Gerador eólico cinético: dispositivo, princípio de operação, aplicação

Um moderno gerador eólico cinético permite que você use o poder das correntes de ar, convertendo-o em eletricidade. Para esse fim, existem modelos de dispositivos domésticos e de fábrica que são usados ​​na indústria e em fazendas particulares.

Falaremos sobre como os moinhos de vento desse tipo são organizados; apresentaremos os recursos do dispositivo e as opções de design. O artigo que propusemos mostra os pontos fortes e fracos de uma usina eólica. Mestres independentes conosco encontrarão esquemas e recomendações úteis para a montagem.

O princípio de operação de um gerador eólico

A operação do gerador eólico é baseada na transformação da energia cinética do vento em energia mecânica do rotor, que é então convertida em eletricidade.

O princípio de operação é bastante simples: a rotação das pás montadas no eixo do dispositivo leva a movimentos circulares do gerador de rotor, devido aos quais a eletricidade é gerada.

A energia eólica é um dos setores mais promissores de energia renovável. Projetos modernos permitem o uso econômico do fluxo de ar, usando-o para gerar eletricidade

A corrente alternada instável resultante "flui" para o controlador, onde é convertida em uma tensão constante que pode carregar as baterias. A partir daí, a energia é fornecida ao inversor, onde é transformada em tensão alternada com um indicador de 220/380 V, que é fornecido aos consumidores.

A potência do gerador eólico depende diretamente da potência do fluxo de ar (N), calculado de acordo com a fórmula N = pSV³/ 2, onde V é a velocidade do vento, S é a área de trabalho, p é a densidade do ar.

Dispositivo gerador de vento

Diferentes versões de geradores eólicos são significativamente diferentes entre si.

O diagrama acima mostra a estrutura interna de um gerador eólico horizontal clássico. Esses modelos são mais frequentemente usados ​​tanto na indústria quanto na vida cotidiana.

Os dispositivos industriais são uma construção complexa de vários medidores, cuja instalação requer uma fundação, enquanto um modelo doméstico pode consistir em um mínimo de componentes (motor de 3-12V DC, eletrocapacitor 1000uF 6V, diodo retificador de silício).

Uma instalação típica inclui os seguintes componentes:

• alternador (a potência depende da velocidade dos fluxos de vento);
• pás que transmitem rotação ao eixo do gerador (geralmente são adicionalmente equipadas com caixas de engrenagens, estabilizadores de velocidade do rotor);
• mastro do moinho de vento, ao qual as pás estão conectadas (quanto mais altos esses elementos, maior a quantidade de energia eólica que eles podem receber);
• baterias que acumulam energia, o que permite usá-lo com um pequeno fluxo de vento ou com sua completa ausência. A bateria também desempenha a função de estabilizar a energia elétrica recebida do gerador;
• controlador - um conversor de voltagem alternada recebida do gerador em corrente contínua, usado para carregar a bateria. O controlador é controlado girando as pás, o que permite considerar onde o ar flui;
• ABP - dispositivo de comutação automática que conecta o gerador eólico a outras fontes de energia (painéis solares, rede elétrica);
• sensor de direção do vento - um dispositivo que facilita a localização das pás pelo fluxo de vento;
• um inversor para converter corrente contínua de baterias em voltagem alternada, usado em comunicações elétricas.

Para melhor atender às necessidades do usuário, o dispositivo pode ser equipado com vários tipos de inversores:

• dispositivos com uma onda senoidal modificada pelo inversor, emitindo um senoide quadrado. Dispositivos deste tipo são adequados para elementos de aquecimento, lâmpadas incandescentes e outros dispositivos que não exigem a qualidade da rede;
• inversores de tensão trifásicos projetados para redes de energia trifásicas;
• instalações de onda senoidal pura que produzem energia para uma técnica mais sensível;
• inversores de rede capazes de funcionar sem baterias. Tais dispositivos são destinados a circuitos que envolvem a entrada de energia elétrica diretamente em uma rede comum.

Ao escolher modelos, você deve definitivamente prestar atenção ao tipo de inversor.

