Generatore eolico cinetico: dispositivo, principio di funzionamento, applicazione

Un moderno generatore eolico cinetico consente di sfruttare la potenza delle correnti d'aria, convertendola in energia elettrica.A questo scopo, esistono modelli di dispositivi fabbricati in fabbrica e fatti in casa che vengono utilizzati sia nell'industria che nelle famiglie private.

Ti spiegheremo come sono progettate le turbine eoliche di questo tipo e ti presenteremo le caratteristiche del dispositivo e le opzioni di progettazione. L'articolo che abbiamo proposto mostra pregi e difetti di un impianto eolico. Gli amanti del fai da te troveranno qui schemi utili e consigli di montaggio.

Principio di funzionamento del generatore eolico

Il funzionamento di un generatore eolico si basa sulla trasformazione dell'energia cinetica del vento in energia meccanica del rotore, che viene poi convertita in energia elettrica.

Il principio di funzionamento è abbastanza semplice: la rotazione delle pale fissate all'asse del dispositivo provoca movimenti circolari del rotore del generatore, generando così elettricità.

L’energia eolica è uno dei settori più promettenti delle energie rinnovabili. I design moderni consentono di sfruttare in modo economicamente vantaggioso la potenza delle correnti d'aria, utilizzandola per generare elettricità

La corrente alternata instabile risultante “drena” nel controller, dove viene convertita in tensione continua in grado di caricare le batterie. Da lì, l'energia viene fornita all'inverter, dove viene trasformata in una tensione alternata con un indicatore di 220/380 V, che viene fornita ai consumatori.

La potenza di un 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

Varie versioni di generatori eolici differiscono notevolmente l'una dall'altra.

Lo schema seguente 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 sono una struttura complessa multimetro, la cui installazione richiede una fondazione, mentre un modello domestico può essere costituito da un minimo di componenti (motore elettrico CC 3-12 V, condensatore elettrico 1000 uF 6 V, diodo raddrizzatore al silicio).

Un'installazione tipica include i seguenti componenti:

• generatore di corrente alternata (la potenza dipende dalla velocità dei flussi del vento);
• pale che trasmettono la rotazione all'albero del generatore (spesso sono inoltre dotate di riduttori e stabilizzatori di velocità del rotore);
• l'albero del mulino a cui sono fissate le pale (più alti sono questi elementi, maggiore è l'energia eolica che possono ricevere);
• batterie che immagazzinano energia, consentendone l'utilizzo quando il flusso del vento è minimo o assente. La batteria svolge anche la funzione di stabilizzare l'energia elettrica fornita dal generatore;
• controller - convertitore di tensione alternata ricevuta dal generatore in tensione continua, che viene utilizzata per caricare la batteria. Il controller viene controllato ruotando le pale, il che consente di tenere conto di dove si muovono i flussi d'aria;
• L'AVR è un 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 rende più facile per le pale trovare il flusso del vento;
• un inverter per convertire la corrente continua dalle batterie in tensione alternata, che viene utilizzata nelle comunicazioni elettriche.

Per meglio soddisfare le esigenze dell'utilizzatore, il dispositivo può essere equipaggiato con diverse tipologie di inverter:

• dispositivi con un'onda sinusoidale modificata dall'inverter che produce un'onda sinusoidale quadra. Dispositivi di questo tipo sono adatti per elementi riscaldanti, lampade a incandescenza e altri dispositivi che non richiedono la qualità della rete;
• inverter di tensione trifase progettati per reti elettriche trifase;
• unità a onda sinusoidale pura che producono energia per apparecchiature più sensibili;
• inverter di rete che possono funzionare senza batterie. Tali dispositivi sono progettati per circuiti che comportano l'immissione di energia elettrica direttamente nella rete generale.

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

Tipi di generatori eolici

Quando si classificano le turbine eoliche si possono prendere in considerazione le seguenti caratteristiche:

• appuntamento;
• caratteristiche del progetto;
• numero di lame;
• i materiali con cui sono realizzati;
• asse di rotazione;
• passo dell'elica.

