Las turbinas eólicas pequeñas , también conocidas como micro turbinas eólicas, se utilizan para la microgeneración de electricidad, a diferencia de las grandes turbinas eólicas comerciales, como las que se encuentran en los parques eólicos . Las turbinas eólicas pequeñas suelen tener sistemas de guiñada pasivos en lugar de activos. Usan un generador de transmisión directa y usan una aleta de cola para apuntar al viento, mientras que las turbinas más grandes tienen trenes de potencia engranados que apuntan activamente hacia el viento.
Las turbinas eólicas pequeñas suelen producir entre 500 W y 10 kW de potencia, aunque las turbinas más pequeñas pueden ser tan pequeñas como un generador de energía auxiliar de 50 vatios para un barco, caravana o unidad de refrigeración en miniatura, y la Asociación Canadiense de Energía Eólica (CanWEA) define "viento pequeño" de hasta 300 kW. [1] La norma IEC 61400 define las pequeñas turbinas eólicas como turbinas eólicas con un área de barrido del rotor menor de 200 m 2 , que generan a un voltaje por debajo de 1000 Va.c. o 1500 Vd.c.
Diseño
Cuchillas
Los álabes de las turbinas de menor escala suelen tener de 1,5 a 3,5 metros (4 pies 11 pulg. A 11 pies 6 pulg.) De diámetro y producen de 0,5 a 10 kW de electricidad a su velocidad óptima del viento. [1] La mayoría de las turbinas eólicas pequeñas son turbinas eólicas tradicionales de eje horizontal . [2] En algunas situaciones, las turbinas eólicas de eje vertical tienen ventajas operativas en el mantenimiento y la colocación debido a su simplicidad, sin embargo, los VAWT son menos confiables que los HAWT y menos eficientes en la conversión de viento en electricidad. [3] La relación entre la velocidad de las puntas de las palas y la velocidad del viento se denomina relación de velocidad de la punta . Esto debe mantenerse en un punto óptimo de eficiencia. Una alta relación entre sustentación y arrastre generalmente también aumentará la eficiencia.
Se encuentra disponible una gama de materiales sintéticos que incluyen polímeros reforzados con fibra de carbono, nanocompuestos [4] y E-vidrio-poliéster. [5] Aunque las fibras naturales son susceptibles a variaciones de calidad, alta absorción de humedad y baja estabilidad térmica que las hacen indeseables para palas más grandes, las turbinas pequeñas aún pueden aprovecharlas. [6] Se puede usar madera y el tipo de madera debe elegirse en función de la disponibilidad, el costo y el tiempo de crecimiento, la densidad promedio, la alta rigidez y la tensión de rotura. Los recubrimientos se utilizan generalmente para reducir la humedad y se ha descubierto que el esmalte blanco con imprimación es particularmente eficaz. [7] El abeto de Sitka (utilizado en hélices) y el abeto de Douglas se han utilizado en palas de turbinas. [8] Nepal ha utilizado pequeñas turbinas de palas hechas de madera revestida, incluida la madera de Sal , Saur , Sisau , Uttish , Tuni , Okhar , pino y lakuri. [9] Más allá de la madera, los compuestos a base de bambú también se pueden utilizar en turbinas de viento grandes y pequeñas debido a su baja densidad y capacidad de secuestro de carbono , lo que hace que los materiales de bambú sean ecológicos. Además, en relación con la madera, el bambú tiene mayor tenacidad a la fractura, mayor resistencia, menores costos de procesamiento y una rápida tasa de crecimiento. Los desarrollos de materiales en curso incluyen laminados de bambú que utilizan resinas y materiales híbridos de fibra de carbono de bambú. [10] El cáñamo, el lino, la madera y el bambú son materiales candidatos para las palas de las turbinas pequeñas. [11]
Colocación
Las turbinas eólicas pequeñas requieren una velocidad mínima del viento para comenzar a generar, llamada velocidad de activación. Esta velocidad es típicamente de alrededor de 4 metros por segundo (8,9 mph), [12] aunque algunas turbinas eólicas pequeñas pueden diseñarse para funcionar a velocidades de viento más bajas. [13] Las turbinas a menudo se montan en una torre para elevarlas por encima de cualquier obstáculo cercano. Una regla general es que las turbinas deben estar al menos 9 m (30 pies) más altas que cualquier cosa dentro de los 150 m (490 pies). [14] Las mejores ubicaciones para las turbinas eólicas están lejos de los grandes obstáculos contra el viento. Las mediciones realizadas en un túnel de viento de la capa límite han indicado que los efectos perjudiciales significativos asociados con los obstáculos cercanos pueden extenderse hasta 80 veces la altura del obstáculo a favor del viento. [15] Sin embargo, este es un caso extremo. Otro enfoque para ubicar una pequeña turbina es usar un modelo de refugio para predecir cómo los obstáculos cercanos afectarán las condiciones del viento local. Los modelos de este tipo son generales y se pueden aplicar a cualquier sitio. A menudo se desarrollan en base a mediciones reales del viento y pueden estimar propiedades de flujo, como la velocidad media del viento y los niveles de turbulencia en una ubicación potencial de la turbina, teniendo en cuenta el tamaño, la forma y la distancia a cualquier obstáculo cercano. [dieciséis]
