Aerogerador cinético: estrutura, princípio de funcionamento, aplicação

O aerogerador cinético moderno permite aproveitar a força das correntes de ar, convertendo-a em eletricidade. Para esse fim, existem modelos industriais e artesanais de dispositivos que são utilizados tanto na indústria quanto em propriedades particulares.

Vamos explicar como funcionam os aerogeradores desse tipo, apresentar as características do dispositivo e as variantes construtivas. No artigo proposto, destacamos os pontos fortes e fracos de uma instalação de energia eólica. Os construtores autônomos encontrarão aqui esquemas úteis e recomendações para a montagem.

Princípio de funcionamento do aerogerador

O funcionamento do aerogerador baseia-se na transformação da energia cinética do vento em energia mecânica do rotor, que depois é convertida em eletricidade.

O princípio de funcionamento é bastante simples: a rotação das pás, fixadas no eixo do dispositivo, gera movimentos circulares do rotor do gerador, o que produz energia elétrica.

A energia eólica é uma das áreas mais promissoras da energia renovável. As construções modernas permitem aproveitar economicamente a força dos fluxos de ar, utilizando-a para gerar eletricidade.

A corrente alternada instável obtida “escoa” para o controlador, onde é convertida em tensão contínua capaz de carregar as baterias. A partir daí, a energia vai para o inversor, onde é transformada em tensão alternada de 220/380 V, que é fornecida aos consumidores.

A potência do aerogerador depende diretamente da potência do fluxo de ar (N), calculada pela fórmula N=pSV³/2, onde V é a velocidade do vento, S é a área de trabalho e p é a densidade do ar.

Estrutura do aerogerador

Os diferentes modelos de aerogeradores diferem significativamente entre si.

O esquema apresentado mostra a estrutura interna de um aerogerador horizontal clássico. Esses modelos são os mais usados tanto na indústria quanto no uso doméstico.

Os dispositivos industriais são estruturas complexas de vários metros, que exigem fundação para instalação, enquanto o modelo doméstico pode consistir em um mínimo de componentes (motor elétrico de corrente contínua de 3-12 V, capacitor eletrolítico de 1000 µF e 6 V, diodo retificador de silício).

A instalação típica inclui os seguintes componentes:

• gerador de corrente alternada (a potência depende da velocidade dos fluxos de vento);
• pás que transmitem a rotação ao eixo do gerador (muitas vezes são equipadas adicionalmente com redutores, estabilizadores da velocidade de rotação do rotor);
• mastro do aerogerador, ao qual as pás são fixadas (quanto mais alto esses elementos estiverem, mais energia eólica poderão captar);
• baterias que acumulam energia, permitindo utilizá-la quando há pouco vento ou nenhum. A bateria também desempenha a função de estabilizar a energia elétrica proveniente do gerador;
• controlador – conversor da tensão alternada obtida do gerador em tensão contínua, usada para carregar a bateria. O controle do controlador é feito pelo giro das pás, o que permite considerar a direção dos fluxos de ar;
• ATS – dispositivo de transferência automática que conecta o aerogerador a outras fontes de energia (painéis solares, rede elétrica);
• sensor de direção do vento – dispositivo que facilita às pás encontrar o fluxo de vento;
• inversor para converter a corrente contínua das baterias em tensão alternada, usada nas comunicações elétricas.

Para satisfazer mais completamente as necessidades do usuário, o dispositivo pode ser equipado com diferentes tipos de inversores:

• dispositivos com inversor de seno modificado, que produz uma senoide quadrada. Dispositivos deste tipo são adequados para resistores de aquecimento, lâmpadas incandescentes e outros aparelhos que não exigem qualidade de rede;
• inversores de tensão trifásica, projetados para redes elétricas trifásicas;
• instalações com seno puro, que produzem energia para equipamentos mais sensíveis;
• inversores de rede, capazes de funcionar sem baterias. Tais dispositivos são destinados a esquemas que envolvem o fornecimento de energia elétrica diretamente à rede geral.

Ao escolher modelos, deve-se necessariamente prestar atenção ao tipo de inversor.

Tipos de aerogeradores

Na classificação de turbinas eólicas, podem ser consideradas características como:

• finalidade;
• características construtivas;
• número de pás;
• materiais de que são feitos;
• eixo de rotação;
• passo da hélice.