Diamo uno sguardo più da vicino alle due classificazioni più comunemente utilizzate.

Classificazione dei generatori eolici per scopo

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

Turbine eoliche industriali

Tali dispositivi vengono installati dalle grandi aziende energetiche o dallo Stato per fornire elettricità agli impianti industriali.Le turbine, con una capacità di decine di megawatt, sono solitamente posizionate in zone eoliche (aperte colline, coste).

I parchi eolici, dove sono installate decine di turbine eoliche, si trovano non solo sulla terraferma, ma anche in acque poco profonde. L'elettricità risultante viene solitamente utilizzata per scopi industriali

L'elettricità generata, di norma, entra direttamente nella rete, mentre per la stabilità e la regolazione della velocità di rotazione delle pale, le turbine eoliche sono dotate di meccanismi aggiuntivi.

Generatori eolici commerciali

Tali impianti vengono utilizzati per generare elettricità da vendere o per fornire elettricità alla produzione in regioni con una rete elettrica a bassa potenza (o senza rete elettrica). Tali impianti eolici sono costituiti da un gruppo di generatori elettrici, che possono avere capacità diverse.

L’energia proveniente dagli impianti commerciali può essere immessa direttamente nelle utenze elettriche o utilizzata per caricare una vasta gamma di batterie, dove viene immagazzinata e convertita per alimentare la rete.

Dispositivi eolici domestici

Le unità a bassa potenza sono utilizzate per uso privato. Secondo la normativa, i proprietari terrieri possono installare turbine eoliche con pali alti meno di 25 metri senza l'approvazione delle autorità; per pali più alti è necessario ottenere un permesso speciale.

I mulini a vento di bassa e media potenza possono servire come fonte di energia elettrica per cottage, dacie, case di campagna e fattorie

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

Con le linee guida per la scelta di un generatore eolico per fornire energia ad un'abitazione privata leggi l'articolodedicato a questo interessante argomento.

Tipi di progetti di turbine eoliche

In base alle caratteristiche del design, i dispositivi possono anche essere suddivisi in diverse categorie, sebbene tutte le varietà si riducano a due tipi principali: verticale e orizzontale.

Turbine eoliche orizzontali classiche

Tali installazioni (sono anche chiamate elica o ala) hanno solitamente 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 (più è alta, maggiore sarà il risultato).

Una turbina eolica orizzontale utilizza la portanza, che si verifica quando la pressione aumenta nel punto in cui il flusso d'aria diretto passa attraverso le pale e viene riflesso da questi elementi.

Questi dispositivi sono tipicamente installati nei parchi eolici dove viene generata energia per uso industriale e commerciale, ma sono adatti anche per uso domestico.

Una soluzione interessante per un mulino a vento orizzontale è un modello con una pala; la seguente selezione di foto ti farà familiarizzare con le sue caratteristiche:

Turbine eoliche verticali

L'elemento operativo di tali installazioni è una ruota eolica rotante. A causa delle loro caratteristiche progettuali, tali strutture differiscono per tipologia (“Barrel”, “Savonius”).

La seguente selezione di foto vi introdurrà al principio della turbina del generatore verticale Savonius:

Nonostante il basso indice KIEV (0,1-0,2), sono molto utilizzati: gli impianti verticali funzionano su flussi d'aria turbolenti, quindi possono essere posizionati anche in zone dove raramente soffiano forti venti.

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

Per migliorare l’efficienza delle turbine eoliche verticali, i produttori spesso aumentano i parametri dimensionali, il che porta ad un aumento significativo dei costi. Poiché tali installazioni sono piuttosto fragili, richiedono una maggiore protezione dagli uragani e da altri fenomeni naturali.

Generatori eolici "Rotor Daria"

Tali dispositivi appartengono alla categoria delle turbine eoliche verticali, ma presentano notevoli differenze nel design. Grazie a tali caratteristiche, si ottiene la riduzione del rumore e aumenta anche il KIEV, che si avvicina alle prestazioni dei modelli orizzontali.

