Generatore eolico cinetico: dispositivo, principio di funzionamento, applicazioni

Il moderno generatore eolico cinetico consente di sfruttare la forza delle correnti d'aria, trasformandola in elettricità. A questo scopo esistono modelli di dispositivi industriali e fai-da-te, utilizzati sia nell'industria che nelle abitazioni private.

Le spiegheremo come sono realizzate le turbine eoliche di questo tipo, illustrando le caratteristiche del dispositivo e le varianti costruttive. Nell'articolo proposto vengono presentati i punti di forza e di debolezza dell'impianto eolico. Gli artigiani fai-da-te troveranno schemi utili e consigli per il montaggio.

Principio di funzionamento del generatore eolico

Il funzionamento del 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 piuttosto semplice: la rotazione delle pale, fissate sull'asse del dispositivo, provoca movimenti circolari del generatore del rotore, grazie ai quali viene prodotta energia elettrica.

L'energia eolica è uno dei settori più promettenti delle energie rinnovabili. Le costruzioni moderne consentono di sfruttare in modo economicamente efficiente la forza delle correnti d'aria, utilizzandola per produrre elettricità.

La corrente alternata instabile ottenuta 'confluisce' nel controller, dove viene convertita in tensione continua, in grado di caricare le batterie. Da lì l'alimentazione arriva all'inverter, dove viene trasformata in tensione alternata con un valore di 220/380 V, che viene poi fornita agli utenti.

La potenza del 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.

Struttura di un generatore eolico

Le diverse varianti di generatori eolici si differenziano notevolmente l'una dall'altra.

Nello schema riportato viene mostrata la struttura interna di un classico generatore eolico orizzontale. Questi modelli sono utilizzati più frequentemente sia nell'industria che in ambito domestico.

Dispositivi industriali costituiscono una struttura complessa di molti metri, per la cui installazione è necessaria una fondazione, mentre un modello domestico può essere composto da un minimo di componenti (un motore elettrico a corrente continua 3-12V, un condensatore elettrolitico 1000 μF 6V, un diodo raddrizzatore al silicio).

Un'installazione tipica comprende le seguenti parti:

• generatore di corrente alternata (la potenza dipende dalla velocità delle correnti eoliche);
• pale che trasmettono la rotazione all'albero del generatore (spesso sono inoltre dotate di riduttori, stabilizzatori della velocità di rotazione del rotore);
• palo del mulino a vento a cui sono fissate le pale (più alti sono questi elementi, maggiore è la quantità di energia eolica che possono ottenere);
• batterie che accumulano energia, permettendone l'utilizzo in presenza di un debole flusso eolico o in sua totale assenza. La batteria svolge anche la funzione di stabilizzazione dell'energia elettrica proveniente dal generatore;
• controllore – convertitore della tensione alternata proveniente dal generatore in tensione continua, utilizzata per caricare la batteria. Il controllo del controllore avviene tramite la rotazione delle pale, consentendo di tenere conto della direzione dei flussi d'aria;
• AVR – dispositivo di commutazione automatica che collega il generatore eolico ad altre fonti di energia (pannelli solari, rete elettrica);
• sensore di direzione del vento – strumento che facilita alle pale la ricerca del flusso eolico;
• inverter per convertire la corrente continua delle batterie in tensione alternata, utilizzata nelle comunicazioni elettriche.

Per soddisfare più pienamente le esigenze degli utenti, l'apparecchio può essere dotato di diversi tipi di inverter:

• dispositivi con onda sinusoidale modificata (a gradini), che producono un'onda sinusoidale quadra. I dispositivi di questo tipo sono adatti per resistenze, lampade a incandescenza e altri apparecchi poco esigenti sulla qualità della rete;
• inverter di tensione trifase, progettati per reti elettriche trifase;
• impianti con onda sinusoidale pura, che producono energia per apparecchiature più sensibili;
• inverter di rete, in grado di funzionare senza batterie. Tali dispositivi sono destinati a schemi che prevedono l'immissione diretta dell'energia elettrica nella rete comune.

Nella scelta dei modelli è necessario prestare attenzione al tipo di inverter.

Tipi di generatori eolici

Nella classificazione delle turbine eoliche si possono considerare caratteristiche come:

• destinazione d'uso;
• caratteristiche costruttive;
• numero di pale;
• materiali di cui sono realizzate;
• asse di rotazione;
• passo dell'elica.

