Generador de viento cinético: dispositivo, principio de funcionamiento, aplicación.
Un moderno generador de viento cinético le permite utilizar la potencia de las corrientes de aire, convirtiéndola en electricidad. Para este propósito, existen modelos de dispositivos caseros y de fábrica que se utilizan tanto en la industria como en granjas privadas.
Hablaremos sobre cómo se organizan los molinos de viento de este tipo, le presentaremos las características del dispositivo y las opciones de diseño. El artículo que hemos propuesto muestra las fortalezas y debilidades de una planta de energía eólica. Maestros independientes con nosotros encontrarán esquemas útiles y recomendaciones para el montaje.
El contenido del artículo:
El principio de funcionamiento de un generador eólico.
El funcionamiento del generador eólico se basa en la transformación de la energía cinética del viento en la energía mecánica del rotor, que luego se convierte en electricidad.
El principio de funcionamiento es bastante simple: la rotación de las palas montadas en el eje del dispositivo conduce a movimientos circulares del generador de rotor, debido a lo cual se genera electricidad.
La corriente alterna inestable resultante "fluye" hacia el controlador, donde se convierte a un voltaje constante que puede cargar las baterías. A partir de ahí, 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 del generador eólico depende directamente de la potencia del flujo de aire (N), calculado de acuerdo con 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 diferentes versiones de generadores eólicos son significativamente diferentes entre sí.
Los dispositivos industriales son un diseño complejo de varios medidores, cuya instalación requiere una base, mientras que un modelo doméstico puede constar de un mínimo de componentes (motor de 3-12 V CC, electrocondensador de 1000 uF 6 V, diodo rectificador de silicio).
Una instalación típica incluye los siguientes componentes:
- alternador (la potencia depende de la velocidad del flujo del viento);
- cuchillas que transmiten rotación al eje del generador (a menudo están equipadas adicionalmente con cajas de engranajes, estabilizadores de velocidad del rotor);
- mástil del molino de viento, al que están unidas las palas (cuanto más altos son estos elementos, mayor es la cantidad de energía eólica que pueden recibir);
- baterías que acumulan energía, lo que le permite usarlo con un pequeño flujo de viento o su ausencia total. La batería también realiza la función de estabilizar la energía eléctrica recibida del generador;
- controlador: un convertidor de voltaje alterno recibido del generador en corriente continua, que se utiliza para cargar la batería. El controlador se controla girando las cuchillas, lo que le permite considerar dónde fluye el aire;
- ABP: 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 aspas encuentren el flujo del viento;
- un inversor para convertir corriente continua de baterías a voltaje alterno, que se usa 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 el inversor, que emite una sinusoide cuadrada. Los dispositivos de este tipo son adecuados para calentar elementos, lámparas incandescentes y otros dispositivos que son poco exigentes con la calidad de la red;
- inversores de voltaje trifásicos diseñados para redes de energía trifásicas;
- instalaciones de onda sinusoidal pura que producen energía para una técnica más sensible;
- inversores de red capaces de funcionar sin baterías. Dichos dispositivos están destinados a circuitos que involucran el ingreso de energía eléctrica directamente a una red común.
Al elegir modelos, definitivamente debe prestar atención al tipo de inversor.
Tipos de generadores eólicos
Al clasificar las turbinas eólicas, características tales como:
- cita
- características de diseño;
- número de cuchillas;
- los materiales de los que están hechos;
- eje de rotación;
- paso de tornillo
Considere en detalle las dos clasificaciones más utilizadas.
Clasificación de aerogeneradores por finalidad.
Hay variedades de turbinas eólicas que difieren en su propósito. Las características principales de los dispositivos, por ejemplo, la potencia, dependen de esto.
Aerogeneradores industriales
Dichos dispositivos son instalados por grandes compañías de energía o por el estado para suministrar electricidad a instalaciones industriales. Las turbinas con una capacidad de decenas de megavatios generalmente se ubican en áreas de viento (colinas abiertas, costas).
La electricidad generada, por regla general, va directamente a la red, mientras que para la estabilidad y la regulación de la frecuencia de rotación de las palas de la turbina eólica están equipadas con mecanismos adicionales.
Aerogeneradores comerciales
Dichas instalaciones se utilizan para generar electricidad para la venta o para suministrar electricidad a industrias en regiones con redes de baja potencia (o con su ausencia total). Tales parques eólicos consisten en un grupo de generadores eléctricos, que pueden tener diferentes capacidades.
La energía de las plantas comerciales puede suministrarse directamente a las comunicaciones eléctricas o usarse para cargar una gran variedad de baterías, donde se almacena y convierte para suministrarla al sistema de energía.