Una turbina a bassa pressione con un asse di rotazione perpendicolare all'aria, proposta nel 1931 dal progettista di aerei francese Georges Darrieus, ha trovato ampia applicazione nell'energia eolica.

Lo svantaggio di tali strutture è la bassa coppia di avviamento (a causa della presenza di solo due lame, è difficile che il dispositivo si avvii da solo). Per risolvere il problema viene spesso utilizzato l’ibrido “Savonius + Darier”.

Impianti eolici a vela

Per tali installazioni è possibile utilizzare il principio della costruzione di turbine eoliche sia verticali che orizzontali. La caratteristica principale del design è una ruota eolica ricoperta da molte pale o vele, mentre tali modelli non hanno un profilo aerodinamico.

Esistono moltissimi modelli di generatori eolici a vela, che si differenziano per numero di pale, peso e potenza. Tutti questi parametri dovrebbero essere presi in considerazione quando si sceglie un dispositivo

Nonostante il fatto che le installazioni a vela siano caratterizzate da bassa velocità e bassa efficienza, vengono spesso utilizzate nell'economia nazionale.Tali progetti sono facili da installare e utilizzare e la combinazione di coppia elevata e bassa velocità consente di azionare direttamente vari meccanismi utili, ad esempio una pompa per il pompaggio dell'acqua.

La gallery seguente vi introdurrà ad uno dei modelli di turbine eoliche a vela implementate nella pratica:

Generatore per turbina eolica

Le turbine eoliche necessitano di generatori trifase convenzionali per funzionare. Il design di tali dispositivi è simile ai modelli utilizzati sulle automobili, ma ha parametri più ampi.

Gli strumenti per turbine eoliche hanno un avvolgimento statorico trifase (collegamento a stella), da cui escono tre fili che vanno al controller, dove la tensione alternata viene convertita in tensione continua.

Il rotore del generatore di una turbina eolica è costituito da magneti al neodimio: in tali progetti non è opportuno utilizzare l'eccitazione elettrica, poiché la bobina consuma molta energia

Un moltiplicatore viene spesso utilizzato per aumentare il fatturato.Questo dispositivo consente di aumentare la potenza del generatore esistente o di utilizzare un dispositivo più piccolo, riducendo così i costi di installazione.

I moltiplicatori sono più spesso utilizzati nei generatori eolici verticali, in cui il processo di rotazione della ruota eolica è più lento. Per i dispositivi orizzontali con elevate velocità di rotazione delle pale non sono necessari moltiplicatori, il che semplifica e riduce i costi di progettazione.

Specifiche di montaggio e installazione del generatore eolico dalla lavatrice e turbine eoliche da un generatore per auto è descritto in dettaglio negli articoli che consigliamo.

Pro e contro di un generatore eolico

Consideriamo in dettaglio i vantaggi e gli svantaggi delle turbine eoliche, poiché da loro dipende la decisione di acquistare una turbina eolica o di abbandonarla.

Vantaggi dei dispositivi eolici

I vantaggi dei dispositivi che utilizzano l’energia eolica includono:

• Rispetto dell'ambiente. Gli impianti utilizzano una fonte di energia rinnovabile che può essere utilizzata ininterrottamente senza causare danni all'ambiente. L’elettricità generata dai generatori eolici sostituisce l’energia delle centrali termiche, riducendo le emissioni di gas serra.
• Versatilità. Gli impianti 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 preziosa in luoghi remoti dove è difficile estendere le comunicazioni elettriche convenzionali. I generatori eolici in questo caso consentono di stabilire una fornitura di energia per gli oggetti, garantendone l'indipendenza da fattori casuali (ad esempio, carburante non consegnato in tempo).
• Efficienza d'uso. I modelli moderni elaborano l'energia anche dei venti deboli: il limite minimo è 3,5 m/s.In questo modo è possibile fornire elettricità aggiuntiva alla rete centralizzata, nonché organizzare l'alimentazione elettrica ai singoli oggetti (isola o locale) indipendentemente dalla loro potenza.
• Una degna alternativa alle fonti tradizionali. Gli impianti eolici stazionari possono fornire completamente elettricità a un edificio residenziale o anche a un piccolo impianto industriale. In questo caso, la turbina accumulerà la necessaria fornitura di energia elettrica in batterie, destinate all'uso durante i periodi calmi.
• Economico. Rispetto alle tradizionali fonti di energia elettrica (gas, torba, carbone, petrolio), le turbine delle biciclette possono ridurre significativamente i costi energetici. In molti casi, costruire un parco eolico è più economico che collegarlo ai sistemi elettrici esistenti.