Vamos examinar detalhadamente duas das classificações mais utilizadas.

Classificação dos aerogeradores por finalidade

São identificadas variedades de aerogeradores que diferem em finalidade. As principais características dos dispositivos, como a potência, dependem disso.

Turbinas eólicas industriais

Tais dispositivos são instalados por grandes empresas de energia ou pelo governo para fornecer eletricidade a instalações industriais. Turbinas com potência de dezenas de megawatts são geralmente localizadas em parques eólicos (colinas abertas, litorais).

Parques eólicos, onde são instaladas dezenas de turbinas eólicas, são implantados não apenas em terra, mas também em águas rasas. A eletricidade gerada é geralmente utilizada para fins industriais.

A eletricidade gerada geralmente vai diretamente para a rede, enquanto, para estabilidade e regulação da velocidade de rotação das pás, as turbinas eólicas são equipadas com mecanismos adicionais.

Geradores eólicos comerciais

Tais instalações são utilizadas para gerar eletricidade para venda ou para fornecer energia a produções em regiões com rede elétrica de baixa potência (ou totalmente ausente). Essas usinas eólicas consistem em um conjunto de geradores elétricos que podem ter diferentes potências.

A energia das instalações comerciais pode ir diretamente para as comunicações elétricas ou ser usada para carregar um grande conjunto de baterias, onde é armazenada e convertida para fornecimento ao sistema de energia.

Dispositivos eólicos domésticos

Unidades de baixa potência são usadas para uso particular. De acordo com as regras, turbinas eólicas com mastros de altura inferior a 25 metros podem ser instaladas pelos proprietários dos terrenos sem consulta às autoridades; para mastros mais altos, é necessária uma permissão especial.

Turbinas eólicas de baixa e média potência podem servir como fonte de energia elétrica para casas de campo, chácaras, casas suburbanas, fazendas.

Os aerogeradores domésticos são adequados para carregar baterias com tensão de 12/24/48V, cuja energia é transformada em tensão de 220 Volts. Esses dispositivos permitem resolver total ou parcialmente o problema de fornecimento de eletricidade para pequenas instalações localizadas longe da rede elétrica centralizada.

Para orientações sobre como escolher um aerogerador para fornecer energia a uma casa particular, consulte o artigo dedicado a esse interessante tema.

Tipos de construção de aerogeradores

De acordo com as características de construção, os dispositivos também podem ser divididos em várias categorias, embora todas as variedades se resumam a dois tipos principais: verticais e horizontais.

Aerogeradores horizontais clássicos

Essas instalações (também chamadas de hélices ou de pás) geralmente têm 3 a 5 pás montadas em um eixo horizontal. Girando em alta velocidade, esses elementos permitem obter a quantidade máxima de energia (coeficiente de utilização de energia eólica de até 0,4).

Além disso, a quantidade de eletricidade gerada depende muito da altura do dispositivo (quanto mais alto, maior o resultado).

O aerogerador horizontal utiliza a força de sustentação que surge quando a pressão aumenta no ponto onde o fluxo de ar direto passa pelas pás, refletindo-se nesses elementos.

Esses dispositivos geralmente são instalados em parques eólicos, onde é gerada energia para uso industrial e comercial, mas também são adequados para uso doméstico.

Uma solução interessante de turbina eólica horizontal é o modelo de uma única pá, cujas características serão apresentadas na seguinte seleção de fotos:

Turbinas eólicas verticais

O elemento ativo de instalações semelhantes é uma roda eólica rotativa. Devido a características construtivas, essas construções diferem em tipos («Barril», «Savonius»).

O princípio de funcionamento da turbina do gerador vertical Savonius é apresentado na seguinte seleção de fotos:

Apesar do baixo índice CAE (0.1-0.2), elas encontram aplicação bastante ampla: as instalações verticais operam em fluxos de ar turbulentos, graças ao que podem ser colocadas mesmo em regiões onde ventos fortes raramente sopram.

O funcionamento dos aerogeradores verticais não depende da direção dos ventos. Eles são simples de instalar e operar, além disso, tais dispositivos podem ser colocados próximos ao solo.

