Generador eólico cinético: estructura, principio de funcionamiento, aplicaciones
El moderno aerogenerador cinético permite aprovechar la fuerza de las corrientes de aire, transformándola en electricidad. Para este fin existen modelos de fábrica y de fabricación casera de estos dispositivos, que se utilizan tanto en la industria como en explotaciones particulares.
Le explicaremos cómo están construidos los aerogeneradores de este tipo, y le presentaremos las características del dispositivo y las variantes constructivas. En el artículo que le ofrecemos se exponen los puntos débiles y fuertes de la instalación eólica. Los aficionados al bricolaje encontrarán aquí esquemas útiles y recomendaciones de montaje.
Contenido del artículo:
Principio de funcionamiento del aerogenerador
El funcionamiento del aerogenerador se basa en la transformación de la energía cinética del viento en energía mecánica del rotor, que después se convierte en electricidad.
El principio de funcionamiento es bastante simple: la rotación de las palas, fijadas al eje del dispositivo, provoca movimientos circulares del rotor-generador, gracias a lo cual se genera electricidad.
La corriente alterna inestable obtenida "fluye" al controlador, donde se convierte en tensión continua capaz de cargar las baterías. De allí, la alimentación pasa al inversor, donde se transforma en tensión alterna de 220/380 V, que se suministra a los consumidores.
La potencia del aerogenerador depende directamente de la potencia del flujo de aire (N), que se calcula mediante la fórmula N = pSV3/2, donde V es la velocidad del viento, S es el área de trabajo y p es la densidad del aire.
Estructura de un aerogenerador
Las diferentes variantes de aerogeneradores difieren considerablemente entre sí.
Los dispositivos industriales constituyen una compleja estructura de varios metros, cuya instalación requiere una base, mientras que un modelo doméstico puede consistir en un mínimo de componentes (un motor eléctrico de corriente continua de 3-12V, un condensador electrolítico de 1000 µF 6V, un diodo rectificador de silicio).
Una instalación típica incluye los siguientes componentes:
- generador de corriente alterna (la potencia depende de la velocidad de las corrientes de viento);
- aspas, que transmiten la rotación al eje del generador (a menudo están equipadas adicionalmente con reductores, estabilizadores de la velocidad de rotación del rotor);
- mástil del aerogenerador, al que se fijan las aspas (cuanto más altos se encuentran estos elementos, mayor cantidad de energía eólica pueden obtener);
- baterías, que acumulan energía, lo que permite utilizarla cuando el flujo de viento es escaso o inexistente. La batería también cumple la función de estabilizar la energía eléctrica proveniente del generador;
- controlador: un convertidor de tensión alterna obtenida del generador en continua, que se utiliza para cargar la batería. El control del controlador se realiza mediante el giro de las aspas, lo que permite tener en cuenta hacia dónde se mueven las corrientes de aire;
- ATS – dispositivo de conmutación automática, que conecta el aerogenerador con otras fuentes de energía (paneles solares, red eléctrica);
- sensor de dirección del viento: instrumento que facilita a las aspas la búsqueda del flujo de viento;
- inversor para convertir la corriente continua de las baterías en tensión alterna, que se utiliza en las comunicaciones eléctricas.
Para satisfacer más plenamente las necesidades del usuario, el dispositivo puede estar equipado con diferentes tipos de inversores:
- dispositivos con inversor de onda senoidal modificada, que produce una onda senoidal cuadrada. Los dispositivos de este tipo son adecuados para resistencias calefactoras, lámparas incandescentes y otros aparatos que no requieran una alta calidad de la red;
- inversores de tensión trifásica, diseñados para redes eléctricas trifásicas;
- instalaciones con onda senoidal pura, que producen energía para equipos más sensibles;
- inversores de red, capaces de funcionar sin baterías. Estos dispositivos están diseñados para esquemas que implican la transmisión de energía eléctrica directamente a la red general.
Al elegir modelos, se debe prestar atención obligatoriamente al tipo de inversor.
Tipos de generadores eólicos
En la clasificación de las turbinas eólicas se pueden tener en cuenta características como:
- función;
- características de diseño;
- número de aspas;
- materiales de los que están hechos;
- eje de rotación;
- paso de la hélice.
