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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Tipos de plantas de energía eólica. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Hay muchos aerogeneradores diferentes (WPP), pero todos ellos se pueden dividir en dos tipos: con un eje de rotación horizontal y vertical. Los primeros tienen una estructura compleja, pero tienen una mayor tasa de aprovechamiento de la energía eólica, por lo que son más utilizados en la industria. Los segundos son de diseño más simple, pero menos productivos. Son escasos en el mercado y se suelen utilizar en viviendas particulares. Aerogeneradores horizontales (alados) Las turbinas eólicas con ruedas de viento aladas y un eje de rotación horizontal se han generalizado (Fig. 1). Entre ellos, los aerogeneradores de dos y tres palas han recibido el mayor desarrollo. Horizontal (paleta; WES: mecanismos de palas con un eje de rotación horizontal. La velocidad de rotación y la facilidad de fabricación han llevado al uso generalizado de aerogeneradores de paletas en la industria. Para garantizar la máxima velocidad de rotación, las palas de un aerogenerador de paletas deben estar ubicado verticalmente - perpendicular al flujo de aire.Para lograr esto, se utiliza un dispositivo especial: estabilizador.Los parques eólicos horizontales se pueden conectar directamente al generador sin multiplicadores.Los generadores de turbina de rueda tienen un factor de utilización de energía eólica mucho más alto.Al mismo tiempo tiempo, su velocidad de rotación es inversamente proporcional al número de alas. Es decir, cuanto más pequeñas son las palas, mayor es la velocidad de rotación. Por lo tanto, prácticamente no se utilizan instalaciones con más de tres palas. El par de la rueda de viento en ellos es creado por la fuerza de elevación formada cuando el flujo de aire fluye alrededor del perfil de las palas. Como resultado, la energía cinética del flujo de aire dentro del área barrida por las palas se convierte en energía mecánica de rotación de la rueda de viento. La potencia desarrollada sobre el eje de la rueda de viento es proporcional al cuadrado de su diámetro y al cubo de la velocidad del viento. Según la teoría clásica de N. E. Zhukovsky, para una turbina eólica ideal, el coeficiente de utilización de la energía eólica es ξ=0,593. Es decir, una rueda de viento ideal (con un número infinito de palas) puede extraer el 59,3% de la energía que pasa por su sección transversal. En realidad, en la práctica, para las mejores ruedas de alta velocidad, el valor máximo del factor de aprovechamiento de la energía eólica alcanza 0,45-0,48, y para las ruedas de baja velocidad, hasta 0,36-0,38. Una característica importante de un aerogenerador es su velocidad, que es la relación entre la velocidad del extremo de la pala y la velocidad del flujo del viento. El extremo de la pala normalmente se mueve en el plano de la rueda de viento a una velocidad que es varias veces mayor que la velocidad del viento. Los valores de velocidad óptimos para una rueda de dos palas son 5-7, para una de tres palas - 4-5, para una de seis palas - 2,5-3,5. De las características de diseño, la potencia de una rueda de viento está influenciada principalmente por su diámetro, así como por la forma y el perfil de las palas. La potencia depende poco del número de palas. La frecuencia de rotación de la rueda de viento es proporcional a la velocidad y la velocidad de la turbina eólica e inversamente proporcional al diámetro. La altura del centro de la rueda también afecta la cantidad de energía, ya que la velocidad del viento depende de la altura. La potencia del aerogenerador, como se ha señalado, es proporcional a la velocidad del viento a la tercera potencia. A la velocidad del viento de diseño y superiores, se garantiza el funcionamiento del aerogenerador con la potencia nominal. A velocidades del viento por debajo de la capacidad de diseño de la turbina eólica puede ser del 20-30% de la nominal o menos. Bajo tales modos de operación, se producen grandes pérdidas de energía en los generadores debido a su baja eficiencia a bajas cargas, y en los generadores asíncronos, además, se producen grandes corrientes reactivas, que deben compensarse. Para eliminar esta desventaja, algunas turbinas eólicas utilizan generadores con una potencia nominal de 100 y 20-30% de la potencia nominal de la turbina eólica. En vientos flojos, el generador se apaga primero. En algunas turbinas eólicas, un pequeño generador también proporciona la capacidad de operar la instalación a bajas velocidades del viento a bajas velocidades con un alto valor del coeficiente de utilización de la energía eólica. baja potencia con la ayuda de la cola (tail), en unidades de pequeña y mediana potencia - mediante el mecanismo de la rosa de