Para aumentar o desempenho das turbinas eólicas verticais, os fabricantes frequentemente aumentam seus parâmetros dimensionais, o que leva a um aumento significativo de custo. Como tais instalações são bastante frágeis, exigem proteção reforçada contra furacões e outros fenômenos naturais.

Aerogeradores "Rotor Darrieus"

Tais dispositivos pertencem à categoria de turbinas eólicas verticais, mas apresentam diferenças distintas na construção. Graças a essas características, consegue-se uma redução do ruído, além de um aumento do KIEV, que se aproxima dos indicadores dos modelos horizontais.

Proposta em 1931 pelo engenheiro aeronáutico francês Georges Darrieus, a turbina de baixa pressão com eixo de rotação perpendicular ao ar encontrou ampla aplicação na energia eólica.

A desvantagem dessas construções é o baixo torque de partida (devido à presença de apenas duas pás, o dispositivo tem dificuldade em iniciar sozinho). Para resolver o problema, é frequentemente utilizado o híbrido "Savonius+Darrieus".

Aerogeradores de vela

Para tais instalações, pode ser aplicado o princípio de funcionamento tanto de moinhos de vento verticais quanto horizontais. A principal característica construtiva é a roda eólica coberta por múltiplas pás ou velas, não havendo perfil aerodinâmico nesses modelos.

Existem muitos modelos de geradores eólicos de vela, que se diferenciam pelo número de pás, peso e potência. Todos esses parâmetros devem ser considerados ao escolher um dispositivo.

Apesar de as instalações de vela se caracterizarem por baixa velocidade e pequena eficiência, são frequentemente utilizadas na economia doméstica. Essas construções são fáceis de instalar e operar, e a combinação de alto torque com baixa rotação permite acionar diretamente vários mecanismos úteis, como uma bomba para extração de água.

A seguinte galeria apresenta um dos modelos de moinhos de vento de vela implementados na prática:

Gerador para turbina eólica

Para o funcionamento dos moinhos de vento, são necessários geradores trifásicos comuns. A construção desses dispositivos é semelhante aos modelos usados em automóveis, mas com parâmetros maiores.

Nos dispositivos para turbinas eólicas, há um enrolamento trifásico do estator (conexão em estrela), de onde saem três fios que vão para o controlador, onde ocorre a transformação da tensão alternada em contínua.

O rotor do gerador para turbina eólica é fabricado com ímãs de neodímio: em tais construções, não é viável usar excitação elétrica, pois a bobina consome muita energia.

Para aumentar a rotação, frequentemente é usado um multiplicador. Esse dispositivo permite aumentar a potência do gerador existente ou usar um dispositivo de tamanho menor, reduzindo o custo da instalação.

Multiplicadores são mais frequentemente usados em turbinas eólicas de eixo vertical, onde o processo de rotação da hélice é mais lento. Para dispositivos horizontais com alta velocidade de rotação das pás, multiplicadores não são necessários, o que simplifica e reduz o custo da construção.

As especificidades de montagem e instalação de um gerador eólico a partir de uma máquina de lavar e de uma turbina eólica a partir de um alternador de carro são detalhadas nos artigos que recomendamos.

Vantagens e desvantagens do aerogerador

Vamos examinar detalhadamente as vantagens e desvantagens das turbinas eólicas, pois é delas que depende a decisão de comprar uma turbina eólica ou desistir dela.

Vantagens dos dispositivos eólicos

Entre as vantagens dos dispositivos que utilizam energia eólica, estão:

