Gerador eólico cinético: dispositivo, princípio de funcionamento, aplicação

Um moderno gerador eólico cinético permite aproveitar a potência das correntes de ar, convertendo-a em eletricidade.Para isso, existem modelos de aparelhos de fabricação própria e de fabricação caseira, utilizados tanto na indústria quanto no domicílio.

Diremos como as turbinas eólicas desse tipo são projetadas e apresentaremos os recursos do dispositivo e as opções de design. O artigo que propomos mostra os pontos fortes e fracos de uma usina eólica. Os que fazem você mesmo encontrarão diagramas úteis e recomendações de montagem aqui.

Princípio de funcionamento do gerador eólico

O funcionamento de um gerador eólico baseia-se na transformação da energia cinética do vento em energia mecânica do rotor, que é então convertida em eletricidade.

O princípio de funcionamento é bastante simples: a rotação das pás fixadas ao eixo do dispositivo provoca movimentos circulares do rotor gerador, gerando eletricidade.

A energia eólica é um dos setores mais promissores das energias renováveis. Projetos modernos permitem aproveitar de maneira econômica a potência das correntes de ar, utilizando-as para gerar eletricidade

A corrente alternada instável resultante “drena” para o controlador, onde é convertida em tensão contínua que pode carregar as baterias. A partir daí, a energia é fornecida ao inversor, onde é transformada em tensão alternada com indicador de 220/380 V, que é fornecida aos consumidores.

A potência de um gerador eólico depende diretamente da potência do fluxo de ar (N), calculada pela 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 eólico

Várias versões de geradores eólicos diferem significativamente umas das outras.

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

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

Uma instalação típica inclui os seguintes componentes:

• gerador de corrente alternada (a potência depende da velocidade dos fluxos de vento);
• pás que transmitem rotação ao eixo do gerador (muitas vezes são equipadas adicionalmente com caixas de engrenagens e estabilizadores de velocidade do rotor);
• o mastro do moinho de vento ao qual estão fixadas as pás (quanto mais altos estes elementos, mais energia eólica podem receber);
• baterias que armazenam energia, permitindo que ela seja utilizada quando há pouco ou nenhum fluxo de vento. A bateria também desempenha a função de estabilizar a energia elétrica fornecida pelo gerador;
• controlador - conversor da tensão alternada recebida do gerador em tensão contínua, que é utilizada para carregar a bateria. O controlador é controlado girando as pás, o que permite levar em consideração para onde se movem os fluxos de ar;
• AVR é ​​um dispositivo de comutação automática que conecta o gerador eólico a outras fontes de energia (painéis solares, rede elétrica);
• sensor de direção do vento - dispositivo que facilita a localização do fluxo do vento pelas pás;
• um inversor para converter corrente contínua de baterias em tensão alternada, que é usada em comunicações elétricas.

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

• dispositivos com uma onda senoidal modificada por inversor que produz uma onda senoidal quadrada. Dispositivos deste tipo são adequados para elementos de aquecimento, lâmpadas incandescentes e outros dispositivos que não exigem qualidade de rede;
• inversores de tensão trifásicos concebidos para redes elétricas trifásicas;
• unidades de onda senoidal pura que produzem energia para equipamentos mais sensíveis;
• inversores de rede que podem operar sem baterias. Tais dispositivos são projetados para circuitos que envolvem energia elétrica entrando diretamente na rede geral.

Ao escolher os modelos, preste atenção ao tipo de inversor.

Tipos de geradores eólicos

Ao classificar as turbinas eólicas, as seguintes características podem ser levadas em consideração:

• encontro;
• características de design;
• número de lâminas;
• os materiais de que são feitos;
• eixo de rotação;
• passo da hélice.

Vamos dar uma olhada mais de perto nas duas classificações mais comumente usadas.

Classificação de geradores eólicos por finalidade

Existem tipos de turbinas eólicas que diferem em finalidade. As principais características dos dispositivos, por exemplo, potência, dependem disso.

Turbinas eólicas industriais

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

Os parques eólicos, onde estão instaladas dezenas de turbinas eólicas, estão localizados não apenas em terra, mas também em águas rasas. A eletricidade resultante é geralmente usada para fins industriais

A eletricidade gerada, via de regra, vai diretamente para a rede, enquanto para estabilidade e regulação da velocidade de rotação das pás, os aerogeradores são equipados com mecanismos adicionais.

Geradores Eólicos Comerciais

Essas instalações são utilizadas para gerar eletricidade para venda ou para fornecer eletricidade à produção em regiões com uma rede elétrica de baixa potência (ou sem rede elétrica). Essas usinas eólicas consistem em um conjunto de geradores elétricos, que podem ter diferentes capacidades.

