Plantas eólicas: tipos, diseños, ventajas

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificación: 2023-12-17 10:24

La energía eólica está lejos de ser una nueva rama del suministro de energía, sin embargo, en las condiciones actuales, se está convirtiendo en características cada vez más pronunciadas de una dirección prometedora para un mayor desarrollo. Todavía es difícil hablar de conceptos universales para la implementación técnica de aerogeneradores, pero el progreso en el uso de soluciones de ingeniería individuales sugiere que aparecerá un único modelo estructural unificado en un futuro próximo. Al mismo tiempo, en el mundo se utilizan varios tipos de aerogeneradores, cada uno de los cuales tiene sus propias ventajas.

Principio general de funcionamiento de los aerogeneradores

Como la mayoría de las fuentes de energía alternativas modernas, la turbina eólica funciona debido a la fuerza que actúa como resultado de un proceso natural. Estamos hablando de flujos de viento resultantes de un calentamiento desigual.la superficie de la tierra por el sol. Casi todas las turbinas eólicas funcionan según el siguiente principio: los flujos de aire hacen girar la rueda en un eje especial con palas, transmitiendo así el par al generador o al paquete de baterías. En condiciones de estabilidad y fuerza suficiente del movimiento del aire, los molinos de viento para generar electricidad pueden proporcionar una eficiencia del 45-50%. Es precisamente la variabilidad del viento y su fuerza lo que determina la gran variedad de diseños de aerogeneradores, que además se calculan en función de las condiciones climáticas específicas de uso.

¿Cuáles son las principales ventajas de los aerogeneradores?

Evaluar la eficiencia de las turbinas eólicas puede ser tanto en comparación con las fuentes de energía tradicionales como en el contexto de generadores que funcionan con recursos libres renovables. Las ventajas más pronunciadas de tales sistemas, que dan esperanza para su desarrollo exitoso en el futuro, son los siguientes factores:

• La energía eólica en sí misma no solo es renovable, sino que también está disponible para su acumulación y procesamiento.
• Beneficio económico. Las evaluaciones inequívocas con respecto a indicadores económicos específicos aún no pueden deberse a la variedad de sistemas que operan con diferentes rendimientos. Pero podemos hablar de los resultados sobresalientes demostrados por proyectos individuales. Por ejemplo, ¿cuánto cuesta un kilovatio de electricidad de un gran molino de viento en alta mar? Podemos hablar sobre el rango de 2-12 rublos. por 1 kWh.
• Ecológico. El funcionamiento de los aerogeneradores no prevé dañosemisiones de contaminantes atmosféricos.
• Compacto. La instalación de un aerogenerador, incluso en formato industrial, no se puede comparar con las centrales eléctricas tradicionales. Esto se debe en gran parte a la autonomía e independencia de dichos sistemas de las comunicaciones y los recursos auxiliares.

Generadores de eje horizontal

El esquema de diseño de tales molinos de viento prevé la presencia de un generador eléctrico, caja de cambios, palas y una torre con un marco. La configuración de las palas se implementa de tal manera que el aire fluye hacia el embudo, lo que crea un momento de torsión. Una condición importante para el funcionamiento de tales molinos de viento para generar electricidad es la capacidad de adaptarse a las características del movimiento de los flujos (dirección y fuerza). Para ello, las estructuras están provistas de mecanismos de giro e inclinación de las palas con respecto a la superficie terrestre. En los modelos más avanzados también se utilizan controladores con control automático. En cuanto a la implementación de la rueda de viento, la configuración de tres palas se usa con mayor frecuencia en esquemas horizontales. Además, para aumentar el rendimiento de los generadores, los ingenieros tienden a aumentar el tamaño de la parte receptora funcional, lo que, por ejemplo, explica la tendencia actual de transición del plástico y los metales ligeros a costosos elementos compuestos en la fabricación de estructuras.

Generadores de eje vertical

Estos generadores tienen una ventaja significativa sobre las estructuras horizontales,que consiste en la ausencia de la necesidad de medios adicionales de seguimiento y control de la instalación. Es decir, en el proceso de operación, un molino de viento con un eje vertical no se ajusta de ninguna manera al movimiento de los flujos. Esta característica de interacción con las masas de aire reduce simultáneamente el voltaje en las palas del aerogenerador y reduce las cargas giroscópicas. El generador de engranajes, que forma el motor de la planta, se puede ubicar en la base de la torre de la estructura sin riesgo de daño o falla. Pero, ¿por qué, con las ventajas descritas, las instalaciones verticales no reemplazaron a los molinos de viento completamente horizontales? Desafortunadamente, estos modelos también tienen desventajas significativas. Dado que la rueda de viento no está guiada por los flujos de viento y siempre opera en un rango estrecho de rangos de captura de energía, el rendimiento del generador se reduce lógicamente. Por lo tanto, para mantener la potencia suficiente de los aerogeneradores verticales, se requiere su uso masivo cubriendo grandes áreas, lo que no siempre es posible.

Diseños basados en el rotor Darrieus

Los aerogeneradores con impulsor vertical se basan en el diseño de rotor Savonius o Darrieus. Pero este grupo también tiene sus propias variaciones y modificaciones modernas. El desarrollo reciente más prometedor es la turbina helicoidal Gorlov, creada en 2001. Es una especie de continuación del concepto de rotor Darrieus, pero en una forma más optimizada. Las palas verticales en espiral permiten generar energía a partir de flujos de agua y aire con una actividad mínima. Hoy estos generadoresse utilizan tanto en parques eólicos especializados como en centrales hidroeléctricas.

