Generatorul eolian cinetic: structură, principiu de funcționare, aplicații

Generatorul eolian cinetic modern permite valorificarea forței curenților de aer, transformând-o în electricitate. În acest scop există modele de dispozitive fabricate industrial sau realizate artizanal, utilizate atât în industrie, cât și în gospodăriile private.

Vă vom spune cum sunt structurate turbinele eoliene de acest tip, vă vom familiariza cu particularitățile constructive și variantele de proiectare. Articolul nostru prezintă punctele slabe și forte ale instalației eoliene energetice. Meșterii amatori vor găsi la noi scheme utile și recomandări de asamblare.

Principiul de funcționare al generatorului eolian

La baza funcționării generatorului eolian stă transformarea energiei cinetice a vântului în energie mecanică a rotorului, care apoi este convertită în energie electrică.

Principiul de funcționare este destul de simplu: rotația palelor, fixate pe axul dispozitivului, conduce la mișcări circulare ale rotor-generatorului, datorită cărora se produce enrgie electrică.

Energia eoliană este una dintre cele mai promițătoare ramuri ale enrgiei regenerabile. Construcțiile moderne permit utilizarea eficientă economic a forței curenților de aer, utilizând-o pentru producerea de electricitate.

Curentul alternativ instabil obținut „se scurge” în controler, unde este convertit într-o tensiune continuă, capabilă să încarce bateriile. De acolo, alimentarea ajunge la invertor, unde se transformă într-o tensiune alternativă de 220/380 V, care este furnizată consumatorilor.

Puterea generatorului eolian depinde direct de puterea fluxului de aer (N), fiind calculată după formula N=pSV³/2, unde V – viteza vântului, S – suprafața de lucru, p – densitatea aerului.

Structura generatorului eolian

Diferitele variante de generatoare eoliene diferă semnificativ unele de altele.

În schema prezentată este ilustrată structura internă a generatorului eolian orizontal clasic. Aceste modele sunt cel mai frecvent utilizate atât în industrie, cât și în uzul casnic.

Dispozitivele industriale reprezintă o constucție complexă, de măsuri mari, pentru a cărei instalare este necesar un fundament, în timp ce modelul de uz casnic poate fi format dintr-un minim de componente (un motor electric de curent continuu de 3-12 V, un condesator electrolitic de 1000 µF 6 V, o diodă redresoare din siliciu).

O instalație tipică cuprinde următoarele componente:

• generator de curent alternativ (puterea depinde de viteza curenților de vânt);
• palele care transmitt rotația la arborele generatorului (adesea sunt dotate suplimentar cu reductoare, stabilizatoare ale vitezei de rotație a rotorului);
• catargul turbinei eoliene, de care sunt fixate palele (cu cât aceste elemente sunt mai sus, cu atât mai multă enrgie eoliană pot capta);
• acumulatorii care înmagazinează enrgia, ceea ce permite utilizarea acesteia în cazul unui flux de vânt redus sau al absenței totale a acestuia. Bateria îndeplinește și funcția de stabilizare a enrgiei electrice provenite de la generator;
• controlerul – convertzorul tensiunii alternative, obținute de la generator, în tensiune continuă, fiind utilizată pentru încărcarea bateriei. Controlul controlerului se realizează prin rotirea palelor, ceea ce permite luarea în considerare a direcției de deplasare a curenților de aer;
• ATS – dispozitivul de comutare automată, care conectează generatorul eolian la alte surse de enrgie (panouri solare, rețeaua electrică);
• senzorul de direcție a vântului – un dispozitiv care ușurează palele în căutarea fluxului de vânt;
• invertorul pentru transformarea curentului continuu din acuumulatoare în tensiune alternativă, utilizată în instalațiile electrice.