Examinemos detalladamente dos de las clasificaciones más utilizadas.
Clasificación de los aerogeneradores según su uso
Se distinguen variedades de aerogeneradores que difieren en su función. De esto dependen también las principales características de los dispositivos, por ejemplo, la potencia.
Turbinas eólicas industriales
Dichos dispositivos son instalados por grandes compañías energéticas o por el estado para suministrar electricidad a instalaciones industriales. Las turbinas con una potencia de decenas de megavatios suelen ubicarse en zonas ventosas (colinas abiertas, costas).
La energía eléctrica generada suele ir directamente a la red, y para la estabilidad y regulación de la velocidad de rotación de las palas, las turbinas eólicas están equipadas con mecanismos adicionales.
Generadores eólicos comerciales
Estas instalaciones se utilizan para generar electricidad para la venta o para suministrar electricidad a industrias en regiones con una red eléctrica de baja potencia (o completamente ausente). Dichos parques eólicos consisten en un conjunto de generadores eléctricos que pueden tener diferentes potencias.
La energía de las instalaciones comerciales puede ir directamente a las comunicaciones eléctricas o utilizarse para cargar un gran conjunto de baterías, donde se acumula y transforma para su suministro al sistema energético.
Dispositivos eólicos domésticos
Las unidades de baja potencia se utilizan para uso privado. Según las normas, los aerogeneradores con mástiles de menos de 25 metros de altura pueden ser instalados por los propietarios de los terrenos sin necesidad de autorización de las autoridades; para mástiles más altos se requiere un permiso especial.
Los aerogeneradores domésticos son adecuados para cargar baterías con voltajes de 12/24/48 V, cuya energía se transforma en voltaje de 220 voltios. Estos dispositivos permiten resolver total o parcialmente el problema de suministro de electricidad a pequeños objetos ubicados lejos de la red eléctrica centralizada.
Con las pautas de selección de un aerogenerador para suministrar energía a una casa particular, le introduce el artículo, dedicado a esta interesante cuestión.
Variedades de diseños de aerogeneradores
Por las características constructivas, los dispositivos también se pueden dividir en varias categorías, aunque todas las variedades se reducen a dos tipos principales: verticales y horizontales.
Aerogeneradores horizontales clásicos
Estas instalaciones (también llamadas de hélice o de paletas) suelen tener de 3 a 5 palas montadas en un eje horizontal. Al girar a alta velocidad, estos elementos permiten obtener la máxima cantidad de energía (coeficiente de aprovechamiento de la energía eólica de hasta 0.4).
Además, la cantidad de electricidad generada depende en gran medida de la altura del dispositivo (cuanto más alto, mayor es el resultado).
Estos dispositivos generalmente se instalan en parques eólicos, donde se genera energía para uso industrial y comercial, aunque también son adecuados para uso doméstico.
Una solución interesante del aerogenerador horizontal es el modelo de una sola pala; la siguiente selección de fotos presentará sus características:
Turbinas eólicas verticales
El elemento activo de estas instalaciones es una rueda eólica giratoria. Debido a las características constructivas, estas estructuras se diferencian por tipos («Barril», «Savonius»).
El siguiente conjunto de fotos presentará el principio de funcionamiento de la turbina del generador vertical Savonius:
A pesar del bajo índice KIEV (0.1-0.2), tienen una aplicación bastante amplia: las instalaciones verticales operan con flujos de aire turbulentos, por lo que pueden ubicarse incluso en áreas donde raramente soplan vientos fuertes.
Para aumentar la eficacia de los aerogeneradores verticales, los fabricantes a menudo incrementan sus dimensiones, lo que conduce a un aumento significativo del coste. Dado que estas instalaciones son bastante frágiles, requieren una mayor protección contra huracanes y otros fenómenos naturales.
Aerogeneradores «Rotor Darrieus»
Estos dispositivos pertenecen a la categoría de turbinas eólicas verticales, pero tienen diferencias marcadas en su diseño. Gracias a estas características, se logra una reducción del ruido, así como un aumento del KIEV, que se acerca a los valores de los modelos horizontales.