Dispositivos de viento domésticos
Las unidades de baja potencia se utilizan para uso privado. De acuerdo con las normas, los propietarios de los sitios pueden instalar molinos de viento con mástiles con una altura de menos de 25 metros sin el consentimiento de las autoridades, para mástiles más altos es necesario obtener un permiso especial.
Los generadores eólicos domésticos son adecuados para cargar baterías con un voltaje de 12/24 / 48V, cuya energía se transforma en un voltaje de 220 voltios. Dichos dispositivos pueden resolver total o parcialmente el problema con la fuente de alimentación de objetos pequeños que se encuentran lejos de la red eléctrica centralizada.
Con pautas para elegir un generador eólico para proporcionar energía a un hogar privado presentará el artículodedicado a esta interesante pregunta.
Variedades de construcción de molinos de viento.
Según las características de diseño del dispositivo, también se puede dividir en varias categorías, aunque todas las variedades se reducen a dos tipos principales: vertical y horizontal
Aerogeneradores clásicos horizontales
Instalaciones similares (también llamadas hélices o paletas) generalmente tienen 3-5 palas montadas en un eje horizontal. Rotando 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 mayor sea, mayor será el resultado).
Dichos dispositivos se instalan generalmente en parques eólicos donde se genera energía para uso industrial y comercial, pero también son adecuados para uso doméstico.
Una solución interesante para un molino de viento horizontal es un modelo con una pala, sus características serán introducidas por la siguiente selección de fotos:
Aerogeneradores verticales
Un elemento activo de tales instalaciones es una rueda de viento giratoria. Debido a las características de diseño, tales diseños difieren en tipo ("Barril", "Savonio").
La siguiente selección de fotos lo familiarizará con el principio de construir una turbina para un generador Savonius vertical:
A pesar del bajo índice KIEV (0.1-0.2), son ampliamente utilizados: las unidades verticales operan con flujos de aire turbulentos, por lo que pueden colocarse incluso en áreas donde raramente soplan vientos fuertes.
Para aumentar la eficiencia de los molinos de viento verticales, los fabricantes a menudo aumentan sus parámetros de tamaño, lo que conduce a un aumento significativo en el costo. Dado que tales instalaciones son lo suficientemente frágiles, requieren una mayor protección contra huracanes y otros fenómenos naturales.
Aerogeneradores "Rotor Daria"
Dichos dispositivos pertenecen a la categoría de aerogeneradores verticales, sin embargo, tienen diferencias pronunciadas en el diseño. Gracias a estas características, se logra la reducción de ruido y crece KIEV, que se aproxima al rendimiento de los modelos horizontales.
La desventaja de tales diseños es el bajo momento de inicio (debido a la presencia de solo dos cuchillas, es difícil que el dispositivo se inicie de forma independiente). Para resolver el problema, a menudo se usa el híbrido Savonius + Darier.
Instalaciones de viento de vela
Para tales instalaciones, se puede aplicar el principio de los molinos de viento verticales y horizontales. La característica estructural principal es una rueda de viento cubierta con muchas palas o velas, mientras que el perfil aerodinámico de tales modelos está ausente.
A pesar de que las instalaciones de navegación se caracterizan por su baja velocidad y baja eficiencia, a menudo se utilizan en la economía nacional. Tales diseños son fáciles de instalar y operar, y la combinación de un alto par con bajas velocidades le permite poner en marcha directamente varios mecanismos útiles, por ejemplo, una bomba para bombear agua.
La siguiente galería lo familiarizará con uno de los modelos prácticos de molinos de viento para vela:
Generador de turbina eólica
Para el funcionamiento de los molinos de viento, se necesitan generadores trifásicos convencionales. El diseño de dichos dispositivos es similar a los modelos utilizados en los automóviles, pero tiene grandes parámetros.
En los dispositivos para turbinas eólicas, se proporciona un devanado estator trifásico (conexión en estrella), desde donde tres cables van al controlador, donde el voltaje alterno se transforma en voltaje directo.
Para aumentar la velocidad, a menudo se usa un multiplicador. Este dispositivo le permite aumentar la potencia del generador existente o usar un dispositivo más pequeño, lo que reduce el costo de instalación.
Los multiplicadores se usan con mayor frecuencia en generadores eólicos verticales, en los que el proceso de rotación de la rueda del viento es más lento. Para dispositivos horizontales con una alta velocidad de rotación de las cuchillas, no se requieren multiplicadores, lo que simplifica y reduce el costo de construcción.
Los detalles del montaje e instalación de un generador eólico. de la lavadora y turbinas eólicas de un generador de automóvil detallado en nuestros artículos recomendados.
Pros y contras de un generador eólico
Consideremos en detalle las ventajas y desventajas de las turbinas eólicas, ya que la decisión de comprar un molino de viento o abandonarlo depende de ellos.