Pentru a satisface mai pe deplin nevoile utilizatorilor, aparatul poate fi echipat cu diferite tipuri de invertoare:

• dispozitive cu invertor cu undă sinusoidală modificată, care produce o undă sinusoidală pătrată. Dispozitivele de acest tip sunt potrivite pentru elemente de încălzire, becuri incandescente și alte aparate care nu sunt pretențioase la calitatea rețelei;
• invertoare de tensiune trifazată, proiectate pentru rețele electrice trifazate;
• instalații cu undă sinusoidală pură, care produc energie pentru echipamente mai sensibile;
• invertoare de rețea, capabile să funcționeze fără baterii. Astfel de dispozitive sunt destinate schemelor care implică injectarea energiei electrice direct în rețeaua comună.

Atunci când alegeți modelele, trebuie să acordați în mod obligatoriu atenție tipului de invertor.

Tipuri de generatoare eoliene

La clasificarea turbinelor eoliene se pot lua în considerare caracteristici precum:

• destinația;
• particularitățile de construcție;
• numărul de pale;
• materialele din care sunt fabricate;
• axa de rotație;
• pasul elicei.

Să analizăm în detaliu cele două clasificări cel mai frecvent utilizate.

Clasificarea generatoarelor eoliene după destinație

Se disting varietăți de instalații eoliene care diferă prin destinație. De aceasta depind și caracteristicile principale ale dispozitivelor, de exemplu, puterea.

Turbine eoliene industriale

Astfel de dispozitive sunt instalate de companii energetice mari sau de stat pentru alimentarea cu energie electrică a obiectivelor industriale. Turbinele cu o putere de zeci de megawați sunt amplasate de obicei pe amplasamente eoliene (înălțimi deschise, litoraluri).

Parcurile eoliene, unde sunt instalate zeci de turbine eoliene, se amenajează nu numai pe uscat, ci și în ape puțin adânci. Electricitatea obținută este de obicei utilizată în scopuri industriale.

Energia electrică produsă, de regulă, intră direct în rețea, iar pentru stabilitate și reglarea frecvenței de rotație a palelor, turbinele eoliene sunt echipate cu mecanisme suplimentare.

Generatoare eoliene comerciale

Astfel de instalații sunt utilizate pentru a produce energie electrică pentru vânzare sau pentru a asigura cu electricitate unitățile de producție din regiunile cu o rețea electrică de putere redusă (sau cu lipsa totală a acesteia). Astfel de centrale eoliene constau dintr-un grup de generatoare electrice care pot avea puteri diferite.

Energia instalațiilor comerciale poate intra direct în comunicațiile electrice sau poate fi utilizată pentru încărcarea unui număr mare de baterii, unde este acumulată și transformată pentru a fi furnizată în sistemul energetic.

Dispozitive eoliene casnice

Agregatele de putere mică sunt utilizate pentru uz privat. Conform regulilor, turbinele eoliene cu catarge mai mici de 25 de metri pot fi instalate de proprietarii terenurilor fără acordul autorităților, iar pentru catarge mai înalte este necesară o autorizație specială.

Turbine eoliene de putere mică și medie pot servi ca sursă de energie electrică pentru vile, case de vacanță, case de la țară și ferme agricole.

Generatoare eoliene de uz casnic sunt potrivite pentru încărcarea acumulatoarelor cu tensiunea de 12/24/48V, energia din care este transformată în tensiune de 220 Volți. Astfel de dispozitive permit rezolvarea totală sau parțială a problemei alimentării cu energie electrică a obiectelor mici, care se află departe de rețeaua electrică centralizată.

Cu criteriile de selecție a unui generator eolian pentru alimentarea cu energie a unei case private vă va familiariza articolul, dedicat acestei întrebări interesante.

Variante constructive ale turbinelor eoliene

Din punct de vedere al caracteristicilor constructive, dispozitivele pot fi, de asemenea, împărțite într-o serie de categorii, deși toate varietățile se reduc la două tipuri principale: verticale și orizontale.