Generadores eólicos con amplificadores de flujo

También, de alguna manera, una continuación de los diseños clásicos de molinos de viento, pero ajustados a las condiciones actuales de operación de alta tecnología. Las modificaciones con amplificadores de flujo se distinguen por la presencia de uno o más canalones, que están diseñados para concentrar los flujos de aire. Los elementos aerodinámicos en forma de cono en forma de esos mismos canalones recogen los flujos en un área grande, orientándolos en un punto de dirección y aumentando así la velocidad del sistema de palas. La dificultad de usar aerogeneradores con amplificadores de flujo es que requieren el uso de un grupo elemental adicional. Además, es posible lograr un aumento significativo de la productividad en dichos sistemas solo conectando fuentes de energía auxiliares, lo que no siempre se justifica económicamente.

Aerogeneradores sin engranajes

En línea con la idea de optimización estructural, también ha aparecido una variante de una planta de energía eólica sin caja de cambios. En su lugar, se utiliza un canal anular provisto de una varilla metálica interna. Este anillo se instala alrededor del borde del rotor. Aquí también se encuentra un grupo de imanes, que interactúa con una barra de metal, contribuyendo así a la generación de corriente. El rendimiento de los aerogeneradores sin caja de cambios con un diámetro de rotor de unos 200 cm puede alcanzar los 1500 kWhen el año. La principal ventaja de este diseño es la reducción de las pérdidas de energía que se producen naturalmente en el funcionamiento de los generadores provistos de cajas de engranajes. Pero tienes que pagar por esta ventaja con límites de velocidad. Para que la unidad entre en un flujo de trabajo óptimo, se requiere una velocidad de flujo de al menos 2 m/s.

Características de los aerogeneradores industriales

Los molinos de viento industriales tienen dos diferencias fundamentales: gran tamaño y alta potencia de salida. Tanto las ventajas como las desventajas de las estaciones de este tipo provienen de estas características. En cuanto a la estructura, es suficiente decir que la altura de los molinos de viento industriales modernos puede alcanzar los 150-200 my la envergadura de las palas puede ser de más de 100 m. La alta potencia también requiere la complejidad de la infraestructura funcional. Entonces, para controlar el proceso de conversión de energía, se utilizan controladores de generadores de viento, que aseguran que se tenga en cuenta la carga actual del paquete de baterías. Además, el relleno eléctrico de dichas instalaciones incluye inversores y sistemas de protección contra cortocircuitos.

Características de los aerogeneradores domésticos

Los molinos de viento más simples no solo se pueden usar en casa, sino que también se pueden ensamblar a mano. Por regla general, se trata de instalaciones de pequeño tamaño con una altura de no más de 10 m, capaces de funcionar a una potencia de 0,5-5 kW. Como fuente de energía pasiva para electrodomésticos.o grupos individuales de dispositivos eléctricos, esta opción se justifica. Sin embargo, las turbinas eólicas compactas se utilizan en gran número hoy en día por las grandes empresas para alimentar las instalaciones de producción. Sobre la base de parques de mini-molinos de viento, se forman sistemas suficientemente productivos y confiables que pueden competir con generadores individuales de alta potencia.

Características de los aerogeneradores marinos

La popularidad de este tipo de molinos de viento se debe a varias ventajas sobre las estaciones que se encuentran en tierra. Esto se trata principalmente de condiciones de trabajo más estables, ya que los flujos de viento no se obstruyen alejándose de la costa. Al mismo tiempo, las estructuras de las turbinas eólicas marinas se dividen en dos grupos: de apoyo y flotantes. Los primeros se instalan en aguas poco profundas con un clásico apoyo en el suelo bajo el agua. Las estaciones flotantes, respectivamente, tienen su propia plataforma flotante con fijación mediante anclas y otros dispositivos marinos.

Combinación de estructuras de aerogeneradores con armazones de edificios

También hay un grupo muy prometedor de molinos de viento que están literalmente integrados en los cascos de los edificios de gran altura. Esta solución tiene dos ventajas: condiciones favorables para la "recepción" de flujos y una reducción en la ruta de entrega de electricidad, ya que la fuente final de suministro suele ser los consumidores dentro del edificio. Por el momento, la integración de aerogeneradores de este tipo se realiza más a menudo utilizandoCilindros aerodinámicos especiales que se montan en los techos de los rascacielos. También se está desarrollando el concepto de minihélices, que se pueden colocar en cualquier parte de un sitio de construcción alto. Los dispositivos se integran literalmente en las paredes, después de lo cual se conectan al sistema general de suministro de energía, emitiendo una pequeña pero estable cantidad de energía.

Conclusión

En los últimos años, el interés por las turbinas eólicas ha aumentado significativamente en Rusia. Grandes centrales con una capacidad de hasta 30-50 MW se ponen en funcionamiento periódicamente en diferentes regiones. Para nuestro país, los molinos de viento son especialmente útiles porque nos permiten llevar energía a regiones remotas donde por el momento no hay posibilidad de organizar otros medios de abastecimiento energético. El segmento de las pequeñas centrales eólicas también se está desarrollando activamente. En Rusia, los sistemas de energía individuales con una capacidad de 1-5 kW se han vuelto muy populares. Al mismo tiempo, los desarrolladores no se niegan a combinar los principios de funcionamiento de los molinos de viento con motores de combustión interna. Los éxitos en esta dirección se demuestran, en particular, en los diseños eólico-diésel. Todavía es difícil decir cuánta energía eólica se demandará en Rusia en las próximas décadas, ya que las posiciones de las fuentes de energía tradicionales aún son fuertes. Pero es probable que las tendencias en la transición a la energía alternativa en todo el mundo impulsen a la industria rusa a explorar activamente esas áreas.