Esaminiamo in dettaglio due delle classificazioni più utilizzate.

Classificazione dei generatori eolici per destinazione d'uso

Si distinguono varietà di impianti eolici che differiscono per destinazione d'uso. Da questo dipendono anche le caratteristiche principali dei dispositivi, ad esempio la potenza.

Turbine eoliche industriali

Questi dispositivi sono installati da grandi compagnie energetiche o dallo stato per fornire elettricità a siti industriali. Le turbine, con una potenza di decine di megawatt, sono solitamente collocate in aree ventose (alture aperte, coste).

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

L'energia elettrica prodotta, di norma, viene immessa direttamente nella rete, mentre per la stabilità e la regolazione della frequenza di rotazione delle pale, le turbine eoliche sono dotate di meccanismi aggiuntivi.

Generatori eolici commerciali

Questi impianti vengono utilizzati per produrre elettricità da vendere o per alimentare industrie in regioni con una rete elettrica debole (o del tutto assente). Tali centrali eoliche sono costituite da un insieme di generatori elettrici che possono avere potenze diverse.

L'energia degli impianti commerciali può essere immessa direttamente nelle comunicazioni elettriche oppure utilizzata per caricare un grande gruppo di batterie, dove viene accumulata e convertita per essere immessa nel sistema energetico.

Dispositivi eolici domestici

Gli aggregati di bassa potenza sono utilizzati per uso privato. Secondo le norme, le turbine eoliche con alberi di altezza inferiore a 25 metri possono essere installate dai proprietari dei terreni senza autorizzazione delle autorità; per alberi più alti è necessario ottenere un permesso speciale.

Le turbine eoliche di bassa e media potenza possono fungere da fonte di energia elettrica per villette, case di campagna, case suburbane, aziende agricole.

I generatori eolici domestici sono adatti per caricare batterie con tensione 12/24/48V, la cui energia viene trasformata in tensione 220 Volt. Tali dispositivi consentono di risolvere completamente o parzialmente il problema dell'alimentazione elettrica per piccole strutture situate lontano dalla rete elettrica centralizzata.

Con le linee guida per la scelta di un generatore eolico per l'approvvigionamento energetico di una casa privata, l'articolo la informerà, dedicato a questo interessante argomento.

Varietà di costruzioni delle turbine eoliche

In base alle caratteristiche costruttive, i dispositivi possono essere suddivisi in diverse categorie, sebbene tutte le varianti si riducano a due tipi principali: verticali e orizzontali.

Generatori eolici orizzontali classici

Tali impianti (detti anche ad elica o a pale) hanno solitamente 3-5 pale montate su un asse orizzontale. Ruotando ad alta velocità, questi elementi consentono di ottenere la massima quantità di energia (coefficiente di utilizzo dell'energia eolica fino a 0.4).

Inoltre, la quantità di energia elettrica prodotta dipende in gran parte dall'altezza del dispositivo (più è alto, maggiore è il risultato).

Un generatore eolico orizzontale utilizza la forza di portanza che si genera quando la pressione aumenta nel punto in cui il flusso d'aria diretto passa attraverso le pale, riflettendosi su questi elementi.

Tali dispositivi sono solitamente installati nei parchi eolici, dove viene prodotta energia per uso industriale e commerciale, ma sono adatti anche per uso domestico.

Una soluzione interessante per la turbina eolica orizzontale è il modello a pala singola; la seguente galleria di foto ne illustra le caratteristiche:

Turbine eoliche verticali

L'elemento attivo di tali impianti è una ruota eolica rotante. A causa delle caratteristiche costruttive, queste strutture si differenziano per tipologia ('Barile', 'Savonius').

Il principio di funzionamento della turbina del generatore verticale Savonius viene illustrato dalla seguente galleria fotografica:

Nonostante il basso coefficiente di potenza (0.1-0.2), trovano un'applicazione piuttosto ampia: le installazioni verticali operano su flussi d'aria turbolenti, grazie ai quali possono essere posizionate anche in aree dove soffiano raramente venti forti.

Il funzionamento dei generatori eolici verticali non dipende dalla direzione del vento. Sono semplici da installare e utilizzare, inoltre tali dispositivi possono essere posizionati vicino al suolo.