La desventaja de tales diseños es el bajo par de arranque (debido a que solo tiene dos aspas, al dispositivo le cuesta arrancar por sí mismo). Para resolver el problema, a menudo se utiliza un híbrido «Savonius+Darrieus».
Aerogeneradores de vela
Para tales instalaciones se puede aplicar el principio de diseño tanto de aerogeneradores verticales como horizontales. La principal característica constructiva es la rueda eólica cubierta de múltiples aspas o velas, mientras que estas carecen de perfil aerodinámico.
A pesar de que las instalaciones de vela se caracterizan por su baja velocidad y poca eficiencia, se utilizan a menudo en la economía nacional. Estas estructuras son fáciles de montar y operar, y la combinación de un alto par de torsión con bajas revoluciones permite accionar directamente diversos mecanismos útiles, como una bomba para extraer agua.
La siguiente galería presenta uno de los modelos de molinos de vela que se han implementado en la práctica:
Generador para la turbina eólica
Para el funcionamiento de los molinos de viento se necesitan generadores trifásicos comunes. La estructura de estos dispositivos es similar a la de los modelos utilizados en automóviles, pero con parámetros mayores.
En los dispositivos para turbinas eólicas se incluye un devanado de estator trifásico (conexión en estrella), del cual salen tres cables que van al controlador, donde se transforma la tensión alterna en continua.
Para aumentar las revoluciones, a menudo se utiliza un multiplicador. Este dispositivo permite aumentar la potencia del generador existente o utilizar un dispositivo más pequeño, lo que reduce el costo de la instalación.
Los multiplicadores se utilizan con mayor frecuencia en aerogeneradores verticales, donde el proceso de rotación de la rueda eólica es más lento. Para dispositivos horizontales con alta velocidad de rotación de las palas, no se requieren multiplicadores, lo que simplifica y abarata la estructura.
La especificidad del montaje e instalación de un aerogenerador a partir de una lavadora y de un aerogenerador a partir de un generador de automóvil se detalla en los artículos que recomendamos.
Ventajas e inconvenientes del aerogenerador
Examinemos detalladamente las ventajas y desventajas de las turbinas eólicas, ya que de ellas depende la decisión de comprar un molino de viento o rechazarlo.
Ventajas de los dispositivos eólicos
Entre las ventajas de los dispositivos que utilizan energía eólica se incluyen:
- Respeto al medio ambiente. Las instalaciones utilizan una fuente de energía renovable que se puede usar de forma continua sin dañar el entorno. La electricidad generada por los aerogeneradores reemplaza la energía de las centrales térmicas, reduciendo las emisiones de gases de efecto invernadero.
- Versatilidad. Los parques eólicos se pueden construir prácticamente en cualquier lugar: llanuras, montañas, campos, islas e incluso aguas poco profundas. La energía eólica es especialmente valorada en lugares remotos donde es difícil tender las redes eléctricas habituales. En estos casos, los aerogeneradores permiten establecer el suministro energético de las instalaciones, garantizando su independencia de factores imprevistos (por ejemplo, de un combustible no entregado a tiempo).
- Eficiencia de uso. Los modelos modernos aprovechan la energía incluso de vientos débiles: el límite mínimo es de 3,5 m/s. De esta manera se puede suministrar electricidad adicional a la red centralizada, así como organizar el suministro eléctrico de instalaciones individuales (isleñas o locales) independientemente de su potencia.
- Una alternativa válida a las fuentes tradicionales. Los parques eólicos fijos pueden suministrar electricidad por completo a una vivienda o incluso a una instalación productiva pequeña. En este caso, la turbina acumulará en las baterías la reserva de electricidad necesaria, destinada a su uso durante los períodos sin viento.
- Economía. En comparación con las fuentes tradicionales de energía eléctrica (gas, turba, carbón mineral, petróleo), las aeroturbinas permiten reducir significativamente los costes energéticos. En muchos casos, la construcción de un parque eólico resulta más barata que la conexión a las redes energéticas existentes.