los vientos, y en modernas grandes instalaciones - un sistema especial de orientación que recibe un impulso de control del emisor de la dirección del viento (veleta) instalado en la parte superior de la góndola del aerogenerador. El mecanismo de la rosa de los vientos es una o dos pequeñas ruedas de viento, cuyo plano de rotación es perpendicular al plano de rotación de la rueda principal, trabajando para impulsar un tornillo sinfín que hace girar la plataforma del cabezal del aerogenerador hasta ese momento. hasta que las rosas de los vientos queden en un plano paralelo a la dirección del viento. Una rueda de viento alada con un eje de rotación horizontal se puede ubicar frente a la torre y detrás de ella. En este último caso, la pala está sometida a una acción constante y repetida de fuerzas variables mientras atraviesa la sombra de la torre, lo que al mismo tiempo aumenta significativamente el nivel de ruido. Se utilizan varios métodos para controlar la potencia y limitar la velocidad de rotación de la rueda de viento, incluida la rotación de las palas o partes de ellas alrededor de su eje longitudinal, así como aletas, válvulas en las palas y otros métodos. Las principales ventajas de los aerogeneradores con un eje horizontal de rotación de la rueda de viento es que las condiciones para el flujo de aire alrededor de las palas son constantes, no cambian cuando gira la rueda de viento, sino que están determinadas únicamente por la velocidad del viento. Debido a esto, así como un valor bastante alto del coeficiente de utilización de la energía eólica. Los aerogeneradores de tipo ala son actualmente los más utilizados. Aerogeneradores verticales (rotor) Otro tipo de aerogenerador es el rotor Savonius (Fig. 2). El par ocurre cuando el aire fluye alrededor del rotor debido a la diferente resistencia de las partes convexas y cóncavas del rotor. La rueda es simple, pero tiene un factor de utilización de energía eólica muy bajo: solo 0,10-0,15. En los últimos años, en varios países extranjeros, especialmente en Canadá, se comenzó a desarrollar un aerogenerador con rotor Darrieus, propuesto en Francia en 1920. Este rotor tiene un eje de rotación vertical y consta de dos a cuatro palas curvas. Las palas forman una estructura espacial que gira bajo la acción de fuerzas elevadoras. que surgen en las palas del flujo del viento. En el rotor Darrieus, el coeficiente de aprovechamiento de la energía eólica alcanza 0,30-0,35 Recientemente, se ha llevado a cabo el desarrollo del motor rotativo Darrieus con palas rectas. La principal ventaja de los aerogeneradores Darrieus es que no necesitan un mecanismo de orientación del viento. Tienen un generador y otros mecanismos colocados a poca altura cerca de la base. Todo esto simplifica enormemente el diseño. Sin embargo, una seria desventaja orgánica de estas turbinas eólicas es un cambio significativo en las condiciones del flujo alrededor del ala durante una revolución del rotor, que se repite cíclicamente durante la operación. Esto puede provocar fenómenos de fatiga y dar lugar a la destrucción de los elementos del rotor y accidentes graves, que deben tenerse en cuenta a la hora de diseñar el rotor (especialmente en aerogeneradores de alta potencia). Además, para comenzar, deben desenroscarse. Los parques eólicos verticales (carrusel, rotativos) son mecanismos de palas con un eje de rotación vertical. Operan a bajas velocidades del viento, pero tienen baja eficiencia. Por lo tanto, son bastante raros y se usan, por regla general, en sistemas domésticos. Al mismo tiempo, a diferencia de los horizontales, pueden operar en cualquier dirección del viento sin cambiar su posición. La propia instalación monitoriza "de dónde sopla el viento", por lo que no necesita ningún dispositivo adicional. Las turbinas eólicas rotativas son de baja velocidad, lo que permite utilizar circuitos eléctricos simples en ellas para recolectar energía, en particular, generadores asíncronos. Al mismo tiempo, la baja velocidad limita el uso de parques eólicos verticales, ya que obliga al uso de multiplicadores elevadores, multiplicadores de muy baja eficiencia. Es problemático operar una instalación de este tipo sin un multiplicador.
Dependencias del factor de utilización de la energía eólica ξ, de la velocidad Z para varios tipos de aerogeneradores se muestran en la Fig.3. Se puede observar que las ruedas de dos y tres palas con eje de rotación horizontal tienen el mayor valor de E. Para ellos alto ξ se conserva en un amplio rango de velocidad Z. Esta última es fundamental, ya que los aerogeneradores tienen que operar a velocidades del viento que varían dentro de amplios límites. Es por ello que las instalaciones de este tipo han recibido la mayor difusión en los últimos años.
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