• Sustentabilidade ambiental. As instalações utilizam uma fonte de energia renovável que pode ser usada continuamente sem prejudicar o meio ambiente. A eletricidade gerada pelos geradores eólicos substitui a energia das usinas térmicas, reduzindo as emissões de gases de efeito estufa.
• Versatilidade. As usinas eólicas podem ser construídas praticamente em qualquer lugar: em planícies, montanhas, campos, ilhas e até mesmo em águas rasas. A energia eólica é especialmente valorizada em locais remotos, onde é difícil estender as comunicações elétricas convencionais. Os geradores eólicos, neste caso, permitem estabelecer o fornecimento de energia para objetos, garantindo independência de fatores aleatórios (por exemplo, de combustível não entregue a tempo).
• Eficiência de uso. Os modelos modernos convertem a energia mesmo de ventos fracos – o limite mínimo é de 3,5 m/s. Dessa forma, é possível fornecer eletricidade suplementar à rede centralizada, bem como organizar o fornecimento de energia para objetos individuais (insulares ou locais) independentemente de sua potência.
• Alternativa viável às fontes tradicionais. Usinas eólicas fixas podem fornecer eletricidade totalmente para uma casa residencial ou mesmo para uma pequena instalação industrial. Nesse caso, a turbina acumulará em baterias a reserva necessária de eletricidade, destinada ao uso durante períodos sem vento.
• Economicidade. Em comparação com as fontes tradicionais de energia elétrica (gás, turfa, carvão mineral, petróleo), as turbinas eólicas permitem reduzir significativamente os custos de energia. Em muitos casos, a construção de uma usina eólica sai mais barata do que a conexão aos sistemas de energia existentes.

O uso de turbinas eólicas pode ser uma alternativa ao uso de geradores a diesel caros, reduzindo adicionalmente os custos de transporte e armazenamento de combustível em até 80%.

A potência média de uma turbina eólica difere várias vezes do valor da carga de pico. O gerador eólico responde apenas pela quantidade de energia gerada em um determinado período de tempo, considerando a velocidade média mensal do vento característica da região.

Para uma avaliação mais precisa dos recursos eólicos, é possível utilizar dados especialmente derivados (parâmetros de Weibull). Esses indicadores refletem a distribuição característica de ventos de diferentes intensidades em uma determinada localidade. É importante considerar essas informações ao desenvolver projetos de parques eólicos cuja potência chega a dezenas de MW.

A potência gerada por uma turbina eólica é proporcional ao cubo da velocidade do vento. Portanto, esse valor é muito baixo em fluxos de vento fracos, mas aumenta drasticamente quando eles se intensificam –. Devido à variabilidade da direção e velocidade dos ventos, é necessário incluir componentes estabilizadores no projeto da turbina eólica.

As regras e fórmulas para calcular a potência do gerador eólico são apresentadas aqui, recomendamos que você leia informações muito úteis.

Em pequenos sistemas autônomos, essa função é realizada por baterias, cuja carga começa a aumentar assim que a potência do gerador eólico excede o valor da carga.

Quando a carga aumenta, a bateria pode descarregar. É importante considerar essa característica de operação ao escolher um equipamento doméstico: sua potência deve corresponder ao consumo mensal ou anual de eletricidade.

Vale notar que a diversidade de projetos de geradores eólicos contribui para o uso eficiente dos fluxos de vento.

As turbinas horizontais apresentam bom desempenho em áreas planas com muito vento, enquanto as turbinas verticais funcionam melhor em regiões com fluxos turbulentos próximos ao solo (no topo de colinas, cadeias de montanhas).

Principais desvantagens dos aerogeradores

Ao mesmo tempo, as turbinas eólicas também têm seus aspectos negativos:

• A força do vento é difícil de prever com antecedência, pois muda com frequência. Por isso, é desejável planejar uma medida de segurança, prevendo uma fonte de energia redundante (painéis solares, conexão à rede elétrica).
• Os dispositivos verticais correm o risco de destruição das pás do rotor devido às forças centrífugas durante a rotação das pás em torno do eixo principal. Como resultado desse efeito, os elementos importantes da estrutura se deformam e se quebram com o tempo, e o mecanismo falha.
• As turbinas eólicas devem ser instaladas em espaços abertos, pois edifícios próximos podem 'amortecer' o vento, criando uma 'zona morta' de ar.
• Para armazenar a energia excedente das turbinas eólicas, é necessário prever na construção o uso de baterias e outros dispositivos adicionais, que servem para converter a eletricidade obtida em corrente com características adequadas ao consumo.
• Durante a operação, os geradores eólicos produzem ruído, que pode causar desconforto às pessoas e afastar os animais. As pás das instalações também podem causar a morte de pássaros que se aproximam.
• Na opinião de alguns especialistas, as turbinas eólicas podem prejudicar a recepção de transmissões de rádio e televisão.

Entre os aspectos negativos, também se pode incluir o custo bastante elevado desses equipamentos, porém a baixa fonte de energia anula em grande parte esse fator.

