Aerogeneradores verticales: partes, principio de funcionamiento, ventajas y desventajas

En este artículo aprenderás todo sobre los aerogeneradores eólicos verticales: partes, principio de funcionamiento, ventajas y desventajas, cual elegir, posibilidades de instalación y viabilidad económica

Una forma de obtener energía es aprovechando el poder del viento. Un generador eólico eléctrico por lo tanto, generará electricidad a partir de una fuente natural renovable e inagotable: el viento.

Los dispositivos que convierten el movimiento de las corrientes de aire en energía eléctrica se denominan aerogeneradores o turbinas eólicas.

Existen dos tipos de Aerogeneradores. La división principal se lleva a cabo por características de diseño:

• Mecanismos con eje horizontal de rotación del rotor principal.
• Mecanismo con eje de rotación vertical.

Este artículo considerará dispositivos con un eje de rotación vertical del rotor principal.

Partes de un aerogenerador vertical

El dispositivo general de una estructura vertical consta de varias unidades:

1. Una rueda con palas es el rotor principal que recibe la fuerza del flujo de aire. Propósito: transformación de la energía eólica cinemática en mecánica, creando un par en el eje.
2. Reductor : sincroniza el movimiento de rotación y crea una cierta velocidad de rotación del eje del generador.
3. Un generador es un dispositivo que genera una corriente eléctrica al convertir el par en un campo magnético y crear una diferencia de voltaje en el cableado.
4. La batería recargable se acumula y produce una corriente constante de aproximadamente 12 voltios.
5. Un inversor es un dispositivo diseñado para convertir corriente continua en corriente alterna con un valor de 220 voltios.

Principio de funcionamiento de los aerogeneradores eólicos verticales

na corriente de aire que se mueve a una cierta velocidad encuentra un obstáculo en su camino en forma de una pala de turbina eólica. Al golpear la superficie, el viento crea presión sobre ella, bajo la influencia de la cual el rotor comienza a girar y transmite el par a través de la caja de cambios al generador. Este último comienza a generar corriente eléctrica.

Además, se suministra electricidad al controlador, se convierte en corriente continua y se envía para recargar las baterías. Ellos, a su vez, transmiten el flujo de electricidad al consumidor a través del inversor. Este dispositivo, que consume corriente constante, produce una tensión alterna de 220 voltios.

Ventajas

1. Pequeños valores iniciales de velocidad del viento para el inicio del movimiento del rotor del aerogenerador. Para algunos modelos, estas cifras comienzan desde 0,3 m / s. Pero debe tenerse en cuenta que el retroceso real de la turbina eólica comenzará cuando el flujo de aire se mueva a una velocidad de al menos 3-5 m / s. La potencia nominal del generador estará a valores de velocidad en el rango de 10-18 m / s.
2. No depende de la dirección de movimiento del flujo de aire: el diseño del molino de viento vertical es capaz de atrapar el viento en cualquier ángulo de ataque del viento.
3. Un aerogenerador vertical tiene un fondo de sonido bajo: los valores, a diferencia de las estructuras horizontales, rara vez superan el umbral de 18-20 dB. Además, no hay frecuencias cercanas al umbral inferior, el llamado infrasonido, que afecta negativamente a la salud humana. De ahí se deduce que la instalación de instalaciones es posible directamente junto a las viviendas de las personas.
4. La generación de radiación electromagnética es mínima y nadie la siente. El diseño no crea vibraciones peligrosas y destructivas.
5. El aerogenerador vertical no es peligroso para las aves, debido a que es percibido por ellas como un único obstáculo que hay que evitar. Para un dispositivo horizontal, las palas móviles representan un peligro para las aves, que las aves no asocian con un obstáculo y, por lo tanto, chocan con ellas.
6. Una aerogenerador eólico en un eje vertical, debido a su diseño, no requiere mecanismos forzados para arrancar: el rotor comienza a moverse cuando el flujo de aire alcanza valores mínimos de presión.
7. Funciona en cualquier condición climática, puede soportar fuertes ráfagas de viento, hasta valores de huracán.
8. El dispositivo es fácil de operar, un sistema de control sencillo y los bajos costos operativos necesarios para mantener las condiciones de trabajo hacen que este tipo de aerogenerador sea atractivo para el uso privado.

Desventajas

1. El coeficiente de conversión efectiva del flujo de viento para una estructura vertical es de 2 a 2,5 veces menor que para un dispositivo horizontal.
2. Un aerogenerador vertical tiene un mayor consumo de material que las estructuras realizadas según otros esquemas.
3. A partir de un cierto valor de potencia, algunas estructuras aumentan considerablemente de tamaño, lo que afecta negativamente el diseño del área utilizable del sitio.

Interesante: visita nuestro artículo sobre turbinas eólicas sin aspas

Tipos de aerogeneradores con eje de rotación vertical.