A energia proveniente de instalações comerciais pode ser alimentada diretamente nas concessionárias de energia elétrica ou usada para carregar uma grande variedade de baterias, onde é armazenada e convertida para alimentar a rede.

Dispositivos eólicos domésticos

Unidades de baixa potência são usadas para uso privado. De acordo com as regras, turbinas eólicas com mastros inferiores a 25 metros de altura podem ser instaladas pelos proprietários de terrenos sem aprovação das autoridades; para mastros mais altos, deve ser obtida autorização especial.

Moinhos eólicos de baixa e média potência podem servir como fonte de energia elétrica para chalés, dachas, casas de campo e fazendas

Os geradores eólicos domésticos são adequados para carregar baterias com tensão de 12/24/48V, cuja energia é transformada em tensão de 220 Volts.Tais dispositivos permitem resolver total ou parcialmente o problema de fornecimento de energia a pequenos objetos localizados longe da rede elétrica centralizada.

Com orientações para a escolha de um gerador eólico para fornecer energia a uma residência particular Leia o artigodedicado a esta questão interessante.

Tipos de projetos de turbinas eólicas

Com base em suas características de design, os dispositivos também podem ser divididos em várias categorias, embora todas as variedades se reduzam a dois tipos principais: vertical e horizontais.

Turbinas eólicas horizontais clássicas

Essas instalações (também chamadas de hélice ou asa) geralmente possuem de 3 a 5 pás montadas em um eixo horizontal. Girando em alta velocidade, tais 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 mais alto, maior será o resultado).

Uma turbina eólica horizontal utiliza sustentação, que ocorre quando a pressão aumenta no ponto onde o fluxo direto de ar passa pelas pás e é refletido por esses elementos.

Estes dispositivos são normalmente 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 pá; a seguinte seleção de fotos irá familiarizá-lo com suas características:

Turbinas eólicas verticais

O elemento operacional de tais instalações é uma roda eólica giratória. Devido às suas características de design, tais estruturas diferem por tipo (“Barrel”, “Savonius”).

A seleção de fotos a seguir apresentará o princípio da turbina geradora vertical Savonius:

Apesar do baixo índice KIEV (0,1-0,2), eles são amplamente utilizados: as instalações verticais operam em fluxos de ar turbulentos, portanto podem ser colocadas mesmo em áreas onde raramente sopram ventos fortes.

A operação dos geradores eólicos verticais não depende da direção dos ventos. Eles são fáceis de instalar e operar, e tais dispositivos podem ser instalados próximos ao solo

Para melhorar a eficiência das turbinas eólicas verticais, os fabricantes muitas vezes aumentam os seus parâmetros dimensionais, o que leva a um aumento significativo no custo. Como tais instalações são bastante frágeis, requerem maior proteção contra furacões e outros fenômenos naturais.

Geradores eólicos "Rotor Daria"

Tais dispositivos pertencem à categoria de turbinas eólicas verticais, mas apresentam diferenças pronunciadas no design. Graças a esses recursos, a redução de ruído é alcançada e o KIEV também aumenta, o que se aproxima do desempenho dos modelos horizontais.

Uma turbina de baixa pressão com eixo de rotação perpendicular ao ar, proposta em 1931 pelo projetista de aeronaves francês Georges Darrieus, encontrou ampla aplicação na energia eólica.

A desvantagem de tais projetos é o baixo torque de partida (devido à presença de apenas duas pás, é difícil para o dispositivo dar partida sozinho). Para resolver o problema, o híbrido “Savonius + Darier” é frequentemente usado.

Instalações eólicas à vela

Para tais instalações, pode ser utilizado o princípio de construção de turbinas eólicas verticais e horizontais. A principal característica do projeto é uma roda eólica coberta por muitas pás ou velas, embora tais modelos não possuam perfil aerodinâmico.

Existem muitos modelos de geradores eólicos à vela, que diferem no número de pás, peso e potência. Todos esses parâmetros devem ser levados em consideração na escolha de um dispositivo

Apesar de as instalações à vela se caracterizarem pela baixa velocidade e baixa eficiência, são frequentemente utilizadas na economia nacional.Esses projetos são fáceis de instalar e operar, e a combinação de alto torque e baixa velocidade permite acionar diretamente vários mecanismos úteis, por exemplo, uma bomba para bombear água.

A galeria a seguir apresentará um dos modelos de turbinas eólicas à vela implementados na prática:

Gerador para turbina eólica

As turbinas eólicas requerem geradores trifásicos convencionais para operar. O design de tais dispositivos é semelhante aos modelos usados ​​​​em automóveis, mas possui parâmetros maiores.

Os instrumentos das turbinas eólicas possuem um enrolamento do estator trifásico (conexão estrela), de onde saem três fios e vão até o controlador, onde a tensão alternada é convertida em tensão contínua.