Tipos de Geradores Eólicos

Ao classificar turbinas eólicas, características como:

• nomeação;
• recursos de design;
• número de lâminas;
• os materiais de que são feitos;
• eixo de rotação;
• passo do parafuso.

Considere em detalhes as duas classificações mais usadas.

Classificação de aerogeradores por finalidade

Existem variedades de turbinas eólicas com objetivos diferentes. As principais características dos dispositivos, por exemplo, energia, dependem disso.

Turbinas eólicas industriais

Tais dispositivos são instalados por grandes empresas de energia ou pelo estado para fornecer eletricidade a instalações industriais. Turbinas com capacidade para dezenas de megawatts geralmente estão localizadas em áreas eólicas (colinas abertas, costas).

Os parques eólicos, onde dezenas de turbinas eólicas estão instaladas, são quebrados não apenas no solo, mas também em águas rasas. A eletricidade recebida é geralmente usada para fins industriais.

A eletricidade gerada, via de regra, vai diretamente para a rede, enquanto a estabilidade e a regulação da frequência de rotação das pás da turbina eólica são equipadas com mecanismos adicionais.

Geradores eólicos comerciais

Tais instalações são usadas para gerar eletricidade para venda ou fornecer eletricidade para indústrias em regiões com redes de baixa potência (ou com sua completa ausência). Esses parques eólicos consistem em um conjunto de geradores elétricos, que podem ter diferentes capacidades.

A energia das plantas comerciais pode ser fornecida diretamente às comunicações elétricas ou usada para carregar uma grande variedade de baterias, onde é armazenada e convertida para fornecimento ao sistema de energia.

Dispositivos domésticos de vento

As unidades de baixa potência são usadas para uso privado. De acordo com as regras, moinhos de vento com mastros com altura inferior a 25 metros podem ser instalados pelos proprietários dos locais sem o consentimento das autoridades, para mastros mais altos é necessário obter permissão especial.

Os moinhos de vento de baixa e média potência podem servir como fonte de energia elétrica para cabanas, cabanas de verão, casas de campo e fazendas

Os geradores eólicos domésticos são adequados para carregar baterias com uma voltagem de 12/24 / 48V, cuja energia é transformada em uma voltagem de 220 volts. Esses dispositivos podem resolver total ou parcialmente o problema com a fonte de alimentação de pequenos objetos localizados longe da rede elétrica centralizada.

Com diretrizes para a escolha de um gerador eólico para fornecer energia a uma casa particular apresentará o artigodedicado a esta questão interessante.

Variedades de construção de moinhos de vento

De acordo com os recursos de design do dispositivo, também pode ser dividido em várias categorias, embora todas as variedades sejam reduzidas a dois tipos principais: vertical e horizontal.

Geradores eólicos horizontais clássicos

Instalações semelhantes (também chamadas de hélice ou palheta) geralmente têm de 3 a 5 pás montadas em um eixo horizontal. Girando em alta velocidade, esses elementos permitem obter a quantidade máxima de energia (KIEV até 0,4).

Além disso, a quantidade de eletricidade gerada depende em grande parte da altura do dispositivo (quanto maior, maior o resultado).

O gerador eólico horizontal usa a força de elevação que ocorre quando a pressão aumenta no ponto em que o fluxo de ar direto passa pelas pás, refletido a partir desses elementos

Esses dispositivos geralmente são instalados em parques eólicos onde a energia é gerada para uso industrial e comercial, mas também são adequados para uso doméstico.

Uma solução interessante para um moinho de vento horizontal é um modelo com uma lâmina, e seus recursos serão introduzidos pela seguinte seleção de fotos:

Turbinas eólicas verticais

Um elemento ativo dessas instalações é uma roda de vento rotativa. Devido aos recursos do projeto, esses projetos diferem no tipo (“Barrel”, “Savonius”).

A seguinte seleção de fotos o familiarizará com o princípio de construir uma turbina para um gerador vertical Savonius:

Apesar do baixo índice KIEV (0,1-0,2), eles são amplamente utilizados: unidades verticais operam com fluxos de ar turbulentos, para que possam ser colocadas mesmo em áreas onde ventos fortes raramente sopram.