Numerosas estructuras con un eje de rotación vertical se combinan en grupos principales:

• aerogenerador con rotor Darrieus, – dispositivo ortogonal.
• generador en el rotor Savonius.
• diseño de rotor vertical-axial.
• rotor helicoidal.
• Diseño de varias hojas con elementos de guía.

Rotor Darnier

Externamente, dicho generador de viento está hecho con dos o tres palas curvadas en forma de óvalo.

Ventajas:

• autoorientación a la dirección del flujo de aire;
• el eje principal de la transmisión está ubicado cerca del nivel del suelo, lo que facilita su mantenimiento;
• diagrama de diseño cinemático simple.

Desventajas:

• no hay posibilidad de autopromoción;
• alta carga en los nodos de soporte causada por el impacto dinámico de los flujos de aire;
• la necesidad de adherirse estrictamente a un perfil de hoja determinado en toda su longitud;
• bastante ruidoso en el trabajo.

Rotor Savonius

Es una estructura en la que las palas del rotor están realizadas en forma de superficies cilíndricas.

Ventajas:

• la capacidad de comenzar con valores de viento bajos, – el movimiento comienza en valores de 3 m / s;
• conjunto rápido de indicadores de alto par;
• alta fiabilidad de diseño;
• económico de fabricar.

Desventajas:

• baja eficiencia de conversión del flujo de aire, por lo tanto, la liberación de dispositivos con una capacidad que no exceda los 4-6 kW.

El rotor Savonius se utiliza a menudo en dispositivos combinados: para acelerar un generador eólico fabricado según el esquema de rotor Darrieus.

Rotor de eje vertical

Una característica distintiva de dicho generador eólico es que las palas ubicadas verticalmente tienen un perfil de ala de avión, cuyo eje es paralelo al eje vertical.

Externamente, está cerca del rotor Darrieus, pero es más fácil de fabricar. Acelera la velocidad de trabajo rápidamente, mientras emite muchas menos ondas sonoras. El diseño es confiable durante la operación.

Rotor helicoidal

Este tipo de dispositivo continúa el desarrollo del rotor axial vertical. Las palas de este último están realizadas en forma de curva helicoidal, lo que confiere a la estructura una rotación más uniforme y reduce la carga sobre la parte de soporte.

La curvatura diagonal de las palas del rotor facilita una rápida aceleración. La eficiencia de usar el flujo de viento está cerca de los dispositivos horizontales. Al mismo tiempo, provoca un aumento del ruido durante el funcionamiento y la producción de ondas sonoras ubicadas en la parte de onda corta del espectro de audio.

El rotor helicoidal es caro de fabricar debido a la compleja configuración del perfil de la pala.

Rotor de varias palas

Se basa en un diseño vertical-axial, complementado por un anillo exterior de palas fijas. Tal esquema contribuye a un aumento en el área de captura efectiva del flujo de aire, su compresión y aceleración, lo que conduce a un aumento en la eficiencia del generador eólico en su conjunto. Además, la estructura es sensible a las influencias débiles del viento.

Pero este esquema conduce a un aumento en el consumo de material del dispositivo, lo que aumenta su costo. Durante el funcionamiento, la estructura se acompaña de un mayor fondo de sonido.

¿Qué aerogenerador vertical elegir?

A. Ortogonal
C. Rotor helicoidal o rotor Gorlov
D. Rotor de múltiples palas E. Rotor Darrieus

Antes de elegir un aerogenerador, conviene analizar la viabilidad de su uso. Lo que necesitas saber:

• número medio ponderado total de días con fuerza del viento superior a 3 m / s;
• la necesidad aproximada de electricidad;
• la posibilidad de instalar un generador de viento en su propio sitio.

Condiciones climáticas

Puede obtener datos sobre la situación del viento en el lugar donde se supone que se instalará el aerogenerador en la estación meteorológica o utilizar los datos proporcionados en Internet o en publicaciones impresas sobre geografía.

Tomar medidas climáticas parece ser improductivo por varias razones:

• es necesario comprar equipos especiales bastante costosos, incluido un dispositivo anemómetro que registra la velocidad del viento;
• las observaciones deberán filmarse durante al menos un año;
• Es deseable organizar varios puntos de fijación del flujo de aire, ubicados en altura a 1, 3-5 y, por ejemplo, 8-10 metros.

La eliminación de los indicadores de altura se explica por varios factores:

• interferencia causada por espacios verdes en el sitio, dependencias y una cerca;
• la ubicación del sitio en las profundidades del asentamiento o asociación de dacha;
• encontrar una casa en las profundidades de un bosque;
• el movimiento de las masas de aire se verá fuertemente afectado por el valle, comprimido entre las colinas, lo que reducirá notablemente la velocidad del viento en la capa superficial; al mismo tiempo, una ladera o una gran masa de agua acelera el movimiento de las corrientes de aire.