Generatoare eoliene orizontale clasice

Astfel de instalații (numite și elicoidale sau cu palete) au de obicei 3-5 pale, montate pe un ax orizontal. Rotindu-se cu viteză mare, aceste elemente permit obținerea unei cantități maxime de energie (coeficient de utilizare a energiei eoliene până la 0,4).

În același timp, cantitatea de energie electrică produsă depinde în mare măsură de înălțimea dispozitivului (cu cât este mai înalt, cu atât rezultatul este mai mare).

Generatorul eolian orizontal utilizează forța de sustentație care apare atunci când presiunea crește în punctul unde fluxul de aer direct trece prin pale, reflectându-se de aceste elemente.

Astfel de dispozitive sunt de obicei instalate în parcuri eoliene, unde se produce energie pentru uz industrial și comercial, însă sunt potrivite și pentru uz casnic.

O soluție interesantă pentru o turbină eoliană orizontală este modelul cu o singură pală, ale cărui particularități vor fi prezentate în următoarea selecție de fotografii:

Turbine eoliene verticale

Elementul activ al acestor instalații este roata eoliană rotativă. Datorită particularităților constructive, astfel de construcții se diferențiază pe tipuri («Butoi», «Savonius»).

Cu principiul de funcționare al turbinei generatorului vertical Savonius vă va familiariza următoarea colecție de fotografii:

În ciuda indicelui scăzut al KIEV (0.1-0.2), acestea au o aplicare destul de largă: instalațiile verticale funcționează pe fluxuri turbulente de aer, datorită cărora pot fi amplasate chiar și în zonele unde rareori bat vânturi puternice.

Funcționarea generatoarelor eoliene verticale nu depinde de direcția vânturilor. Sunt simple în montare și exploatare, iar astfel de dispozitive pot fi amplasate aproape de sol.

Pentru creșterea eficienței morilor de vânt verticale, producătorii le măresc adesea parametrii dimensionali, ceea ce duce la o creștere semnificativă a costurilor. Deoarece astfel de instalații sunt destul de fragile, ele necesită o protecție sporită împotriva uraganelor și a altor fenomene naturale.

Generatoare eoliene «Rotor Darrieus»

Aceste dispozitive aparțin categoriei turbinelor eoliene verticale, dar au diferențe distincte în construcție. Datorită acestor particularități, se obține o reducere a zgomotului, precum și o creștere a coeficientului de utilizare a energiei eoliene, care se apropie de valorile modelelor orizontale.

Propulsată în 1931 de constructorul aeronautic francez Georges Darrieus, turbina de joasă presiune cu ax de rotație perpendicular pe mediul aerian a găsit o largă aplicare în energia eoliană.

Dezavantajul unor astfel de construcții este momentul de pornire scăzut (din cauza prezenței a doar două palete, dispozitivul pornește greu singur). Pentru a rezolva problema, se folosește adesea hibridul «Savonius+Darrieus».

Instalații eoliene cu vele

Pentru astfel de instalații se poate aplica principiul de funcționare atât al turbinelor verticale, cât și al celor orizontale. Caracteristica principală de construcție este roata eoliană acoperită cu multiple palete sau vele, iar profilul aerodinamic lipsește la astfel de modele.

Există numeroase modele de generatoare eoliene cu vele, care diferă prin numărul de palete, greutate, putere. Toți acești parametri trebuie luați în considerare atunci când alegeți un dispozitiv.

Deși instalațiile cu vele se caracterizează prin viteză mică și eficiență redusă, ele sunt adesea utilizate în economia națională. Astfel de construcții sunt ușor de montat și exploatat, iar combinația dintre un cuplu ridicat și turații mici permite acționarea directă a diverselor mecanisme utile, de exemplu, o pompă pentru evacuarea apei.

Cu unul dintre modelele practice de turbine eoliene cu vele realizate în practică, următoarea galerie vă va familiariza:

Generatorul pentru turbina eoliană

Pentru funcționarea turbinelor eoliene sunt necesare generatoare trifazate obișnuite. Construcția acestor dispozitive este similară modelelor utilizate la automobile, dar are parametri mai mari.