Per aumentare l'efficacia dei generatori eolici verticali, i produttori spesso ne aumentano le dimensioni, portando a un notevole aumento del costo. Poiché tali installazioni sono piuttosto fragili, necessitano di una maggiore protezione contro uragani e altri eventi naturali.

Generatori eolici «Rotor Darrieus»

Tali dispositivi appartengono alla categoria delle turbine eoliche verticali, ma presentano differenze costruttive marcate. Grazie a queste caratteristiche, si ottiene una riduzione del rumore e un aumento del coefficiente di potenza, che si avvicina ai valori dei modelli orizzontali.

Proposta nel 1931 dall'ingegnere aeronautico francese Georges Darrieus, la turbina a bassa pressione con asse di rotazione perpendicolare al flusso d'aria ha trovato ampia applicazione nell'energia eolica.

Lo svantaggio di tali costruzioni è il basso momento di avviamento (a causa della presenza di solo due pale, il dispositivo ha difficoltà ad avviarsi autonomamente). Per risolvere il problema, viene spesso utilizzato un ibrido «Savonius+Darrieus».

Impianti eolici a vela

Per tali installazioni può essere applicato il principio di costruzione sia di generatori eolici verticali che orizzontali. La caratteristica costruttiva principale è una ruota eolica ricoperta da molte pale o vele, mentre tali modelli sono privi di profilo aerodinamico.

Esistono molti modelli di generatori eolici a vela, che si differenziano per numero di pale, peso e potenza. Tutti questi parametri vanno considerati nella scelta del dispositivo.

Sebbene gli impianti a vela siano caratterizzati da bassa velocità e scarsa efficienza, vengono spesso utilizzati in ambito domestico. Tali strutture sono facili da montare e da manutenere, e la combinazione di un elevato momento torcente con basse rotazioni permette di azionare direttamente vari meccanismi utili, ad esempio una pompa per l'estrazione dell'acqua.

La seguente galleria mostra uno dei modelli di mulini a vento a vela realizzati nella pratica:

Generatore per turbina eolica

Per il funzionamento dei mulini a vento sono necessari normali generatori trifase. La struttura di questi dispositivi è simile ai modelli utilizzati nelle automobili, ma con parametri più elevati.

Negli apparecchi per turbine eoliche è previsto un avvolgimento statorico trifase (collegamento a stella), da cui escono tre fili che vanno al controller, dove la tensione alternata viene trasformata in continua.

Il rotore del generatore per turbina eolica è realizzato con magneti al neodimio: in tali strutture non è conveniente utilizzare l'eccitazione elettrica, poiché la bobina consuma molta energia.

Per aumentare i giri, spesso viene utilizzato un moltiplicatore. Un tale dispositivo consente di aumentare la potenza del generatore esistente o di utilizzare un dispositivo più piccolo, riducendo così il costo dell'impianto.

I moltiplicatori sono più spesso utilizzati nei generatori eolici verticali, dove il processo di rotazione della ruota eolica è più lento. Per i dispositivi orizzontali ad alta velocità di rotazione delle pale, i moltiplicatori non sono necessari, il che semplifica e riduce i costi della struttura.

Le specifiche di assemblaggio e installazione del generatore eolico da una lavatrice e dell'impianto eolico da un generatore automobilistico sono descritte in dettaglio negli articoli che raccomandiamo.

Vantaggi e svantaggi del generatore eolico

Esaminiamo in dettaglio i vantaggi e gli svantaggi delle turbine eoliche, poiché da essi dipende la decisione di acquistare un mulino a vento o di rinunciarvi.

Vantaggi dei dispositivi eolici

Tra i vantaggi dei dispositivi che utilizzano l'energia eolica rientrano:

• Rispetto dell'ambiente. Gli impianti utilizzano una fonte di energia rinnovabile che può essere utilizzata costantemente senza danneggiare l'ambiente. L'elettricità prodotta dagli aerogeneratori sostituisce l'energia delle centrali termoelettriche, 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 apprezzata in luoghi remoti, dove è difficile estendere le normali reti elettriche. In questo caso, gli aerogeneratori consentono di alimentare gli impianti, garantendo loro indipendenza da fattori casuali (ad esempio, la mancata consegna tempestiva di carburante).
• Efficienza d'uso. I modelli moderni sfruttano l'energia anche dei venti deboli – la soglia minima è di 3,5 m/s. In questo modo, è possibile fornire energia supplementare alla rete centralizzata, nonché organizzare l'alimentazione elettrica di singoli impianti (insulari o locali) indipendentemente dalla loro potenza.
• Valida alternativa alle fonti tradizionali. Gli impianti eolici fissi possono fornire completamente elettricità a una casa residenziale o persino a un piccolo impianto produttivo. In questo caso, la turbina accumulerà nelle batterie la scorta di energia elettrica necessaria, destinata all'uso durante i periodi senza vento.
• Economicità. Rispetto alle fonti tradizionali di energia elettrica (gas, torba, carbone, petrolio), le turbine eoliche consentono di ridurre significativamente i costi energetici. In molti casi, la costruzione di un impianto eolico costa meno che collegarsi alle reti energetiche esistenti.

