Usinas eólicas: tipos, desenhos, vantagens

2024 Autor: Howard Calhoun | [email protected]. Última modificação: 2023-12-17 10:38

A energia eólica está longe de ser um novo ramo de fornecimento de energia, no entanto, nas condições atuais, está se tornando cada vez mais características de uma direção promissora para um maior desenvolvimento. Ainda é difícil falar sobre conceitos universais para a implementação técnica de geradores eólicos, mas o progresso no uso de soluções individuais de engenharia sugere que um único modelo estrutural unificado aparecerá em um futuro próximo. Ao mesmo tempo, vários tipos de turbinas eólicas são usados no mundo, cada um com seus próprios pontos fortes.

Princípio geral de funcionamento de turbinas eólicas

Como a maioria das fontes alternativas modernas de energia, a turbina eólica opera devido à força que atua como resultado de um processo natural. Estamos falando de fluxos de vento resultantes de aquecimento desigualsuperfície da Terra pelo sol. Quase todas as turbinas eólicas funcionam de acordo com o seguinte princípio: os fluxos de ar giram a roda em um eixo especial com pás, transmitindo torque ao gerador ou bateria. Em condições de estabilidade e força suficiente de movimento do ar, os moinhos de vento para geração de eletricidade são capazes de fornecer uma eficiência de 45-50%. É precisamente a variabilidade do vento e sua força que determina a grande variedade de projetos de aerogeradores, que também são calculados com base em condições climáticas específicas de uso.

Quais são as principais vantagens das turbinas eólicas?

Avaliar a eficiência das turbinas eólicas pode ser tanto em comparação com as fontes tradicionais de energia, quanto no contexto de geradores que funcionam com recursos livres de fontes renováveis. As vantagens mais pronunciadas de tais sistemas, que dão esperança para seu desenvolvimento bem-sucedido no futuro, são os seguintes fatores:

• A energia eólica em si não é apenas renovável, mas também disponível para acumulação e processamento.
• Benefício econômico. Avaliações inequívocas sobre indicadores econômicos específicos ainda não podem ser devidas à variedade de sistemas operando com diferentes desempenhos. Mas podemos falar sobre os excelentes resultados demonstrados por projetos individuais. Por exemplo, quanto custa um quilowatt de eletricidade de um grande moinho de vento offshore? Podemos falar sobre o intervalo de 2-12 rublos. para 1 kWh.
• Ecologicamente correto. A operação de turbinas eólicas não prevê danosemissões de poluentes atmosféricos.
• Compacto. A instalação de uma turbina eólica, mesmo em formato industrial, não pode ser comparada com as centrais elétricas tradicionais. Isso se deve em grande parte à autonomia e independência de tais sistemas de comunicações e recursos auxiliares.

Geradores de Eixo Horizontal

O esquema de projeto desses moinhos de vento prevê a presença de um gerador elétrico, caixa de engrenagens, pás e uma torre com estrutura. A configuração das pás é implementada de forma que o ar flua para dentro do funil, o que cria um momento de torção. Uma condição importante para a operação desses moinhos de vento para geração de eletricidade é a capacidade de se adaptar às características do movimento dos fluxos (direção e força). Para isso, as estruturas são dotadas de mecanismos para girar e inclinar as lâminas em relação à superfície da terra. Nos modelos mais avançados também são utilizados controladores com controle automático. Quanto à implementação da roda eólica, a configuração de três pás é mais usada em esquemas horizontais. Além disso, para aumentar o desempenho dos geradores, os engenheiros tendem a aumentar o tamanho da parte receptora funcional, o que, por exemplo, explica a atual tendência de transição de plásticos e metais leves para elementos compostos caros na fabricação de estruturas.

Geradores de Eixo Vertical

Tais geradores têm uma vantagem significativa sobre estruturas horizontais,que consiste na ausência de necessidade de meios adicionais de monitorização e controlo da instalação. Ou seja, no processo de operação, um moinho de vento com eixo vertical não se ajusta de forma alguma ao movimento dos fluxos. Este recurso de interação com as massas de ar reduz simultaneamente a tensão nas pás do gerador eólico e reduz as cargas giroscópicas. O gerador de engrenagens, que forma o motor da usina, pode ser localizado na base da torre da estrutura sem risco de danos ou falhas. Mas por que, com as vantagens descritas, as instalações verticais não substituíram os moinhos de vento completamente horizontais? Infelizmente, esses modelos também têm desvantagens significativas. Como a roda eólica não é guiada por fluxos de vento e opera sempre em uma faixa estreita de faixas de captura de energia, o desempenho do gerador é logicamente reduzido. Portanto, para manter a potência suficiente dos aerogeradores verticais, é necessário seu uso em massa cobrindo grandes áreas, o que nem sempre é possível.

Design baseado no rotor Darrieus

Geradores de turbina eólica com rotor vertical são baseados no projeto de rotor Savonius ou Darrieus. Mas este grupo também tem suas próprias variações e modificações modernas. O desenvolvimento recente mais promissor é a turbina helicoidal Gorlov, criada em 2001. É uma espécie de continuação do conceito de rotor Darrieus, mas de forma mais otimizada. As lâminas verticais espirais permitem que a energia seja gerada a partir de fluxos de água e ar com atividade mínima. Hoje esses geradoressão usados tanto em parques eólicos especializados quanto como parte de usinas hidrelétricas.