În dispozitivele pentru turbine eoliene este prevăzută o înfășurare trifazată a statorului (conexiune de tip „stea”), de unde ies trei fire care merg la controler, unde are loc transformarea tensiunii alternative în tensiune continuă.

Rotorul generatorului pentru turbina eoliană este fabricat cu magneți de neodim: în astfel de construcții nu este oportun să se utilizeze excitația electrică, deoarece bobina consumă multă energie.

Pentru creșterea turațiilor, se folosește adesea un multiplicator. Un astfel de dispozitiv permite mărirea puterii generatorului existent sau utilizarea unui dispozitiv mai mic, ceea ce reduce costul instalației.

Multiplicatoarele sunt utilizate mai des în generatoarele eoliene verticale, la care procesul de rotație a rotorului eolian are loc mai lent. Pentru dispozitivele orizontale cu viteză mare de rotație a palelor, multiplicatoarele nu sunt necesare, ceea ce simplifică și ieftinește construcția.

Specificul asamblării și montajului generatorului eolian dintr-o mașină de spălat și al instalației eoliene dintr-un generator auto este detaliat în articolele recomandate de noi.

Avantajele și dezavantajele generatorului eolian

Să examinăm în detaliu avantajele și dezavantajele turbinelor eoliene, deoarece de acestea depinde decizia de a achiziționa o turbină eoliană sau de a renunța la ea.

Avantajele dispozitivelor eoliene

Printre avantajele dispozitivelor care utilizează energia eoliană se numără:

• Ecologicitate. Instalațiile utilizează o sursă de energie regenerabilă, care poate fi folosită în mod constant, fără a dăuna mediului înconjurător. Electricitatea produsă de generatoarele eoliene înlocuiește energia centralelor termice, reducând emisiile de gaze cu efect de seră.
• Universalitate. Centralele eoliene pot fi construite aproape oriunde: pe câmpii, în munți, pe câmpuri, pe insule și chiar în ape puțin adânci. Energia eoliană este deosebit de apreciată în locuri îndepărtate, unde este dificil să se extindă comunicațiile electrice obișnuite. Generatoarele eoliene în acest caz permit stabilirea alimentării cu energie a obiectelor, asigurându-i independența față de factori aleatori (de exemplu, de combustibilul livrat cu întârziere).
• Eficiență de utilizare. Modelele moderne procesează energia chiar și a vânturilor slabe – limita minimă este de 3,5 m/s. În acest mod, se poate produce livrarea suplimentară de energie electrică în rețeaua centralizată, precum și organiza alimentarea cu energie a obiectelor individuale (insulare sau locale), indiferent de puterea acestora.
• O alternativă demnă de sursele tradiționale. Centralele eoliene staționare pot asigura complet cu electricitate o casă de locuit sau chiar un obiect de producție mic. În acest caz, turbina va acumula în baterii rezerva necesară de energie electrică, destinată utilizării în perioadele fără vânt.
• Economicitate. În comparație cu sursele tradiționale de energie electrică (gaz, turbă, cărbune de piatră, petrol), turbinele eoliene permit reducerea semnificativă a costurilor energetice. În multe cazuri, construcția unei centrale eoliene este mai ieftină decât conectarea la sistemele energetice existente.

Utilizarea turbinelor eoliene poate reprezenta o alternativă la utilizarea generatoarelor diesel costisitoare, reducând suplimentar costurile de transport și stocare a combustibilului cu până la 80%.

Puterea medie a unei turbine eoliene diferă semnificativ de valoarea sarcinii de vârf. Generatorul eolian răspunde doar de cantitatea de energie produsă într-un interval de timp dat, la viteza medie lunară a vântului caracteristică respectivei zone.

Pentru o evaluare mai precisă a resurselor eoliene, se pot utiliza date special derivate (parametrii Weibull). Acești indicatori reflectă distribuția vânturilor de diferite intensități specifică unei anumite zone. Este important să se țină cont de astfel de informații atunci când se elaborează proiecte de parcuri eoliene, a căror putere este de zeci de MW.