O rotor do gerador de uma turbina eólica é feito de ímãs de neodímio: nesses projetos é inadequado o uso de excitação elétrica, pois a bobina consome muita energia

Um multiplicador é frequentemente usado para aumentar o faturamento.Este dispositivo permite aumentar a potência do gerador existente ou utilizar um dispositivo menor, o que reduz o custo de instalação.

Os multiplicadores são mais utilizados em geradores eólicos verticais, nos quais o processo de rotação da roda eólica é mais lento. Para dispositivos horizontais com altas velocidades de rotação das lâminas, não são necessários multiplicadores, o que simplifica e reduz o custo do projeto.

Especificações de montagem e instalação de gerador eólico da máquina de lavar e turbinas eólicas de um gerador de carro é descrito em detalhes nos artigos que recomendamos.

Prós e contras de um gerador eólico

Consideremos detalhadamente as vantagens e desvantagens dos aerogeradores, pois deles depende a decisão de adquirir um aerogerador ou abandoná-lo.

Vantagens dos dispositivos eólicos

As vantagens dos dispositivos que utilizam energia eólica incluem:

• Amizade ambiental. As instalações utilizam uma fonte de energia renovável que pode ser utilizada continuamente sem causar danos ao meio ambiente. A eletricidade gerada por geradores eólicos substitui a energia das usinas termelétricas, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa.
• Versatilidade. As centrais eólicas podem ser construídas em quase todo o lado: nas planícies, nas montanhas, nos campos, nas ilhas e até em águas pouco profundas. A energia eólica é especialmente valiosa em locais remotos onde é difícil estender as comunicações elétricas convencionais. Os geradores eólicos, neste caso, permitem estabelecer o fornecimento de energia aos objetos, garantindo a sua independência de fatores aleatórios (por exemplo, combustível não entregue no prazo).
• Eficiência de uso. Os modelos modernos processam a energia mesmo de ventos fracos - o limite mínimo é de 3,5 m/s.Desta forma, é possível fornecer eletricidade adicional à rede centralizada, bem como organizar o fornecimento de energia a objetos individuais (ilha ou local) independentemente da sua potência.
• Uma alternativa válida às fontes tradicionais. Usinas eólicas estacionárias podem fornecer eletricidade totalmente para um edifício residencial ou até mesmo para uma pequena instalação industrial. Neste caso, a turbina acumulará o fornecimento de energia elétrica necessário em baterias, destinadas ao uso em períodos de calmaria.
• Econômico. Em comparação com as 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 conectá-lo aos sistemas de energia existentes.

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

A potência média de uma turbina eólica difere várias vezes da carga de pico. Um gerador eólico é responsável apenas pela quantidade de energia produzida durante um determinado período de tempo na velocidade média mensal do vento característica de uma determinada área.

Para uma avaliação mais precisa dos recursos eólicos, dados especialmente derivados (parâmetros Weibull) podem ser usados. Esses indicadores refletem a distribuição de ventos de diferentes intensidades característicos de uma determinada área. É importante levar essas informações em consideração no desenvolvimento de projetos de parques eólicos com capacidade de dezenas de MW.

A potência gerada por uma turbina eólica é proporcional ao triplo da velocidade do vento.Consequentemente, este indicador é muito pequeno quando os fluxos de vento são fracos, mas quando se intensificam aumenta acentuadamente. Devido à variabilidade da direção e velocidade do vento, componentes estabilizadores devem ser incluídos no projeto de uma turbina eólica.

Regras e fórmulas para calcular a potência de um gerador eólico são dados aqui, recomendamos que você se familiarize com informações muito úteis.

Em pequenos sistemas autônomos, sua função é desempenhada por baterias, cuja carga começa a aumentar assim que a potência do gerador eólico ultrapassa a carga.

À medida que a carga aumenta, a bateria pode descarregar. É importante ter esta característica em conta na escolha de um agregado familiar; a sua potência deve corresponder à taxa de consumo mensal ou anual de electricidade.

Deve-se notar que o uso eficaz dos fluxos de vento é facilitado por uma variedade de projetos de geradores eólicos.

As turbinas horizontais funcionam bem em áreas planas onde há muito vento, enquanto as turbinas verticais funcionam melhor em regiões com fluxos turbulentos encontrados perto do solo (colinas superiores, cadeias de montanhas).