Basado en la información anterior, sigue:

1. Un generador eólico: como fuente auxiliar de electricidad, por ejemplo, para alimentar una bomba de calor para calefacción geotérmica o para extraer agua de un pozo y otras necesidades domésticas. El uso del dispositivo en esta capacidad es posible cuando la casa está ubicada en las profundidades del asentamiento, lo que causa restricciones en la instalación; si se necesita una estructura poderosa, debe elevarse por encima del nivel del suelo a una altura de al menos 3-5 metros, y esto requerirá puntos de conexión y ocupación adicionales partes de la tierra.
2. Si hay suficiente espacio libre, la casa está ubicada en un lugar abierto, en una ladera o cerca de una gran masa de agua, el viento puede considerarse como la principal fuente de energía. Junto con paneles solares y un motor generador de repuesto, una turbina eólica puede considerarse como una fuente alternativa de energía. Además, la energía eólica es quizás la única fuente de energía renovable disponible y bastante barata para lugares alejados de la red eléctrica estacionaria.

Uno de los métodos populares para determinar la velocidad del viento (aplicable para valores débiles):

• se toma papel seco, por ejemplo, papel de periódico, con un área de aproximadamente 1 cm²;
• desde una altura de aproximadamente 1 metro entra en vuelo libre;
• se registra la distancia a la que la hoja de papel toca el suelo y el tiempo de su vuelo;
• La velocidad del viento se calcula mediante la fórmula V = S / t,

donde: V – velocidad del viento en m / s;

S es el camino recorrido por la hoja de papel, en metros;

t – tiempo de vuelo libre en segundos.

Este método da resultados aproximados, pero da una idea general de los valores de velocidad. Para aumentar la precisión de estas mediciones, es recomendable realizar experimentos de tres a cuatro veces seguidas.

Demanda de electricidad

Para determinar la cantidad de energía requerida, es necesario sumar toda la potencia máxima de los aparatos eléctricos en la casa y en el sitio; esta será la carga máxima. Esto sucede muy raramente, pero es necesario calcularlo a partir del máximo: los vatios de electricidad «ahorrados» se utilizarán como una especie de coeficiente de confiabilidad.

Al mismo tiempo, la peculiaridad del funcionamiento de la turbina eólica es que la electricidad se toma de las baterías de almacenamiento y el generador las recarga. Por lo tanto, por ejemplo, por la noche, durante el período de consumo mínimo de corriente, la energía eólica se utiliza completamente para reponer la capacidad de la batería.

De ahí se deduce que a la hora de elegir una central eléctrica, es recomendable tener en cuenta estos factores y recordar que con un aumento de la potencia de un aerogenerador, su precio también aumenta.

Posibilidad de instalación en obra, viabilidad económica

Los obstáculos más importantes para instalar un aerogenerador eólico en su sitio son la relación entre precio, capacidad y espacio de instalación.

Por ejemplo, para un generador vertical-axial con tres palas, los cambios en el precio, la potencia y el diámetro son (datos promediados):

• 1 kW, altura del mástil 4 m, diámetro de la turbina de unos 2 metros, altura de la hoja 2 metros, precio 140.000 rublos;
• 2 kW, mástil de 4 metros, turbina de 2,6 m, pala de 4 m, precio 180.000 rublos;
• 5 kW, mástil de 6 m, turbina de 3,6 m, pala de 6 m, precio de más de 360.000 rublos.

En el ejemplo dado, se puede ver que el precio aumenta casi tres veces y el consumo del área utilizable, teniendo en cuenta los cables de sujeción que sujetan el mástil, aumenta a 10 metros.

Por lo tanto, para los propietarios de parcelas relativamente pequeñas, de hasta 6 acres, ubicadas en asociaciones colectivas, parece posible comprar unidades con una capacidad de hasta dos kilovatios, montadas en mástiles de hasta 4 metros de altura o instalación en el techo de un edificio.

Una buena adición sería una combinación de paneles solares en el sistema general de suministro de energía.

En ausencia de parcelas de tierra libres para la central eléctrica en la restricción, la decisión de instalar un aerogenerador vertical eólico se basa únicamente en una cuestión financiera. La conveniencia de usar energía eólica está determinada por la suma de los costos de todos los equipos y la presencia de una red eléctrica estacionaria.

Con costos comparables para colocar una línea eléctrica en su propia casa, el problema, sin duda, debe resolverse a favor de un generador eólico, además, la fuente de energía, el viento, es absolutamente gratis.

En el caso de cortes periódicos de energía, es necesario calcular la parte económica, es decir, determinar el monto total de los costos que se destinaron a la compra e instalación del aerogenerador y compararlo, por ejemplo, para la opción de usar un generador de motor.

Es posible que el uso ocasional de este tipo de equipos, junto con los costos de combustible y mantenimiento, sea más beneficioso que el uso de energía eólica.

Es mejor confiar la instalación del aerogenerador, la tubería de la parte eléctrica, la puesta en servicio a empresas especializadas.