Generatore eolico cinetico: dispositivo, principio di funzionamento, applicazione

Un moderno generatore eolico cinetico ti consente di utilizzare la potenza delle correnti d'aria, convertendola in elettricità. A tal fine, esistono modelli di dispositivi fabbricati in casa e utilizzati sia nell'industria che nelle fattorie private.

Parleremo di come sono disposti i mulini a vento di questo tipo, ti presenteremo le funzionalità del dispositivo e le opzioni di progettazione. L'articolo che abbiamo proposto mostra i punti di forza e di debolezza di una centrale eolica. Maestri indipendenti con noi troveranno utili schemi e raccomandazioni per il montaggio.

Il principio di funzionamento di un generatore eolico

Il funzionamento del generatore eolico si basa sulla trasformazione dell'energia cinetica del vento in energia meccanica del rotore, che viene quindi convertita in elettricità.

Il principio di funzionamento è abbastanza semplice: la rotazione delle pale montate sull'asse del dispositivo porta a movimenti circolari del generatore di rotore, a causa dei quali viene generata l'elettricità.

L'energia eolica è uno dei settori più promettenti di energia rinnovabile. I design moderni consentono un uso economico del flusso d'aria, utilizzandolo per generare elettricità

La corrente alternata instabile risultante "fluisce" nel controller, dove viene convertita in una tensione costante in grado di caricare le batterie. Da lì, l'alimentazione viene fornita all'inverter, dove viene trasformata in tensione alternata con un indicatore di 220/380 V, che viene fornito ai consumatori.

La potenza del generatore eolico dipende direttamente dalla potenza del flusso d'aria (N), calcolata secondo la formula N = pSV³/ 2, dove V è la velocità del vento, S è l'area di lavoro, p è la densità dell'aria.

Dispositivo generatore eolico

Le diverse versioni dei generatori eolici sono significativamente diverse l'una dall'altra.

Il diagramma sopra mostra la struttura interna di un classico generatore eolico orizzontale. Tali modelli sono spesso utilizzati sia nell'industria che nella vita di tutti i giorni.

I dispositivi industriali hanno una struttura complessa da molti metri, la cui installazione richiede una fondazione, mentre un modello domestico può essere costituito da un minimo di componenti (motore a 3-12 V CC, elettrocapacitore a 1000 V 6 V, diodo raddrizzatore al silicio).

Un'installazione tipica include i seguenti componenti:

• alternatore (la potenza dipende dalla velocità dei flussi del vento);
• pale che trasmettono la rotazione all'albero del generatore (spesso sono inoltre dotate di riduttori, stabilizzatori di velocità del rotore);
• albero del mulino a vento, a cui sono attaccate le pale (più sono alti questi elementi, maggiore è la quantità di energia eolica che possono ricevere);
• batterie che accumulano energia, che consente di utilizzarlo con un piccolo flusso di vento o la sua completa assenza. La batteria svolge anche la funzione di stabilizzare l'energia elettrica ricevuta dal generatore;
• controller - un convertitore di tensione alternata ricevuto dal generatore in corrente continua, che viene utilizzato per caricare la batteria. Il controller è controllato ruotando le pale, che consente di considerare dove scorre l'aria;
• ABP - dispositivo di commutazione automatica che collega il generatore eolico con altre fonti di energia (pannelli solari, rete elettrica);
• sensore di direzione del vento - un dispositivo che facilita il rilevamento del flusso del vento da parte delle pale;
• un inverter per convertire corrente continua da batterie a tensione alternata, che viene utilizzato nelle comunicazioni elettriche.

Per soddisfare al meglio le esigenze degli utenti, il dispositivo può essere dotato di vari tipi di inverter:

• dispositivi con un'onda sinusoidale modificata dall'inverter, che emette una sinusoide quadrata. Dispositivi di questo tipo sono adatti per elementi riscaldanti, lampade a incandescenza e altri dispositivi poco impegnativi per la qualità della rete;
• inverter di tensione trifase progettati per reti di alimentazione trifase;
• installazioni a onda sinusoidale pura che producono energia per una tecnica più sensibile;
• inverter di rete in grado di funzionare senza batterie. Tali dispositivi sono destinati a circuiti che comportano l'ingresso di energia elettrica direttamente in una rete comune.

Quando si scelgono i modelli, è necessario prestare attenzione al tipo di inverter.