A operação de geradores eólicos verticais não depende da direção dos ventos. São fáceis de instalar e operar, além disso, esses dispositivos podem ser colocados perto do chão

Para aumentar a eficiência dos moinhos de vento verticais, os fabricantes costumam aumentar seus parâmetros de tamanho, o que leva a um aumento significativo no custo. Como essas instalações são frágeis o suficiente, elas exigem maior proteção contra furacões e outros fenômenos naturais.

Geradores Eólicos "Rotor Daria"

Esses dispositivos pertencem à categoria de turbinas eólicas verticais, no entanto, apresentam acentuadas diferenças no design. Graças a esses recursos, a redução de ruído é alcançada e o KIEV cresce, o que aproxima o desempenho dos modelos horizontais.

A turbina de baixa pressão com um eixo de rotação perpendicular ao ambiente aéreo, proposta em 1931 pelo designer de aeronaves francês Georges Darier, era amplamente utilizada em energia eólica

A desvantagem de tais projetos é o baixo momento inicial (devido à presença de apenas duas lâminas, é difícil para o dispositivo iniciar independentemente). Para resolver o problema, o híbrido Savonius + Darier é frequentemente usado.

Instalações de vento de vela

Para tais instalações, o princípio de moinhos de vento verticais e horizontais pode ser aplicado. A principal característica estrutural é uma roda de vento coberta com muitas pás ou velas, enquanto o perfil aerodinâmico de tais modelos está ausente.

Existem muitos modelos de geradores eólicos à vela, que diferem no número de pás, peso, potência. Todos esses parâmetros devem ser considerados ao escolher um dispositivo.

Apesar de as instalações à vela serem caracterizadas por baixa velocidade e baixa eficiência, elas são frequentemente usadas na economia nacional. Tais projetos são fáceis de instalar e operar, e a combinação de alto torque com baixas velocidades permite acionar diretamente vários mecanismos úteis, por exemplo, uma bomba para bombear água.

A galeria a seguir o familiarizará com um dos modelos práticos de moinhos de vento à vela:

Gerador de turbina eólica

Para a operação de moinhos de vento, são necessários geradores trifásicos convencionais. O design desses dispositivos é semelhante aos modelos usados ​​nos carros, mas possui grandes parâmetros.

Em dispositivos para turbinas eólicas, é fornecido um enrolamento de estator trifásico (conexão em estrela), de onde três fios vão para o controlador, onde a tensão alternada é transformada em tensão direta.

O rotor do gerador de uma turbina eólica é feito com ímãs de neodímio: não é prático usar a excitação elétrica em tais projetos, pois a bobina consome muita energia

Para aumentar a velocidade, um multiplicador é frequentemente usado. Este dispositivo permite aumentar a potência do gerador existente ou usar um dispositivo menor, o que reduz o custo de instalação.

Os multiplicadores são mais frequentemente usados ​​em geradores eólicos verticais, nos quais o processo de rotação da roda eólica é mais lento. Para dispositivos horizontais com alta velocidade de rotação das pás, não são necessários multiplicadores, o que simplifica e reduz o custo de construção.

Os detalhes da montagem e instalação de um gerador eólico da máquina de lavar e turbinas eólicas de um gerador de carro detalhado em nossos artigos recomendados.

Prós e contras de um gerador eólico

Vamos considerar em detalhes as vantagens e desvantagens das turbinas eólicas, uma vez que a decisão de comprar ou abandonar um moinho de vento depende delas.

Vantagens dos dispositivos eólicos

Os benefícios dos dispositivos de energia eólica incluem:

• Simpatia ambiental. As usinas usam uma fonte de energia renovável, que pode ser usada continuamente sem prejudicar o meio ambiente. A eletricidade gerada pelos geradores eólicos substitui a energia das usinas termelétricas, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa.
• Versatilidade. Parques eólicos podem ser construídos em quase todos os lugares: nas planícies, nas montanhas, nos campos, nas ilhas e até em águas rasas. A energia eólica é especialmente apreciada em locais remotos, onde é difícil estender as comunicações elétricas usuais. Nesse caso, os geradores eólicos permitem estabelecer o fornecimento de energia às instalações, proporcionando independência de fatores aleatórios (por exemplo, de combustível não entregue no prazo).
• Use eficiência. Os modelos modernos reciclam a energia de ventos fracos mesmo - o limite mínimo é de 3,5 m / s. De maneira semelhante, é possível fornecer eletricidade a uma rede centralizada, bem como organizar o fornecimento de energia de instalações individuais (ilha ou local), independentemente de sua capacidade.
• Uma alternativa digna de fontes tradicionais. Parques eólicos estacionários podem fornecer eletricidade a um edifício residencial ou mesmo a uma pequena instalação de produção. Nesse caso, a turbina acumulará nas baterias o suprimento necessário de eletricidade, destinado ao uso durante períodos sem vento.
• Rentabilidade. Comparadas às fontes tradicionais de energia elétrica (gás, turfa, carvão, petróleo), as turbinas de bicicleta podem reduzir significativamente os custos de energia. Em muitos casos, construir um parque eólico é mais barato do que conectar-se a sistemas de energia existentes.

O uso de turbinas eólicas pode ser uma alternativa ao uso de geradores a diesel caros, reduzindo ainda mais o custo de transporte e armazenamento de combustível em até 80%.

A potência média de uma turbina eólica difere significativamente do indicador de carga de pico. Um gerador eólico é responsável apenas pela quantidade de energia produzida por um determinado período de tempo, com a velocidade média mensal do vento característica de uma determinada área.

Para uma avaliação mais precisa dos recursos eólicos, você pode usar dados especialmente derivados (parâmetros Weibull). Esses indicadores refletem a distribuição de ventos de diferentes forças característicos de uma área específica. É importante considerar essas informações ao desenvolver projetos de parques eólicos com capacidade de dezenas de MW.

A energia gerada pela turbina eólica é proporcional à velocidade do vento triplo. Portanto, este indicador é muito pequeno com correntes de vento fracas, no entanto, quando são fortalecidos, aumenta acentuadamente. Devido à variabilidade da direção dos ventos e sua velocidade durante a construção da turbina eólica, é necessário fornecer componentes estabilizadores.

Regras e fórmulas para calcular a potência de um gerador eólico dado aquiRecomendamos que você leia algumas informações muito úteis.

Em pequenos sistemas autônomos, sua função é desempenhada por baterias, cuja carga começa a aumentar assim que a energia do gerador eólico excede o indicador de carga.

À medida que a carga aumenta, a bateria pode descarregar. É importante considerar essa característica do trabalho ao escolher uma unidade doméstica, sua capacidade deve coincidir com a taxa mensal ou anual de consumo de eletricidade

Note-se que o uso efetivo dos fluxos eólicos contribui para a variedade de projetos de geradores eólicos.

As turbinas horizontais oferecem alto desempenho em locais planos onde há muitos ventos, enquanto as turbinas verticais funcionam melhor em regiões com fluxos turbulentos que são observados baixos do solo (na parte superior das colinas, cadeias de montanhas).

As principais desvantagens dos moinhos de vento

Ao mesmo tempo, os moinhos de vento têm seus próprios aspectos negativos:

• A magnitude da força do vento é difícil de prever com antecedência, pois muitas vezes muda. Por isso, é aconselhável pensar em uma rede de segurança, fornecendo uma fonte de energia alternativa (painéis solares, conexão elétrica).
• Os dispositivos verticais correm o risco de destruir as pás do rotor devido à ação de forças centrífugas quando as pás giram em torno do eixo principal. Devido a esse efeito, elementos estruturais importantes são deformados e destruídos ao longo do tempo, e o mecanismo falha.
• Os moinhos de vento são melhor instalados no espaço livre, já que edifícios próximos podem "amortecer" o vento, formando uma zona de ar "morto".
• Para economizar o excesso de energia das turbinas eólicas, é necessário prever o uso de baterias e outros dispositivos adicionais no projeto, que são usados ​​para converter a eletricidade gerada em corrente com as características adequadas do consumidor.
• Durante a operação, os geradores eólicos emitem um ruído que pode causar desconforto às pessoas e assustar os animais. As lâminas das instalações também podem causar a morte de pássaros voando até eles.
• Segundo alguns especialistas, as turbinas eólicas podem degradar a recepção de transmissões de rádio e televisão.