Ventajas de los dispositivos eólicos.
Los beneficios de los dispositivos de energía eólica incluyen:
- Respetuoso del medio ambiente. Las plantas usan una fuente de energía renovable, que puede usarse continuamente sin dañar el medio ambiente. La electricidad generada por los generadores eólicos reemplaza la energía de las centrales térmicas, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
- Versatilidad. Los parques eólicos se pueden construir en casi todas partes: en las llanuras, en las montañas, en los campos, en las islas e incluso en aguas poco profundas. La energía eólica es especialmente apreciada en lugares remotos donde es difícil extender las comunicaciones eléctricas habituales. En este caso, los generadores eólicos permiten establecer el suministro de energía a las instalaciones, lo que le proporciona independencia de factores aleatorios (por ejemplo, del combustible no entregado a tiempo).
- Usar eficiencia. Los modelos modernos reciclan la energía de vientos suaves, incluso el límite mínimo es de 3.5 m / s. De manera similar, es posible suministrar electricidad a una red centralizada, así como organizar el suministro de energía de instalaciones individuales (isleñas o locales), independientemente de su capacidad.
- Una alternativa digna a las fuentes tradicionales. Los parques eólicos estacionarios pueden proporcionar electricidad a un edificio residencial o incluso a una pequeña instalación de producción. En este caso, la turbina acumulará en las baterías el suministro de electricidad requerido, destinado para su uso durante los períodos sin viento.
- Rentabilidad En comparación con las fuentes tradicionales de energía eléctrica (gas, turba, carbón, petróleo), las turbinas de bicicleta pueden reducir significativamente los costos de energía. En muchos casos, construir un parque eólico es más barato que conectarse a los sistemas de energía existentes.
El uso de turbinas eólicas puede ser una alternativa al uso de generadores diesel costosos, reduciendo aún más el costo de transporte y almacenamiento de combustible hasta en un 80%.
La potencia promedio de una turbina eólica difiere significativamente del indicador de carga máxima. Un generador eólico solo es responsable de la cantidad de energía producida durante un cierto período de tiempo con la velocidad media mensual del viento característica de un área determinada.
Para una evaluación más precisa de los recursos eólicos, puede utilizar datos especialmente derivados (parámetros de Weibull). Estos indicadores reflejan la distribución de vientos de diferentes intensidades características de un área en particular. Es importante tener en cuenta dicha información al desarrollar proyectos de parques eólicos con una capacidad de decenas de MW.
La potencia generada por la turbina eólica es proporcional a la velocidad del viento triple. Por lo tanto, este indicador es muy pequeño con corrientes de viento débiles, sin embargo, cuando se fortalecen, aumenta bruscamente. Debido a la variabilidad de la dirección de los vientos y su velocidad durante la construcción de la turbina eólica, es necesario proporcionar componentes estabilizadores.
Reglas y fórmulas para calcular la potencia de un generador eólico. dado aquíLe recomendamos que lea información muy útil.
En sistemas autónomos pequeños, su función es realizada por baterías, cuya carga comienza a aumentar tan pronto como la potencia del generador eólico excede el indicador de carga.
Cabe señalar que el uso efectivo de los flujos de viento contribuye a la variedad de diseños de generadores eólicos.
Las turbinas horizontales brindan un alto rendimiento en lugares planos donde hay muchos vientos, mientras que las turbinas verticales funcionan mejor en regiones con flujos turbulentos que se observan desde el suelo (en la parte superior de las colinas, cadenas montañosas).
Las principales desventajas de los molinos de viento.
Al mismo tiempo, los molinos de viento tienen sus propios aspectos negativos:
- La magnitud de la fuerza del viento es difícil de predecir de antemano, ya que a menudo cambia. Debido a esto, es aconsejable pensar en una red de seguridad que proporcione una fuente de energía de respaldo (paneles solares, conexión eléctrica).
- Los dispositivos verticales corren el riesgo de destrucción de las palas del rotor debido a la acción de las fuerzas centrífugas cuando las palas giran alrededor del eje principal. Debido a este efecto, elementos estructurales importantes se deforman y destruyen con el tiempo, y el mecanismo falla.
- Los molinos de viento se instalan mejor 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 las turbinas eólicas, es necesario prever el uso de baterías y otros dispositivos adicionales en el diseño, que se utilizan para convertir la electricidad generada en corriente con características de consumo adecuadas.
- Durante el funcionamiento, los generadores eólicos emiten un ruido que puede causar molestias a las personas y ahuyentar a los animales. Las aspas de las instalaciones también pueden causar la muerte de las aves que vuelan hacia ellas.
- Según algunos expertos, las turbinas eólicas pueden degradar la recepción de transmisiones 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 elimina en gran medida este factor.
