para aquellos que deseen construir un generador eólico con sus propias manos, ofrecemos próximo artículo, que proporciona información útil en detalle.
Conclusiones y vídeo útil sobre el tema.
El siguiente vídeo proporciona información detallada sobre el principio de funcionamiento y el diseño de un modelo doméstico de generador eólico:
Un generador eólico es una excelente fuente de producción de energía eléctrica, que será especialmente apreciada por los residentes de zonas remotas. Varias empresas rusas y extranjeras ofrecen una amplia gama de estructuras eólicas, además, se pueden fabricar modelos domésticos con sus propias manos.
Por favor escriba comentarios en el bloque a continuación. Cuéntenos cómo construyó un generador eólico en su propiedad o cómo funciona la turbina eólica de sus vecinos.Haga preguntas, comparta información útil y fotografías sobre el tema.
¿Hay empresas en Moscú o en la región que vendan e instalen turbinas eólicas similares con una altura inferior a 25 metros en territorios de ciudadanos privados? Los instalaría en mi casa, ¿cuántos necesito, varios o uno? Debe calcular cuánto costará todo el trabajo. ¿Qué es mejor: vertical, vela u horizontal? En el páramo tenemos un lugar especialmente ventoso: ¡sopla con fuerza durante todo el año!
Quizás los aerogeneradores sean aptos para uso industrial, pero lo cierto es que para un sistema doméstico, por no hablar de uno industrial, debería haber muchas turbinas eólicas, eso es todo. Y dos: son muy caros. Incluso los paneles solares son más baratos y económicos de instalar que una turbina eólica. Sin embargo, cuando vienes de vez en cuando a Alemania y Holanda, ves enormes zonas con turbinas eólicas. No sé qué tan efectivos son. Pero sé que en las casas modernas los alemanes prácticos instalan fuentes de electricidad respetuosas con el medio ambiente, pero nunca he visto paneles solares ni turbinas eólicas por ningún lado.
“La corriente alterna inestable resultante se “drena” en el controlador, donde se convierte en tensión continua...” ¡Genial! La corriente se convierte en voltaje))
Estoy probando un diseño de turbina eólica para cargar un coche eléctrico a velocidades de hasta 100 km/h. El material para fabricar el molino de viento es papel fino y duro, una carpeta para papeles cubierta con cinta adhesiva. El resultado es un compuesto. Las fotos y vídeos antiguos son sólo de experimentos. Me estoy preparando para probar un método para acelerar el flujo del viento. Por supuesto, lo mejor es utilizarlo para probar turbinas eólicas bajo el agua.Haré un vídeo después de que se abra el río, es decir, en las próximas semanas.
El coste de una combinación de papel y cinta y la energía necesaria para producir un molino de viento con un diámetro de hasta 0,5 metros oscila entre 1.500 y 2.000 rublos aproximadamente. Si empiezas a producir molinos de viento de plástico o aluminio, el precio del molino de viento dependerá únicamente del material. La reducción de costos depende de la mecanización. Por el momento tengo lo que tengo... Puedo poner a la venta unas decenas de molinos de viento silenciosos, sin inercia, de cuatro palas, hechos de papel y cinta adhesiva, que pueden moverse contra el viento. El costo está por debajo del costo, con pérdidas. Pero, siendo un anciano de 70 años, creo que incluso algunos miles de rublos para una pensión social no serán superfluos...