As principais desvantagens das turbinas eólicas

Ao mesmo tempo, as turbinas eólicas também têm seus lados negativos:

• A magnitude da força do vento é difícil de prever com antecedência, pois muda frequentemente. Por isso, é aconselhável considerar uma rede de segurança disponibilizando uma fonte de energia de reserva (painéis solares, ligação à rede elétrica).
• Dispositivos verticais correm o risco de destruição das pás da hélice devido aos efeitos das forças centrífugas quando as pás giram em torno do eixo principal. Como resultado deste efeito, elementos estruturais importantes tornam-se deformados e destruídos ao longo do tempo, e o mecanismo falha.
• É melhor instalar turbinas eólicas em espaço livre, pois edifícios próximos podem “amortecer” o vento, formando uma zona de ar “morto”.
• Para economizar o excesso de energia dos aerogeradores, é necessário incluir no projeto o uso de baterias e outros dispositivos adicionais que sirvam para converter a eletricidade gerada em corrente com características de consumo adequadas.
• Durante a operação, os geradores eólicos produzem ruídos que podem causar desconforto às pessoas e afugentar os animais. As pás das instalações também podem causar a morte de aves que voam em sua direção.
• 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 elevado de tais unidades, no entanto, o baixo custo da fonte de energia compensa largamente este factor.

Diagramas e métodos de conexão

Embora uma turbina eólica possa funcionar de forma autónoma, resultados muito melhores podem ser alcançados utilizando esquemas combinados que combinam uma turbina eólica com painéis solares, uma rede eléctrica centralizada, fontes de energia diesel ou gás.

Operação autônoma. Neste caso, é instalada uma única instalação, com a qual é captada e acumulada a energia eólica, que é posteriormente convertida na corrente elétrica necessária aos consumidores.

O diagrama mostra a forma mais simples de utilização de um gerador eólico, aconselhável para uso em regiões onde sopram ventos fortes constantemente

Combinando um gerador eólico com painéis solares. A opção combinada é considerada um método confiável e eficiente de fornecimento de energia. Se não houver vento, a bateria funciona painéis solares, e em tempo nublado e durante a noite, o carregamento ocorre a partir de uma turbina eólica.

Uma opção ideal para uma casa particular ou fazenda localizada longe de uma rede elétrica centralizada. Este esquema combinado permite a utilização de dois tipos de energia renovável

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

Este arranjo é típico para dispositivos industriais e comerciais. A conexão às comunicações elétricas também é fornecida para alguns modelos de geradores eólicos domésticos

Se houver excesso de energia elétrica produzida, ela vai para a rede centralizada, e se houver escassez, é possível utilizar corrente elétrica do sistema geral de energia.

Nuances do uso de geradores eólicos

Atualmente, os aerogeradores são utilizados em diversos setores da economia nacional. Modelos industriais de capacidades variadas são utilizados por empresas de petróleo e gás, empresas de telecomunicações, estações de perfuração e exploração geológica, instalações de produção e agências governamentais.

A turbina eólica pode ser usada como fonte adicional de energia em hospitais e outras instituições para garantir o fornecimento contínuo de energia em situações de emergência

Particularmente digna de nota é a importância do uso de turbinas eólicas para a pronta restauração da eletricidade danificada durante cataclismos e desastres naturais. Para tanto, geradores eólicos são frequentemente utilizados por unidades do Ministério de Situações de Emergência.

As turbinas eólicas domésticas são perfeitas para organizar iluminação e aquecimento em comunidades rurais e casas particulares, bem como para fins econômicos em fazendas.

Existem alguns pontos a serem considerados:

• Dispositivos de até 1 kW podem fornecer eletricidade suficiente apenas em locais com muito vento.Normalmente, a energia que geram é suficiente apenas para alimentar a iluminação LED e alimentar pequenos dispositivos eletrônicos.
• Para fornecer eletricidade totalmente a uma dacha (casa de campo), você precisará de um gerador eólico com potência superior a 1 kW. Esse indicador é suficiente para alimentar luminárias, além de um computador e uma TV, mas sua potência não é suficiente para fornecer energia elétrica a uma geladeira moderna que funciona 24 horas por dia.
• Para fornecer energia a uma casa de campo, será necessária uma turbina eólica com capacidade de 3 a 5 kW, mas mesmo esse valor não será suficiente para aquecer as casas. Para usar esta função, você precisa de uma opção poderosa, a partir de 10 kW.

Ao escolher um modelo, deve-se levar em consideração que o indicador de potência indicado no aparelho é alcançado apenas na velocidade máxima do vento. Assim, uma instalação de 300 V produzirá a quantidade especificada de energia apenas a uma velocidade de fluxo de ar de 10-12 m/s.

Para quem deseja construir um gerador eólico com as próprias mãos, oferecemos próximo artigo, que fornece informações úteis em detalhes.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

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

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

Por favor, escreva comentários no bloco abaixo. Conte-nos como você construiu um gerador eólico em sua propriedade ou como funciona a turbina eólica de seus vizinhos.Tire dúvidas, compartilhe informações úteis e fotos sobre o tema.