Esquemas y métodos de conexión.
Aunque la turbina eólica puede funcionar de forma independiente, se puede lograr un resultado mucho mejor con la ayuda de esquemas combinados que proporcionan la combinación de un dispositivo eólico con paneles solares, una red eléctrica centralizada, fuentes de energía diesel o de gas.
Trabajo fuera de línea. En este caso, se establece una sola instalación, con la ayuda de la cual se captura y acumula energía eólica, que luego se convierte en una corriente eléctrica que los consumidores necesitan.
Combinando un generador eólico con paneles solares. La opción combinada se considera una forma confiable y eficiente de suministro de energía. En ausencia de viento, la batería funciona paneles solares, y en tiempo nublado y durante la noche, la carga proviene de una instalación eólica.
Generador de viento combinado y operación de red. Una turbina eólica se puede combinar con comunicaciones eléctricas.
Con el exceso de electricidad producida, ingresa a la red centralizada, y con su escasez, es posible utilizar corriente eléctrica del sistema de energía general.
Matices de usar generadores eólicos
Actualmente, las turbinas eólicas se utilizan en diversos sectores de la economía. Los modelos industriales de diferentes capacidades son utilizados por las compañías de petróleo y gas, telecomunicaciones, estaciones de perforación y exploración, instalaciones de producción y agencias gubernamentales.
De particular interés es la importancia de usar turbinas eólicas para la recuperación rápida de electricidad interrumpida durante cataclismos y desastres naturales. Con este fin, el Ministerio de Emergencias suele utilizar generadores eólicos.
Las turbinas eólicas domésticas son perfectas para organizar la iluminación y la calefacción de las aldeas y casas particulares, así como para fines domésticos en granjas.
En este caso, algunos puntos deben tenerse en cuenta:
- Los dispositivos de hasta 1 kW pueden proporcionar una cantidad suficiente de electricidad solo en lugares ventosos. Por lo general, la energía que producen es suficiente solo para la iluminación LED y la energía para pequeños dispositivos electrónicos.
- Para proporcionar electricidad a la cabaña (casa de campo), necesitará un generador eólico con una capacidad de más de 1 kW.Este indicador es suficiente para alimentar la iluminación, así como una computadora y un televisor, pero su potencia no es suficiente para proporcionar electricidad a un refrigerador moderno que funciona las 24 horas.
- Para proporcionar energía a la cabaña, necesita un molino de viento de 3-5 kW, pero incluso esta cifra no es suficiente para calentar casas. Para usar esta función, necesita una opción potente, a partir de 10 kW.
Al elegir un modelo, debe tenerse en cuenta que el indicador de alimentación indicado en el dispositivo se logra solo a la velocidad máxima del viento. Por lo tanto, una instalación de 300V producirá la cantidad de energía indicada solo a una velocidad de flujo de aire de 10-12 m / s.
Quienes deseen construir un generador eólico con sus propias manos, les ofrecemos siguiente articuloen el que se detalla información útil.
Conclusiones y video útil sobre el tema.
El siguiente video proporciona información detallada sobre el principio de funcionamiento y el diseño de un modelo doméstico de un generador eólico:
Un generador eólico es una excelente fuente de producción de energía eléctrica, que los residentes de lugares remotos apreciarán especialmente. Varias empresas rusas y extranjeras ofrecen una amplia gama de estructuras eólicas, además, los modelos domésticos se pueden hacer con sus propias manos.
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¿Hay empresas en Moscú o en la región que venden e instalan molinos de viento similares con una altura de menos de 25 metros en los territorios de ciudadanos particulares? Me hubiera instalado en mi cabaña, ¿cuántos de ellos son necesarios, varios o uno? Es necesario calcular cuánto costará todo el trabajo. ¿Qué es mejor: vertical o navegando, u horizontal? Nuestro lugar es especialmente ventoso en un terreno baldío, ¡sopla mucho todo el año!
Puede ser que los generadores eólicos sean adecuados para uso industrial, pero el hecho en sí mismo es que debería haber muchas turbinas eólicas para un sistema doméstico, sin mencionar uno industrial, esta vez. Y dos: son muy caros. Incluso los paneles solares son más baratos y económicos de instalar que una turbina eólica. Sin embargo, de vez en cuando a Alemania y Holanda, se ven grandes áreas con turbinas eólicas. No sé cuán efectivos son. Pero sé que en las casas modernas para ellos, alemanes prácticos, si instalan fuentes ecológicas de electricidad, nunca he visto paneles solares o molinos de viento en ningún lado.
"La corriente alterna inestable resultante" fluye "hacia el controlador, donde se convierte a un voltaje constante ..." ¡Brillante! La corriente se convierte en voltaje))