Tipi di generatori eolici

Quando si classificano le turbine eoliche, caratteristiche come:

• nomina;
• caratteristiche del design;
• numero di pale;
• i materiali con cui sono realizzati;
• asse di rotazione;
• passo della vite.

Considerare in dettaglio le due classificazioni più comunemente utilizzate.

Classificazione dei generatori eolici per scopo

Esistono varietà di turbine eoliche che differiscono nello scopo. Le caratteristiche principali dei dispositivi, ad esempio la potenza, dipendono da questo.

Turbine eoliche industriali

Tali dispositivi sono installati da grandi compagnie energetiche o dallo stato per fornire elettricità agli impianti industriali. Le turbine con una capacità di decine di megawatt si trovano di solito nelle aree del vento (colline aperte, coste).

I parchi eolici, dove sono installate dozzine di turbine eoliche, sono rotti non solo sul terreno, ma anche in acque poco profonde. L'elettricità ricevuta viene generalmente utilizzata per scopi industriali.

L'elettricità generata, di regola, va direttamente alla rete, mentre per stabilità e regolazione della frequenza di rotazione delle pale della turbina eolica sono dotate di meccanismi aggiuntivi.

Generatori eolici commerciali

Tali impianti vengono utilizzati per generare elettricità per la vendita o per fornire elettricità alle industrie nelle regioni con reti a bassa potenza (o con la sua totale assenza). Tali parchi eolici sono costituiti da un gruppo di generatori elettrici, che possono avere capacità diverse.

L'energia degli impianti commerciali può essere fornita direttamente alle comunicazioni elettriche o utilizzata per caricare una vasta gamma di batterie, dove viene immagazzinata e convertita per l'alimentazione al sistema di alimentazione.

Dispositivi eolici domestici

Le unità a bassa potenza sono utilizzate per uso privato. Secondo le regole, i mulini a vento con alberi di altezza inferiore a 25 metri possono essere installati dai proprietari dei siti senza il consenso delle autorità, per gli alberi più alti è necessario ottenere un'autorizzazione speciale.

I mulini a vento a bassa e media potenza possono fungere da fonte di energia elettrica per cottage, cottage estivi, case di campagna, fattorie

I generatori eolici domestici sono adatti per caricare batterie con una tensione di 12/24 / 48V, l'energia da cui viene trasformata in una tensione di 220 volt. Tali dispositivi possono risolvere completamente o parzialmente il problema con l'alimentazione di piccoli oggetti che si trovano lontano dalla rete elettrica centralizzata.

Con linee guida per la scelta di un generatore eolico per fornire energia a una casa privata introdurrà l'articolodedicato a questa domanda interessante.

Varietà di costruzione di mulini a vento

In base alle caratteristiche di progettazione del dispositivo può anche essere suddiviso in diverse categorie, sebbene tutte le varietà siano ridotte a due tipi principali: verticale e orizzontale.

Generatori eolici orizzontali classici

Installazioni simili (sono anche chiamate elica o banderuola) di solito hanno 3-5 pale montate su un asse orizzontale. Ruotando ad alta velocità, tali elementi consentono di ottenere la massima quantità di energia (KIEV fino a 0,4).

Inoltre, la quantità di elettricità generata dipende in gran parte dall'altezza del dispositivo (maggiore è, maggiore è il risultato).

Il generatore eolico orizzontale utilizza la forza di sollevamento che si verifica quando la pressione aumenta nel punto in cui il flusso d'aria diretto passa attraverso le pale, riflesso da questi elementi

Tali dispositivi sono generalmente installati in parchi eolici dove l'energia viene generata per uso industriale e commerciale, ma sono anche adatti per uso domestico.

Una soluzione interessante per un mulino a vento orizzontale è un modello con una pala, le cui caratteristiche saranno introdotte dalla seguente selezione di foto:

Turbine eoliche verticali

Un elemento attivo di tali installazioni è una ruota del vento rotante. A causa delle caratteristiche del design, tali design differiscono nel tipo ("Barrel", "Savonius").

La seguente selezione di foto ti farà conoscere il principio della costruzione di una turbina per un generatore verticale Savonius:

Nonostante il basso indice KIEV (0.1-0.2), sono ampiamente utilizzati: le unità verticali operano su flussi d'aria turbolenti, quindi possono essere posizionate anche in aree in cui soffiano venti forti.