El uso de molinos de viento puede ser una alternativa al empleo de costosos generadores diésel, reduciendo adicionalmente los gastos de transporte y almacenamiento de combustible hasta en un 80%.
La potencia media de una aeroturbina difiere en varios factores del valor de la carga máxima. El aerogenerador solo responde por la cantidad de energía generada en un período determinado con la velocidad media mensual del viento característica de la zona.
Para una evaluación más precisa de los recursos eólicos, se pueden utilizar datos especialmente derivados (parámetros de Weibull). Estos indicadores reflejan la distribución de vientos de diferentes intensidades característica de una zona concreta. Es importante tener en cuenta esta información al desarrollar proyectos de parques eólicos cuya potencia asciende a decenas de MW.
La potencia generada por una aeroturbina es proporcional al cubo de la velocidad del viento. Por lo tanto, este valor es muy pequeño con flujos de viento débiles, pero aumenta bruscamente cuando se intensifican. Debido a la variabilidad de la dirección y velocidad del viento, en el diseño de una turbina eólica se deben prever componentes estabilizadores.
Las reglas y fórmulas para calcular la potencia de un aerogenerador se presentan aquí, le recomendamos que se familiarice con esta información muy útil.
En sistemas autónomos pequeños, su función la realizan las baterías, cuya carga comienza a aumentar tan pronto como la potencia del generador eólico supera el indicador de carga.
Cabe señalar que la diversidad de diseños de los generadores eólicos contribuye a la aplicación eficaz de las corrientes de viento.
Las turbinas horizontales ofrecen un alto rendimiento en terrenos llanos donde hay mucho viento, mientras que las turbinas verticales funcionan mejor en regiones con flujos turbulentos que se observan a baja altura del suelo (en la parte superior de colinas, cadenas montañosas).
Principales desventajas de los aerogeneradores
Al mismo tiempo, los aerogeneradores también tienen sus aspectos negativos:
- Es difícil predecir la fuerza del viento con antelación, ya que cambia con frecuencia. Por ello, es recomendable pensar en un respaldo, previendo una fuente de energía duplicada (paneles solares, conexión a la red eléctrica).
- Los dispositivos verticales corren el riesgo de destrucción de las palas de la hélice debido a la acción de las fuerzas centrífugas cuando las palas giran alrededor del eje principal. Debido a este efecto, los elementos importantes de la estructura se deforman y destruyen con el tiempo, y el mecanismo falla.
- Es mejor instalar los aerogeneradores en espacios abiertos, ya que los edificios cercanos pueden 'amortiguar' el viento, formando una zona de aire 'muerta'.
- Para almacenar el exceso de energía de las turbinas eólicas, es necesario prever en el diseño el uso de baterías y otros dispositivos adicionales que sirvan para convertir la electricidad obtenida en corriente con las características de consumo adecuadas.
- Durante su funcionamiento, los generadores eólicos producen ruido que puede causar molestias a las personas y ahuyentar a los animales. Las palas de las instalaciones también pueden causar la muerte de las aves que se acercan a ellas.
- Según algunos especialistas, las turbinas eólicas pueden deteriorar la recepción de transmisiones de radio y televisión.
Entre los aspectos negativos también se puede incluir el costo bastante elevado de estos equipos, sin embargo, la economía de la fuente de energía en gran medida contrarresta este factor.
Esquemas y métodos de conexión
Aunque la instalación eólica puede funcionar de forma autónoma, se puede lograr un resultado significativamente mejor mediante esquemas combinados que contemplen la combinación del dispositivo eólico con paneles solares, la red eléctrica centralizada, fuentes de energía diésel o gas.
Funcionamiento autónomo. En este caso, se instala una única unidad, mediante la cual se captura y acumula la energía eólica, que luego se transforma en la corriente eléctrica necesaria para los consumidores.
Combinación de un aerogenerador con paneles solares. La opción combinada se considera una forma confiable y eficiente de suministro eléctrico. En caso de ausencia de viento, la batería funciona con paneles solares, y en tiempo nublado y durante la noche, la carga proviene del aerogenerador.
Funcionamiento combinado del aerogenerador y la red eléctrica. La turbina eólica se puede combinar con las comunicaciones eléctricas.