L'uso di aerogeneratori può rappresentare un'alternativa all'uso di costosi generatori diesel, riducendo ulteriormente i costi di trasporto e stoccaggio del carburante fino all'80%.

La potenza media di una turbina eolica differisce notevolmente dal valore del carico di punta. L'aerogeneratore è responsabile solo della quantità di energia prodotta in un determinato intervallo di tempo con la velocità media mensile del vento caratteristica della zona.

Per una valutazione più precisa delle risorse eoliche, è possibile utilizzare dati appositamente derivati (parametri di Weibull). Questi indicatori riflettono la distribuzione dei venti di diversa forza caratteristica di una specifica località. È importante tenere conto di tali informazioni quando si sviluppano progetti di parchi eolici, la cui potenza è di decine di MW.

La potenza prodotta da una turbina eolica è proporzionale al triplo della velocità del vento. Di conseguenza, questo valore è molto piccolo in caso di flussi deboli, ma aumenta bruscamente quando si intensificano. A causa della variabilità della direzione e della velocità del vento, nella progettazione di una turbina eolica è necessario prevedere componenti stabilizzanti.

Le regole e le formule per il calcolo della potenza del generatore eolico sono riportate qui, La consigliamo di prendere visione di informazioni molto utili.

Nei piccoli sistemi autonomi, la funzione è svolta dalle batterie, la cui carica inizia ad aumentare non appena la potenza del generatore eolico supera il livello di carico.

Con l'aumento del carico, la batteria potrebbe scaricarsi. È importante tenere conto di questa caratteristica operativa nella scelta di un'unità domestica: la sua potenza deve corrispondere al consumo mensile o annuale di energia elettrica.

Va notato che l'efficace sfruttamento dei flussi eolici è favorito dalla diversità delle costruzioni delle turbine eoliche.

Le turbine orizzontali offrono prestazioni elevate in aree pianeggianti con molto vento, mentre le turbine verticali funzionano meglio in regioni con flussi turbolenti, che si trovano a bassa quota (sulla sommità di colline e catene montuose).

Principali svantaggi delle turbine eoliche

Allo stesso tempo, le turbine eoliche presentano anche aspetti negativi:

• È difficile prevedere in anticipo la forza del vento, poiché spesso cambia. Per questo motivo, è consigliabile prevedere una soluzione di backup, predisponendo una fonte di energia di riserva (pannelli solari, collegamento alla rete elettrica).
• I dispositivi verticali sono a rischio di rottura delle pale dell'elica a causa delle forze centrifughe durante la rotazione attorno all'asse principale. A causa di questo effetto, gli elementi strutturali importanti si deformano e si rompono nel tempo, e il meccanismo si guasta.
• È meglio installare le turbine eoliche in spazi aperti, poiché gli edifici vicini possono «attenuare» il vento, creando una «zona morta» d'aria.
• Per conservare l'energia in eccesso delle turbine eoliche, è necessario prevedere nella progettazione l'uso di batterie e altri dispositivi aggiuntivi, che servono a convertire l'elettricità prodotta in corrente con caratteristiche di consumo adeguate.
• Durante il funzionamento, i generatori eolici producono rumore che può causare disagio alle persone e spaventare gli animali. Le pale delle installazioni possono anche causare la morte degli uccelli che vi si avvicinano.
• Secondo alcuni esperti, le turbine eoliche possono peggiorare la ricezione delle trasmissioni radio e televisive.

Tra gli aspetti negativi si può anche annoverare il costo piuttosto elevato di tali apparecchiature, tuttavia la convenienza della fonte energetica compensa in gran parte questo fattore.