Il funzionamento dei generatori eolici verticali non dipende dalla direzione dei venti. Sono facili da installare e da utilizzare, inoltre, tali dispositivi possono essere posizionati vicino al suolo

Per aumentare l'efficienza dei mulini a vento verticali, i produttori spesso aumentano i parametri dimensionali, il che comporta un aumento significativo dei costi. Poiché tali installazioni sono abbastanza fragili, richiedono una maggiore protezione contro gli uragani e altri fenomeni naturali.

Generatori eolici "Rotor Daria"

Tali dispositivi appartengono alla categoria delle turbine eoliche verticali, tuttavia hanno differenze marcate nel design. Grazie a queste caratteristiche, si ottiene la riduzione del rumore e cresce KIEV, che si avvicina alle prestazioni dei modelli orizzontali.

La turbina a bassa pressione proposta dal designer aeronautico francese Georges Darier nel 1931 con un asse di rotazione perpendicolare all'aria ha trovato ampia applicazione nell'energia eolica

Lo svantaggio di tali progetti è il basso momento di avvio (a causa della presenza di sole due pale, è difficile che il dispositivo si avvii autonomamente). Per risolvere il problema, viene spesso utilizzato l'ibrido Savonius + Darier.

Installazioni di wind winding

Per tali installazioni è possibile applicare il principio dei mulini a vento sia verticali che orizzontali. La principale caratteristica strutturale è una ruota del vento coperta da molte pale o vele, mentre il profilo aerodinamico di tali modelli è assente.

Esistono molti modelli di generatori eolici a vela, che differiscono per numero di pale, peso, potenza. Tutti questi parametri devono essere considerati quando si sceglie un dispositivo.

Nonostante il fatto che gli impianti a vela siano caratterizzati da bassa velocità e bassa efficienza, sono spesso utilizzati nell'economia nazionale. Tali progetti sono facili da installare e da utilizzare e la combinazione di coppia elevata a basse velocità consente di mettere in moto direttamente vari meccanismi utili, ad esempio una pompa per il pompaggio dell'acqua.

La seguente galleria ti farà conoscere uno dei modelli pratici dei mulini a vento a vela:

Generatore eolico

Per il funzionamento dei mulini a vento, sono necessari generatori trifase convenzionali. Il design di tali dispositivi è simile ai modelli utilizzati sulle auto, ma ha parametri di grandi dimensioni.

Nei dispositivi per turbine eoliche, viene fornito un avvolgimento di statore trifase (collegamento a stella), da cui tre fili vanno al controller, dove la tensione alternata viene trasformata in tensione diretta.

Il rotore del generatore per una turbina eolica è realizzato su magneti al neodimio: non è pratico utilizzare l'eccitazione elettrica in tali progetti, poiché la bobina consuma molta energia

Per aumentare la velocità, viene spesso utilizzato un moltiplicatore. Questo dispositivo consente di aumentare la potenza del generatore esistente o utilizzare un dispositivo più piccolo, riducendo i costi di installazione.

I moltiplicatori sono più spesso utilizzati nei generatori eolici verticali, in cui il processo di rotazione della ruota del vento è più lento. Per i dispositivi orizzontali con un'alta velocità di rotazione delle pale, non sono richiesti moltiplicatori, il che semplifica e riduce il costo di costruzione.

Le specifiche dell'assemblaggio e dell'installazione di un generatore eolico dalla lavatrice e turbine eoliche da un generatore di auto dettagliato nei nostri articoli consigliati.

Pro e contro di un generatore eolico

Consideriamo in dettaglio i vantaggi e gli svantaggi delle turbine eoliche, poiché la decisione di acquistare un mulino a vento o abbandonarlo dipende da essi.

Vantaggi dei dispositivi eolici

I vantaggi dei dispositivi per l'energia eolica includono:

• Rispetto dell'ambiente Gli impianti utilizzano una fonte di energia rinnovabile, che può essere utilizzata in modo continuo senza danneggiare l'ambiente. L'elettricità generata dai generatori eolici sostituisce l'energia delle centrali termiche, riducendo le emissioni di gas serra.
• versatilità. I parchi eolici possono essere costruiti quasi ovunque: in pianura, in montagna, nei campi, sulle isole e persino in acque poco profonde. L'energia eolica è particolarmente apprezzata in luoghi remoti dove è difficile estendere le normali comunicazioni elettriche. In questo caso, i generatori eolici consentono di stabilire l'alimentazione elettrica agli impianti, garantendo l'indipendenza da fattori casuali (ad esempio, dal carburante non consegnato in tempo).
• Usa l'efficienza. I modelli moderni riciclano l'energia anche dei venti leggeri: il limite minimo è di 3,5 m / s. In questo modo, è possibile fornire elettricità a una rete centralizzata, nonché organizzare l'alimentazione di singole strutture (isola o locale), indipendentemente dalla loro capacità.
• Una degna alternativa alle fonti tradizionali. I parchi eolici stazionari possono fornire completamente elettricità a un edificio residenziale o anche a un piccolo impianto di produzione. In questo caso, la turbina accumulerà nelle batterie la fornitura di elettricità necessaria, destinata all'uso durante periodi senza vento.
• Economia. Rispetto alle fonti tradizionali di energia elettrica (gas, torba, carbone, petrolio), le turbine per biciclette possono ridurre significativamente i costi energetici. In molti casi, la costruzione di un parco eolico è più economica della connessione ai sistemi di alimentazione esistenti.

L'uso di turbine eoliche può essere un'alternativa all'uso di costosi generatori diesel, riducendo ulteriormente i costi di trasporto e stoccaggio del carburante fino all'80%.

La potenza media di una turbina eolica differisce in modo significativo dall'indicatore di carico di picco. Un generatore eolico è responsabile solo della quantità di energia prodotta per un certo periodo di tempo con la velocità media mensile del vento caratteristica di una determinata area.

Per una valutazione più accurata delle risorse eoliche, è possibile utilizzare dati appositamente derivati ​​(parametri Weibull). Questi indicatori riflettono la distribuzione di venti di diversa intensità caratteristici di una particolare area. Tali informazioni sono importanti da considerare quando si sviluppano progetti di parchi eolici con una capacità di decine di MW.

La potenza generata dalla turbina eolica è proporzionale alla tripla velocità del vento. Pertanto, questo indicatore è molto piccolo con correnti di vento deboli, tuttavia, quando si rafforzano, aumenta bruscamente. A causa della variabilità della direzione dei venti e della loro velocità durante la costruzione della turbina eolica, è necessario fornire componenti stabilizzanti.

Regole e formule per il calcolo della potenza di un generatore eolico dato quiTi consigliamo di leggere alcune informazioni molto utili.

Nei piccoli sistemi autonomi, la loro funzione è svolta dalle batterie, la cui carica inizia ad aumentare non appena la potenza del generatore eolico supera l'indicatore di carico.

All'aumentare del carico, la batteria potrebbe scaricarsi. Questa caratteristica del lavoro è importante da considerare quando si sceglie un'unità domestica, la sua capacità deve coincidere con il tasso mensile o annuale del consumo di elettricità

Va notato che l'uso efficace dei flussi di vento contribuisce alla varietà di progetti di generatori eolici.

Le turbine orizzontali offrono prestazioni elevate in luoghi piatti dove vi sono molti venti, mentre le turbine verticali funzionano meglio nelle regioni con flussi turbolenti che si osservano bassi dal suolo (nella parte superiore delle colline, catene montuose).

I principali svantaggi dei mulini a vento

Allo stesso tempo, i mulini a vento hanno i loro aspetti negativi:

• L'entità della forza del vento è difficile da prevedere in anticipo, poiché spesso cambia. Per questo motivo, è consigliabile pensare a una rete di sicurezza, fornendo una fonte di energia di backup (pannelli solari, collegamento elettrico).
• I dispositivi verticali sono a rischio di distruzione delle pale del rotore a causa dell'azione delle forze centrifughe quando le pale ruotano attorno all'asse principale. A causa di questo effetto, importanti elementi strutturali vengono deformati e distrutti nel tempo e il meccanismo fallisce.
• I mulini a vento si installano meglio nello spazio libero, poiché gli edifici vicini possono "smorzare" il vento, formando una zona aerea "morta".
• Per risparmiare l'energia in eccesso delle turbine eoliche, è necessario prevedere l'uso di batterie e altri dispositivi aggiuntivi nella progettazione, che vengono utilizzati per convertire l'elettricità generata in corrente con adeguate caratteristiche di consumo.
• Durante il funzionamento, i generatori eolici emettono un rumore che può causare disagio alle persone, spaventare gli animali. Le pale degli impianti possono anche causare la morte di uccelli che volano verso di loro.
• Secondo alcuni esperti, le turbine eoliche possono degradare la ricezione di trasmissioni radio e televisive.