Puterea produsă de o turbină eoliană este proporțională cu triplul vitezei vântului. Prin urmare, acest indicator este foarte mic la curenți de vânt slabi, dar crește brusc atunci când aceștia se intensifică. Din cauza variabilității direcției vânturilor și a vitezei lor, la construcția unei turbine eoliene trebuie prevăzute componente de stabilizare.

Regulile și formulele pentru calcularea puterii unui generator eolian sunt prezentate aici, vă recomandăm să consultați informațiile foarte utile.

În sistemele autonome mici, această funcție este îndeplinită de baterii, a căror încărcare începe să crească de îndată ce puterea generatorului eolian depășește valoarea sarcinii.

La creșterea sarcinii, bateria se poate descărca. Această caracteristică de funcționare este important de luat în considerare la alegerea unui aparat casnic; puterea acestuia trebuie să corespundă normei lunare sau anuale de consum de energie electrică.

De remarcat că eficiența utilizării curenților de vânt este favorizată de diversitatea construcțiilor generatoarelor eoliene.

Turbinele orizontale oferă performanțe ridicate în zonele plane unde sunt multe vânturi, în timp ce turbinele verticale funcționează mai bine în regiunile cu curenți turbulenți observați la înălțime mică deasupra solului (în partea superioară a dealurilor, a lanțurilor muntoase).

Principalele dezavantaje ale turbinelor eoliene

În același timp, turbinele eoliene au și aspecte negative:

• Este dificil de prezis din timp magnitudinea forței vântului, deoarece aceasta se schimbă frecvent. Din acest motiv, este recomandabil să se planifice o rezervă, prevăzând o sursă de energie de rezervă (panouri solare, conexiune la rețeaua electrică).
• Dispozitivele verticale sunt expuse riscului de distrugere a palelor elicei din cauza forțelor centrifuge în timpul rotirii palelor în jurul axei principale. Ca urmare a acestui efect, elementele importante ale construcției se deformează și se distrug în timp, iar mecanismul se defectează.
• Turbinele eoliene se instalează mai bine pe un spațiu deschis, deoarece clădirile din apropiere pot «atenua» vântul, formând o zonă de aer «moartă».
• Pentru a stoca energia excedentară a turbinelor eoliene, este necesar să se prevadă în construcție utilizarea acumulatorilor și a altor dispozitive suplimentare, care servesc la transformarea electricității obținute în curent cu caracteristici adecvate pentru consumatori.
• În timpul funcționării, generatoarele eoliene produc zgomot care poate provoca disconfort persoanelor și poate speria animalele. Palele instalațiilor pot, de asemenea, cauza moartea păsărilor care se apropie de ele.
• Potrivit unor specialiști, turbinele eoliene pot afecta recepția emisiunilor radio și televizate.

Printre aspectele negative se poate menționa și costul destul de ridicat al acestor agregate, însă ieftinitatea sursei de energie compensează în mare măsură acest factor.

Scheme și moduri de conectare

Deși instalația eoliană poate funcționa și autonom, un rezultat semnificativ mai bun poate fi atins cu ajutorul schemelor combinate, care prevăd combinarea dispozitivului eolian cu panouri solare, rețeaua electrică centralizată, surse diesel sau pe gaz.

Funcționare autonomă. În acest caz, se instalează o unitate unică, cu ajutorul căreia se captează și se stochează energia eoliană, care apoi este transformată în curent electric necesar consumatorilor.

În schemă este demonstrată cea mai simplă modalitate de utilizare a unui generator eolian, care este recomandată a fi folosită în regiunile unde bat constant vânturi puternice.

Combinarea generatorului eolian cu panouri solare. Varianta combinată este considerată o metodă fiabilă și eficientă de alimentare cu energie electrică. În lipsa vântului, acumulatorul funcționează de la panourile solare, iar pe vreme înnorată și pe timpul nopții, încărcarea are loc de la instalația eoliană.