Esquemas e métodos de conexão

Embora a turbina eólica possa funcionar de forma autônoma, um resultado significativamente melhor é alcançado através de esquemas combinados, que preveem a combinação do dispositivo eólico com painéis solares, rede elétrica centralizada, fontes de energia a diesel ou gás.

Funcionamento autônomo. Neste caso, é instalada uma única unidade, através da qual a energia eólica é captada e armazenada, sendo então convertida na corrente elétrica necessária aos consumidores.

O esquema demonstra a forma mais simples de utilizar o gerador eólico, que é adequada para regiões onde sopram ventos fortes constantemente.

Combinação do gerador eólico com painéis solares. A opção combinada é considerada uma forma confiável e eficiente de fornecimento de energia. Na ausência de vento, a bateria funciona a partir dos painéis solares, e em tempo nublado e durane a noite, o carregamento é feito pela turbina eólica.

Opção ideal para uma casa ou propriedade rural localizada longe da rede elétrica centrralizada. Esse esquema combinado permiite o uso de doistipos de energia renvável.

Funcionamento combinado do gerador eólico e da rede elétrica. A turbina eólica pode ser combinada com as comunicações elétricas.

Esse esquema é tíico para dispositivos industriais e comerciais. A conexão às comunicações elétricas també é prevista em algun modelos de geradores eólicos domésticos.

Quando há excesso de eletricidade gerada, ela é enviada para a rede centrralizada, e quando há deficiência, é possíel utilizar a corrente elétrica do sistema energético geral.

Nuances da aplicação dos aerogeradores

Atualmente, as turbinas eólicas são utilizadas em diversos setores da economia. Modelos industriais de diferentes potências são usados por empresas de petróleo e gás, telecomunicações, plataformas de perfuração e estações de exploração geológica, instalações de produção e instituições governamentais.

A turbina eólica pode ser usada como fonte adicional de energia em hospitais e outras instituições para garantir o fornecimento contínuo de eletricidade em situações de emergência

Deve-se destacar especialmente a importância do uso de turbinas eólicas para a rápida restauração da eletricidade interrompida durante catástrofes e desastres naturais. Para esse fim, as turbinas eólicas são frequentemente utilizadas por unidades do Ministério de Situações de Emergência.

As turbinas eólicas domésticas são perfeitas para iluminação e aquecimento de condomínios de casas e residências particulares, bem como para fins agrícolas em fazendas.

No entanto, alguns pontos devem ser considerados:

• Dispositivos de até 1 kW podem fornecer eletricidade suficiente apenas em locais ventosos. Normalmente, a energia gerada por eles é suficiente apenas para iluminação LED e alimentar pequenos dispositivos eletrônicos.
• Para fornecer eletricidade totalmente a uma dacha (casa de campo), será necessário um gerador eólico com potência superior a 1 kW. Esse valor é suficiente para alimentar luminárias, bem como um computador e uma TV, mas sua potência não é suficiente para abastecer um refrigerador moderno que funciona 24 horas por dia.
• Para fornecer energia a uma casa, será necessária uma turbina eólica de 3-5 kW, mas mesmo esse valor não é suficiente para aquecer a casa. Para usar tal funcionalidade, é necessária uma opção potente, a partir de 10 kW.

Ao escolher um modelo, deve-se considerar que a potência indicada no dispositivo é alcançada apenas na velocidade máxima do vento. Assim, uma instalação de 300 V gerará a quantidade indicada de energia apenas com velocidade do ar de 10-12 m/s.

Para quem deseja construir um gerador eólico com as próprias mãos, oferecemos o seguinte artigo, que contém informações detalhadas e úteis.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

No vídeo abaixo, são fornecidas informações detalhadas sobre o princípio de funcionamento e a estrutura de um modelo doméstico de gerador eólico:

O gerador eólico é uma excelente fonte de produção de energia elétrica, especialmente apreciada por moradores de áreas remotas. Várias empresas russas e estrangeiras oferecem uma grande variedade de estruturas eólicas; além disso, modelos domésticos podem ser feitos com as próprias mãos.

Por favor, escreva comentários no bloco abaixo. Conte como você construiu um gerador eólico em seu terreno ou como funciona a turbina eólica de seus vizinhos. Faça perguntas, compartilhe informações úteis e fotos sobre o tema.