Gli aspetti negativi possono anche includere il costo piuttosto elevato di tali unità, tuttavia, il basso costo della fonte di energia elimina ampiamente questo fattore.

Schemi e metodi di connessione

Sebbene la turbina eolica possa funzionare in modo indipendente, è possibile ottenere un risultato molto migliore con l'aiuto di schemi combinati che prevedono la combinazione di un dispositivo eolico con pannelli solari, una rete elettrica centralizzata, fonti di energia diesel o gas.

Lavoro offline. In questo caso, viene impostata una singola installazione, con l'aiuto della quale l'energia eolica viene catturata e accumulata, che viene quindi convertita in una corrente elettrica di cui i consumatori hanno bisogno.

Il diagramma mostra il modo più semplice di utilizzare un generatore eolico, che è consigliabile utilizzare nelle regioni in cui i venti forti soffiano costantemente.

Combinazione di un generatore eolico con pannelli solari. L'opzione combinata è considerata un modo affidabile ed efficiente di alimentazione. In assenza di vento, la batteria funziona pannelli solarie con tempo nuvoloso e durante la notte, la ricarica proviene da un'installazione eolica.

Ideale per una casa o famiglia privata, situata lontano da una rete elettrica centralizzata. Questo schema combinato consente l'uso di due tipi di energia rinnovabile.

Generatore eolico combinato e funzionamento a rete. Una turbina eolica può essere combinata con comunicazioni elettriche.

Un modello simile è tipico per i dispositivi industriali e commerciali. La connessione alle comunicazioni elettriche è prevista anche da alcuni modelli di generatori eolici domestici.

Con l'elettricità in eccesso prodotta, entra nella rete centralizzata e, con la sua carenza, è possibile utilizzare la corrente elettrica dal sistema di alimentazione generale.

Sfumature di utilizzo di generatori eolici

Attualmente, le turbine eoliche sono utilizzate in vari settori dell'economia. I modelli industriali di diversa capacità sono utilizzati da petrolio e gas, società di telecomunicazioni, stazioni di perforazione ed esplorazione, impianti di produzione e agenzie governative.

Il mulino a vento può essere utilizzato come fonte aggiuntiva di energia negli ospedali e in altre istituzioni per fornire una fornitura continua di elettricità in situazioni di emergenza.

Di particolare importanza è l'importanza dell'utilizzo di turbine eoliche per il rapido recupero di elettricità interrotta durante cataclismi e catastrofi naturali. A tal fine, i generatori eolici sono spesso utilizzati dal Ministero delle Emergenze.

Le turbine eoliche domestiche sono eccellenti per l'organizzazione dell'illuminazione e del riscaldamento di villaggi e case private, nonché per scopi domestici nelle fattorie.

In questo caso, alcuni punti dovrebbero essere presi in considerazione:

• I dispositivi fino a 1 kW possono fornire una quantità sufficiente di elettricità solo in luoghi ventosi. Di solito l'energia che producono è sufficiente solo per l'illuminazione a LED e l'alimentazione per piccoli dispositivi elettronici.
• Per fornire completamente elettricità al cottage (casa di campagna) è necessario un generatore eolico con una capacità di oltre 1 kW.Questo indicatore è sufficiente per alimentare l'illuminazione, nonché un computer e una TV, ma la sua potenza non è sufficiente per fornire elettricità a un moderno frigorifero 24 ore su 24.
• Per fornire energia al cottage, è necessario un mulino a vento da 3-5 kW, ma anche questa cifra non è sufficiente per riscaldare le case. Per utilizzare questa funzione, è necessaria un'opzione potente, a partire da 10 kW.

Quando si sceglie un modello, si deve notare che l'indicatore di potenza indicato sul dispositivo si ottiene solo alla massima velocità del vento. Pertanto, un'installazione a 300 V produrrà la quantità di energia indicata solo a una portata d'aria di 10-12 m / s.

Offriamo a chi desidera costruire un generatore eolico con le proprie mani prossimo articoloin cui informazioni utili sono dettagliate.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Il video seguente fornisce informazioni dettagliate sul principio di funzionamento e la progettazione di un modello domestico di un generatore eolico:

Un generatore eolico è un'eccellente fonte di produzione di energia elettrica, apprezzata soprattutto dai residenti in luoghi remoti. Varie imprese russe e straniere offrono una vasta gamma di strutture eoliche, inoltre, i modelli domestici possono essere realizzati con le proprie mani.

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