O variantă ideală pentru o casă privată sau o gospodărie situată departe de rețeaua electrică centralizată. O astfel de schemă combinată permite utilizarea a două tipuri de energie regenerabilă.

Funcționarea combinată a generatorului eolian și a rețelei electrice. Turbina eoliană poate fi combinată cu rețelele electrice.

O astfel de schemă este tipică pentru dispozitivele industriale și comerciale. Conectarea la rețelele electrice este prevăzută și de unele modele de generatoare eoliene de uz casnic.

În caz de exces de energie electrică produsă, aceasta este trimisă în rețeaua centralizată, iar la deficit, există posibilitatea de a utiliza curent electric din sistemul energetic general.

Nuanțe ale utilizării generatoarelor eoliene

În prezent, turbinele eoliene sunt utilizate în diverse domenii ale economiei naționale. Modele industriale de diferite puteri sunt folosite de companii din sectorul petrolier și gazier, de telecomunicații, de stații de foraj și explorare geologică, de unități de producție și de instituții guvernamentale.

Un generator eolian poate fi utilizat ca sursă suplimentară de energie în spitale și alte instituții, pentru a asigura alimentarea continuă cu electricitate în situații de urgență

Trebuie subliniată în mod deosebit importanța utilizării instalațiilor eoliene pentru restabilirea operativă a curentului electric întrerupt în urma cataclismelor și dezastrelor naturale. În acest scop, generatoarele eoliene sunt adesea folosite de unitățile de intervenție în situații de urgență.

Turbinele eoliene de uz casnic sunt perfect potrivite pentru organizarea iluminatului și încălzirii în ansambluri de vile și case particulare, precum și pentru scopuri gospodărești în ferme.

În acest sens, trebuie să țineți cont de câteva aspecte:

• Dispozitivele de până la 1 kW pot furniza o cantitate suficientă de energie electrică doar în zonele cu vânt. De obicei, energia produsă de acestea este suficientă doar pentru iluminatul cu LED-uri și alimentarea aparatelor electronice mici.
• Pentru a asigura complet cu electricitate o dacie (o casă de la țară), veți avea nevoie de un generator eolian cu o putere de peste 1 kW. Acest nivel este suficient pentru alimentarea corpurilor de iluminat, precum și a unui calculator și a unui televizor, însă puterea sa nu este suficientă pentru a alimenta un frigider modern care funcționează non-stop.
• Pentru alimentarea cu energie a unei vile, veți avea nevoie de un generator eolian cu o putere de 3-5 kW, însă nici măcar acest nivel nu va fi suficient pentru încălzirea casei. Pentru a beneficia de o astfel de funcție, este necesară o variantă puternică, începând de la 10 kW.

La alegerea unui model, trebuie să țineți cont de faptul că puterea indicată pe dispozitiv este atinsă doar la viteza maximă a vântului. Astfel, o instalație de 300 V va produce cantitatea de energie menționată doar la o viteză a curenților de aer de 10-12 m/s.

Celor care doresc să construiască un generator eolian cu propriile mâini, le propunem următorul articol, în care este prezentată în detaliu informația utilă.

Concluzii și material video util pe această temă

În videoclipul de mai jos sunt oferite informații detaliate despre principiul de funcționare și structura unui model casnic de generator eolian:

Generatorul eolian este o sursă excelentă de producere a energiei electrice, care va fi apreciată în special de locuitorii zonelor izolate. Diverse întreprinderi rusești și străine oferă o gamă largă de construcții eoliene, iar modelele de uz casnic pot fi realizate și cu propriile mâini.

Vă rugăm să scrieți comentarii în blocul de mai jos. Povestiți-ne cum ați construit un generator eolian pe terenul dumneavoastră sau cum funcționează un generator eolian la vecinii dumneavoastră. Puneți întrebări, împărtășiți informații utile și fotografii pe această temă.