Schemi e modalità di collegamento

Sebbene un impianto eolico possa funzionare anche in modo autonomo, è possibile ottenere risultati significativamente migliori utilizzando schemi combinati che prevedono l'abbinamento del dispositivo eolico con pannelli solari, rete elettrica centralizzata, fonti energetiche diesel o a gas.

Funzionamento autonomo. In questo caso viene installata una singola unità, con la quale viene catturata e accumulata l'energia eolica, che viene poi convertita nella corrente elettrica necessaria ai consumatori.

Nello schema viene mostrato il metodo più semplice per utilizzare un generatore eolico, che è consigliabile impiegare nelle regioni dove soffiano venti forti costanti.

Combinazione di generatore eolico con pannelli solari. La variante combinata è considerata un modo affidabile ed efficace per l'alimentazione elettrica. In assenza di vento, la batteria funziona grazie ai pannelli solari, mentre in caso di tempo nuvoloso e durante la notte la ricarica avviene tramite l'impianto eolico.

Soluzione ideale per una casa privata o una fattoria situata lontano dalla rete elettrica centralizzata. Questo schema combinato consente di utilizzare due tipi di energia rinnovabile.

Funzionamento combinato del generatore eolico e della rete elettrica. La turbina eolica può essere combinata con le reti elettriche.

Questo schema è tipico per dispositivi industriali e commerciali. Anche alcuni modelli di generatori eolici domestici prevedono il collegamento alle reti elettriche.

In caso di eccesso di elettricità prodotta, questa viene immessa nella rete centralizzata, mentre in caso di carenza è possibile utilizzare la corrente elettrica dal sistema energetico generale.

Aspetti specifici dell'uso dei generatori eolici

Attualmente le turbine eoliche sono utilizzate in vari settori dell'economia nazionale. Modelli industriali di diversa potenza sono impiegati da compagnie petrolifere e del gas, aziende di telecomunicazioni, stazioni di perforazione e prospezione geologica, impianti di produzione e istituzioni pubbliche.

Un generatore eolico può essere utilizzato come fonte aggiuntiva di energia in ospedali e altre strutture per garantire una fornitura continua di elettricità in situazioni di emergenza.

In particolare, va sottolineata l'importanza dell'uso di impianti eolici per il ripristino rapido dell'elettricità interrotta in caso di catastrofi e calamità naturali. A questo scopo, i generatori eolici sono spesso utilizzati dalle unità del MChS.

Le turbine eoliche domestiche sono perfette per l'illuminazione e il riscaldamento di villaggi di cottage e case private, nonché per scopi agricoli nelle fattorie.

A questo proposito, è necessario tenere presente alcuni aspetti:

• I dispositivi fino a 1 kW possono fornire una quantità sufficiente di elettricità solo in zone ventose. Di solito l'energia da essi prodotta è sufficiente solo per l'illuminazione a LED e l'alimentazione di piccoli apparecchi elettronici.
• Per alimentare completamente una dacia (casa di campagna) con elettricità, sarà necessario un generatore eolico con una potenza superiore a 1 kW. Questo valore è sufficiente per alimentare gli apparecchi di illuminazione, oltre a computer e televisore, ma non è abbastanza per fornire elettricità a un frigorifero moderno in funzione continua.
• Per fornire energia a una villetta, sarà necessario un generatore eolico con una potenza di 3-5 kW, ma anche questo valore non è sufficiente per il riscaldamento degli ambienti. Per usufruire di tale funzione è necessaria una versione potente, a partire da 10 kW.

Nella scelta del modello, occorre considerare che la potenza indicata sul dispositivo viene raggiunta solo alla velocità massima del vento. Ad esempio, un impianto da 300 W produrrà la quantità di energia indicata solo quando la velocità delle correnti d'aria è di 10-12 m/s.

Ai desiderosi di costruire un generatore eolico con le proprie mani, proponiamo il seguente articolo, in cui sono descritte in dettaglio informazioni utili.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video qui sotto vengono fornite informazioni dettagliate sul principio di funzionamento e sulla costruzione di un modello domestico di generatore eolico:

Il generatore eolico è un'ottima fonte di produzione di energia elettrica, particolarmente apprezzata dagli abitanti di zone remote. Diverse aziende russe e straniere offrono una vasta gamma di turbine eoliche; inoltre, i modelli domestici possono essere realizzati anche artigianalmente.

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