Geradores eólicos com amplificadores de fluxo

Também, de alguma forma, uma continuação dos projetos clássicos de moinhos de vento, mas ajustados às atuais condições de operação de alta tecnologia. As modificações com amplificadores de fluxo se distinguem pela presença de uma ou mais calhas, projetadas para concentrar os fluxos de ar. Elementos aerodinâmicos em forma de cone na forma dessas mesmas calhas coletam fluxos em uma grande área, orientando-os para um ponto de direção e aumentando assim a velocidade do sistema de lâminas. A dificuldade de usar turbinas eólicas com amplificadores de fluxo é que elas requerem o uso de um grupo elementar adicional. Além disso, é possível obter um aumento significativo de produtividade em tais sistemas apenas conectando fontes de energia auxiliares, o que nem sempre se justifica economicamente.

Turbinas eólicas sem engrenagem

Em linha com a ideia de otimização estrutural, surgiu também uma variante de uma usina eólica sem caixa de engrenagens. Em vez disso, é usado um canal anular, provido de uma haste metálica interna. Este anel é instalado ao redor do aro do rotor. Aqui também está localizado um grupo de ímãs, que interage com uma haste metálica, contribuindo assim para a geração de corrente. O desempenho de turbinas eólicas sem caixa de engrenagens com diâmetro de rotor de cerca de 200 cm pode chegar a 1500 kWhno ano. A principal vantagem deste projeto é a redução das perdas de energia que ocorrem naturalmente na operação de geradores providos de redutores. Mas você tem que pagar por essa vantagem com limites de velocidade. Para que a unidade entre em um fluxo de trabalho ideal, é necessária uma velocidade de fluxo de pelo menos 2 m/s.

Características de turbinas eólicas industriais

Os moinhos de vento industriais têm duas diferenças fundamentais - tamanho grande e alta potência. Ambas as vantagens e desvantagens de estações deste tipo vêm dessas características. Quanto à estrutura, basta dizer que a altura dos modernos moinhos de vento industriais pode chegar a 150-200 m, e o vão das pás pode ser superior a 100 m. A alta potência também requer a complexidade da infraestrutura funcional. Assim, para controlar o processo de conversão de energia, são utilizados controladores de geradores eólicos, que garantem que a carga atual da bateria seja levada em consideração. Além disso, o recheio elétrico dessas instalações inclui inversores e sistemas de proteção contra curto-circuito.

Recursos de turbinas eólicas domésticas

Os moinhos de vento mais simples não só podem ser usados em casa, mas também montados à mão. Como regra, são instalações de pequeno porte com uma altura não superior a 10 m, capazes de operar com uma potência de 0,5 a 5 kW. Como fonte de energia passiva para eletrodomésticosou grupos individuais de dispositivos elétricos, esta opção justifica-se. No entanto, turbinas eólicas compactas são usadas em grande número hoje por grandes empresas para alimentar instalações de produção. Com base em parques de mini-moinhos eólicos, são formados sistemas suficientemente produtivos e confiáveis que podem competir com geradores únicos de alta potência.

Características das turbinas eólicas offshore

A popularidade deste tipo de moinho de vento deve-se a várias vantagens em relação às estações localizadas em terra. Trata-se principalmente de condições de trabalho mais estáveis, uma vez que os fluxos de vento não são obstruídos longe da costa. Ao mesmo tempo, as estruturas das turbinas eólicas offshore são divididas em dois grupos - suporte e flutuante. Os primeiros são instalados em águas rasas com um suporte clássico no solo subaquático. As estações flutuantes, respectivamente, possuem plataforma flutuante própria com fixação por meio de âncoras e outros dispositivos marítimos.

Combinação de estruturas de turbinas eólicas com estruturas de construção

Existe também um grupo muito promissor de moinhos de vento que estão literalmente integrados nos cascos dos arranha-céus. Esta solução apresenta duas vantagens - condições favoráveis para a "receção" de fluxos e uma redução no percurso de entrega de eletricidade, uma vez que a fonte final de abastecimento são normalmente os consumidores no interior do edifício. Actualmente, a integração de aerogeradores deste tipo é feita com mais frequência utilizandocilindros aerodinâmicos especiais que são montados nos telhados dos arranha-céus. Também está sendo desenvolvido o conceito de mini-hélices, que podem ser colocadas em qualquer parte de um canteiro de obras alto. Os dispositivos são literalmente integrados nas paredes, após o que são conectados ao sistema geral de alimentação, fornecendo uma quantidade pequena, mas estável de energia.

Conclusão

Nos últimos anos, o interesse em turbinas eólicas aumentou significativamente na Rússia. Grandes estações com capacidade de até 30-50 MW são colocadas em operação periodicamente em diferentes regiões. Para o nosso país, os moinhos de vento são especialmente úteis porque nos permitem fornecer energia a regiões remotas onde neste momento não há possibilidade de organizar outros meios de abastecimento energético. O segmento de pequenas usinas eólicas também está se desenvolvendo ativamente. Na Rússia, os sistemas de energia individuais com capacidade de 1-5 kW tornaram-se muito populares. Ao mesmo tempo, os desenvolvedores não se recusam a combinar os princípios de operação dos moinhos de vento com os motores de combustão interna. Sucessos nessa direção são demonstrados, em particular, por projetos eólicos a diesel. Ainda é difícil dizer quanta energia eólica será demandada na Rússia nas próximas décadas, uma vez que as posições das fontes tradicionais de energia ainda são fortes. Mas as tendências na transição para energia alternativa em todo o mundo provavelmente estimularão a indústria russa a explorar ativamente essas áreas.