Cuando hay un excedente de electricidad generada, esta se envía a la red centralizada, y cuando hay déficit, es posible utilizar la corriente eléctrica del sistema energético general.
Detalles de la aplicación de los aerogeneradores
Actualmente, las turbinas eólicas se utilizan en diversos sectores de la economía nacional. Los modelos industriales de diferentes potencias son empleados por empresas de petróleo y gas, telecomunicaciones, estaciones de perforación y exploración geológica, instalaciones de producción y entidades gubernamentales.
Cabe destacar especialmente la importancia del uso de aerogeneradores para la rápida restauración del suministro eléctrico interrumpido en catástrofes y desastres naturales. Con este fin, los aerogeneradores son utilizados a menudo por las unidades del MChS.
Las turbinas eólicas domésticas son excelentes para proporcionar iluminación y calefacción en comunidades de casas de campo y viviendas particulares, así como para fines agrícolas en granjas.
Sin embargo, se deben tener en cuenta algunos aspectos:
- Los dispositivos de hasta 1 kW solo pueden proporcionar suficiente electricidad en lugares ventosos. Normalmente, la energía que generan solo alcanza para iluminación LED y alimentar pequeños aparatos electrónicos.
- Para abastecer completamente de electricidad una casa de campo (casa de fin de semana) se necesitará un generador eólico con una potencia superior a 1 kW. Este valor es suficiente para alimentar dispositivos de 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 abastecer de energía una casa de campo (chalet) se necesitará un aerogenerador de 3-5 kW, pero incluso ese valor no será suficiente para la calefacción de la vivienda. Para aprovechar dicha función se requiere un modelo potente, a partir de 10 kW.
Al elegir un modelo, debe tener en cuenta que la potencia indicada en el dispositivo solo se alcanza con la velocidad máxima del viento. Así, una instalación de 300 V generará la cantidad de energía indicada solo cuando la velocidad del flujo de aire sea de 10-12 m/s.
A quienes deseen construir un aerogenerador con sus propias manos, les ofrecemos el siguiente artículo, en el que se detalla información útil.
Conclusiones y video útil sobre el tema
En el siguiente video se proporciona información detallada sobre el principio de funcionamiento y la estructura de un modelo doméstico de generador eólico:
El aerogenerador es una excelente fuente de producción de energía eléctrica, especialmente apreciada por los residentes de lugares remotos. Diversas empresas rusas y extranjeras ofrecen una amplia gama de diseños de aerogeneradores; además, los modelos domésticos también pueden construirse con sus propias manos.
Por favor, escriba sus comentarios en el bloque que se encuentra a continuación. Cuéntenos cómo construyó un generador eólico en su terreno, o cómo funciona el aerogenerador de sus vecinos. Haga preguntas, comparta información útil y fotos sobre el tema.
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¿Acaso existen en Moscú o la región empresas que vendan e instalen estos aerogeneradores de menos de 25 metros en terrenos de particulares? Yo instalaría uno en mi casa de campo, solo que, ¿cuántos se necesitan, varios o uno? Es necesario calcular cuánto costará todo el trabajo. ¿Cuál es mejor – vertical, de vela u horizontal? Nuestro lugar es especialmente ventoso en un descampado: ¡sopla fuertemente todo el año!
Quizás, para uso industrial los aerogeneradores sean adecuados, pero el hecho es – para un sistema doméstico, sin hablar del industrial, se necesitan muchos aerogeneradores, eso es uno. Y dos – son muy caros. Incluso los paneles solares son más baratos y económicos de instalar que un aerogenerador. Sin embargo, al viajar de vez en cuando a Alemania y Holanda, se ven enormes áreas con instalaciones eólicas. No sé qué tan efectivas son. Pero sé que en las casas modernas, los prácticos alemanes, si instalan fuentes ecológicas de electricidad para ellos, son paneles solares; no he visto aerogeneradores en ningún lugar.
“La corriente alterna inestable obtenida «fluye» hacia el controlador, donde se convierte en voltaje continuo…” ¡Genial! La corriente se convierte en voltaje))