L’utilizzo delle turbine eoliche può rappresentare un’alternativa all’utilizzo di costosi generatori diesel, riducendo ulteriormente i costi di trasporto e stoccaggio del combustibile fino all’80%.

La potenza media di una turbina eolica differisce molte volte dal carico di punta. Un generatore eolico è responsabile solo della quantità di energia prodotta in un certo periodo di tempo alla velocità media del vento mensile 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 dei venti di diversa intensità caratteristici di una particolare area. È importante tenere conto di tali informazioni quando si sviluppano progetti di parchi eolici con una capacità di decine di MW.

La potenza generata da una turbina eolica è proporzionale al triplo della velocità del vento.Di conseguenza, questo indicatore è molto piccolo quando i flussi di vento sono deboli, ma quando si intensificano aumenta notevolmente. A causa della variabilità della direzione e della velocità del vento, nella progettazione di una turbina eolica devono essere inclusi componenti stabilizzanti.

Regole e formule per il calcolo della potenza del generatore eolico sono riportati qui, ti consigliamo di familiarizzare con le 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 il carico.

All'aumentare del carico, la batteria potrebbe scaricarsi. È importante tenere conto di questa caratteristica quando si sceglie un'unità domestica; la sua potenza deve corrispondere al consumo mensile o annuale di elettricità

Va notato che l'uso efficace dei flussi eolici è facilitato da una varietà di modelli di generatori eolici.

Le turbine orizzontali funzionano bene nelle aree pianeggianti dove c'è molto vento, mentre le turbine verticali funzionano meglio nelle regioni con flussi turbolenti che si trovano in basso (alte colline, catene montuose).

I principali svantaggi delle turbine eoliche

Allo stesso tempo, le turbine eoliche hanno anche i loro lati negativi:

• L’entità della forza del vento è difficile da prevedere in anticipo poiché cambia frequentemente. Per questo motivo è opportuno prevedere una rete di sicurezza prevedendo una fonte energetica di riserva (pannelli solari, collegamento alla rete elettrica).
• I dispositivi verticali corrono il rischio di distruzione delle pale dell'elica a causa degli effetti delle forze centrifughe quando le pale ruotano attorno all'asse principale. Come risultato di questo effetto, importanti elementi strutturali si deformano e si distruggono nel tempo e il meccanismo fallisce.
• È meglio installare le turbine eoliche nello spazio libero, poiché gli edifici vicini possono “smorzare” il vento, formando una zona d'aria “morta”.
• Per risparmiare l'energia in eccesso delle turbine eoliche è necessario prevedere nella progettazione l'utilizzo di batterie e altri dispositivi aggiuntivi che servano a convertire l'elettricità generata in corrente con caratteristiche di consumo adeguate.
• Durante il funzionamento gli aerogeneratori producono rumore che può provocare disagio alle persone e spaventare gli animali. Le pale degli impianti possono provocare anche la morte degli uccelli che volano verso di esse.
• Secondo alcuni esperti le turbine eoliche possono peggiorare la ricezione delle trasmissioni radiofoniche e televisive.

Tra gli aspetti negativi può rientrare anche il costo piuttosto elevato di tali unità, tuttavia il basso costo della fonte energetica compensa in gran parte questo fattore.