Os aspectos negativos também podem incluir o custo bastante alto de tais unidades, no entanto, o baixo custo da fonte de energia elimina amplamente esse fator.

Esquemas e métodos de conexão

Embora a turbina eólica possa funcionar de forma independente, um resultado muito melhor pode ser alcançado com a ajuda de esquemas combinados que fornecem a combinação de um dispositivo eólico com painéis solares, uma rede elétrica centralizada, fontes de energia a diesel ou a gás.

Trabalho offline. Nesse caso, é configurada uma única instalação, com a ajuda da qual a energia eólica é capturada e acumulada, que é então convertida em uma corrente elétrica necessária aos consumidores.

O diagrama mostra a maneira mais simples de usar um gerador eólico, que é aconselhável em regiões onde ventos fortes sopram constantemente.

Combinando um gerador eólico com painéis solares. A opção combinada é considerada uma maneira confiável e eficiente de fornecimento de energia. Na ausência de vento, a bateria funciona painéis solares, e com tempo nublado e durante a noite, o carregamento é proveniente de uma instalação eólica.

Ideal para uma casa ou família particular, localizada longe de uma rede elétrica centralizada. Esse esquema combinado permite o uso de dois tipos de energia renovável.

Operação combinada de gerador eólico e rede. Uma turbina eólica pode ser combinada com comunicações elétricas.

Um padrão semelhante é típico para dispositivos industriais e comerciais. A conexão às comunicações elétricas também é fornecida por alguns modelos de geradores eólicos domésticos.

Com o excesso de eletricidade produzida, entra na rede centralizada e, com sua escassez, é possível usar corrente elétrica do sistema geral de energia.

Nuances do uso de geradores eólicos

Atualmente, turbinas eólicas são usadas em vários setores da economia. Modelos industriais de diferentes capacidades são usados ​​por petróleo e gás, empresas de telecomunicações, estações de perfuração e exploração, instalações de produção e agências governamentais.

O moinho de vento pode ser usado como uma fonte adicional de energia em hospitais e outras instituições para fornecer suprimento contínuo de eletricidade em situações de emergência.

Destaca-se a importância do uso de turbinas eólicas para a rápida recuperação de eletricidade interrompida durante cataclismos e desastres naturais. Para esse fim, os geradores eólicos são freqüentemente usados ​​pelo Ministério de Emergências.

As turbinas eólicas domésticas são perfeitas para organizar a iluminação e o aquecimento de aldeias e casas particulares, bem como para fins domésticos em fazendas.

Nesse caso, alguns pontos devem ser levados em consideração:

• Dispositivos de até 1 kW podem fornecer uma quantidade suficiente de eletricidade apenas em locais com vento. Geralmente, a energia que produzem é suficiente apenas para iluminação e energia de LED para pequenos dispositivos eletrônicos.
• Para fornecer totalmente eletricidade à casa de campo (casa de campo), você precisará de um gerador eólico com capacidade de mais de 1 kW.Esse indicador é suficiente para alimentar a iluminação, assim como um computador e uma TV, mas sua energia não é suficiente para fornecer eletricidade a uma geladeira moderna 24 horas por dia.
• Para fornecer energia à casa, você precisa de um moinho de vento de 3-5 kW, mas mesmo esse número não é suficiente para aquecer as casas. Para usar esse recurso, você precisa de uma opção poderosa, a partir de 10 kW.

Ao escolher um modelo, deve-se observar que o indicador de energia indicado no dispositivo é alcançado apenas na velocidade máxima do vento. Portanto, uma instalação de 300V produzirá a quantidade indicada de energia apenas a uma taxa de fluxo de ar de 10 a 12 m / s.

Para aqueles que desejam construir um gerador eólico com as próprias mãos, oferecemos próximo artigoem que informações úteis são detalhadas.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

O vídeo abaixo fornece informações detalhadas sobre o princípio de operação e o design de um modelo doméstico de um gerador eólico:

Um gerador eólico é uma excelente fonte de produção de energia elétrica, que os moradores de lugares remotos apreciarão especialmente. Várias empresas russas e estrangeiras oferecem uma ampla gama de estruturas eólicas, além disso, modelos domésticos podem ser feitos com suas próprias mãos.

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