Schemi e metodi di collegamento

Sebbene una turbina eolica possa funzionare in modo autonomo, si possono ottenere risultati molto migliori utilizzando schemi combinati che combinano una turbina eolica con pannelli solari, una rete elettrica centralizzata e fonti di energia diesel o gas.

Funzionamento autonomo. In questo caso viene installato un unico impianto, con l'aiuto del quale viene catturata e accumulata l'energia eolica, che viene poi convertita nella corrente elettrica necessaria ai consumatori.

Lo schema mostra il modo più semplice di utilizzare un generatore eolico, che è consigliabile utilizzare nelle regioni dove soffiano costantemente forti venti

Combinazione di un generatore eolico con pannelli solari. L'opzione combinata è considerata un metodo di alimentazione affidabile ed efficiente. Se non c'è vento, la batteria funziona pannelli solarie in caso di tempo nuvoloso e di notte, la ricarica avviene tramite una turbina eolica.

Un'opzione ideale per una casa privata o un'azienda agricola situata lontano da una rete elettrica centralizzata. Questo schema combinato consente l’utilizzo di due tipi di energia rinnovabile

Funzionamento combinato di un generatore eolico e di una rete elettrica. Una turbina eolica può essere combinata con le comunicazioni elettriche.

Questa disposizione è tipica dei dispositivi industriali e commerciali. Per alcuni modelli di generatori eolici domestici è previsto anche il collegamento alle comunicazioni elettriche

Se c'è un eccesso di elettricità prodotta, va alla rete centralizzata, e se c'è carenza è possibile utilizzare la corrente elettrica del sistema energetico generale.

Sfumature dell'utilizzo dei generatori eolici

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

La turbina eolica può essere utilizzata come fonte aggiuntiva di energia negli ospedali e in altre istituzioni per garantire un'alimentazione elettrica continua in situazioni di emergenza

Particolarmente degna di nota è l’importanza dell’utilizzo delle turbine eoliche per il pronto ripristino dell’elettricità danneggiata durante cataclismi e disastri naturali. A tale scopo, i generatori eolici vengono spesso utilizzati dalle unità del Ministero delle situazioni di emergenza.

Le turbine eoliche domestiche sono perfette per organizzare l'illuminazione e il riscaldamento nelle comunità di cottage e nelle case private, nonché per scopi economici nelle aziende agricole.

Ci sono alcuni punti da considerare:

• I dispositivi fino a 1 kW possono fornire una quantità sufficiente di elettricità solo in luoghi ventosi.In genere, l'energia generata è sufficiente solo per alimentare l'illuminazione a LED e piccoli dispositivi elettronici.
• Per fornire completamente elettricità a una dacia (casa di campagna), avrai bisogno di un generatore eolico con una potenza superiore a 1 kW. Questo indicatore è sufficiente per alimentare apparecchi di illuminazione, nonché un computer e una TV, ma la sua potenza non è sufficiente per fornire elettricità a un moderno frigorifero che funziona 24 ore su 24.
• Per fornire energia al cottage, avrai bisogno di una turbina eolica con una capacità di 3-5 kW, ma anche questa cifra non sarà sufficiente per riscaldare le case. Per utilizzare questa funzione è necessaria un'opzione potente, a partire da 10 kW.

Quando si sceglie un modello, è necessario tenere conto del fatto che l'indicatore di potenza indicato sul dispositivo viene raggiunto solo alla massima velocità del vento. Pertanto, un'installazione da 300 V produrrà la quantità di energia specificata solo con una velocità del flusso d'aria di 10-12 m/s.

Per coloro che desiderano costruire un generatore eolico con le proprie mani, offriamo prossimo articolo, che fornisce informazioni utili in dettaglio.

Conclusioni e video utile sull'argomento

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

Un generatore eolico è un'ottima fonte di produzione di energia elettrica, che sarà particolarmente apprezzata dai residenti di aree remote. Diverse 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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