Se puede instalar una pequeña turbina eólica en un techo. Los problemas de instalación incluyen la resistencia del techo, la vibración y la turbulencia causada por el borde del techo. Las turbinas de techo de pequeña escala sufren turbulencias y rara vez generan cantidades significativas de energía, especialmente en pueblos y ciudades. [17]
Alambrado
Los generadores de turbinas de viento pequeñas son por lo general de tres fases alternantes actuales generadores y la tendencia es a utilizar el tipo de inducción , aunque algunos modelos utilizan generadores monofásicos o de corriente continua de salida. [18] [19]
Después de pasar el cable de CA trifásico a través de un anillo deslizante y hasta el extremo receptor, se utiliza un rectificador trifásico para convertir la CA en CC rectificada para cargar la batería, especialmente en sistemas de energía híbrida solar . El rectificador debe montarse en un disipador de calor para enfriar, con la opción de agregar un ventilador de computadora que se activa mediante un interruptor térmico bimetálico para enfriamiento activo.
El extremo de CC del rectificador se conecta a las baterías. Esta conexión debe ser lo más corta posible para evitar pérdidas de energía, por lo general con un vatímetro digital derivado en el medio para el monitoreo. Luego, las baterías se conectan a un inversor de energía , que convierte la energía nuevamente en CA a una frecuencia constante para la conectividad de la red y el uso final.
El frenado dinámico regula la velocidad descargando el exceso de energía a través de una carga resistiva durante vientos fuertes para evitar daños a la turbina. La resistencia de frenado dinámico a menudo se denomina carga de desvío o carga de descarga. El frenado dinámico se realiza mediante un controlador que se activa cuando las baterías superan un cierto voltaje, que enciende la carga de descarga a través de un solenoide , o un relé de estado sólido CC / CC , el último de los cuales tiene el beneficio adicional de " si no se abre ". El controlador debe estar correctamente ajustado para evitar oscilaciones parásitas , lo que se puede lograr agregando una función de retardo o utilizando un controlador de carga PWM de serie bien diseñado que admita una función de desvío.
El cable resistente a la radiación UV y las fluctuaciones de temperatura, como el cable solar , debe usarse en los casos en que el cableado esté expuesto a los elementos. El calibre del cable en todo el sistema debe ser apropiado para la cantidad de corriente que lo atraviesa. La resistencia del cable, que aumenta linealmente con su longitud, no debe crear una caída de voltaje que sea más del 2-5% de la caída de voltaje total.
Mercados
Japón
En julio de 2012, entró en vigor una nueva tarifa de alimentación aprobada por el ministro de Industria japonés, Yukio Edano, que prometía impulsar la producción de energía eólica y solar del país. El país tiene como objetivo aumentar la inversión en energía renovable en parte como respuesta a la crisis de radiación de Fukushima en marzo de 2011. [20] La tarifa de alimentación se aplica a los paneles solares y las turbinas eólicas pequeñas y requiere que las empresas de servicios públicos recompren la electricidad generada a partir de energías renovables. fuentes a tasas establecidas por el gobierno.
La energía eólica a pequeña escala (turbinas de menos de 20 kW de capacidad) se subvencionará al menos 57.75 JPY (aproximadamente 0.74 USD por kwh). [21]
Reino Unido
Las propiedades en zonas rurales o suburbanas del Reino Unido pueden optar por una turbina eólica con inversor para complementar la energía de la red local. El Esquema de Certificación de Microgeneración (MCS) del Reino Unido proporciona tarifas de alimentación a los propietarios de pequeñas turbinas eólicas calificadas. [22]
Estados Unidos
Las pequeñas turbinas eólicas agregaron un total de 17.3 MW de capacidad de generación en todo Estados Unidos en 2008, según la Asociación Estadounidense de Energía Eólica (AWEA). Ese crecimiento equivalió a un aumento del 78% en el mercado nacional de pequeñas turbinas eólicas, que se definen como turbinas eólicas con capacidades de 100 kW o menos. El "2009 Small Wind Global Market Study" de AWEA, publicado a finales de mayo de 2009, atribuyó el aumento en parte a mayores volúmenes de fabricación, ya que la industria pudo atraer suficiente inversión privada para financiar las expansiones de las plantas de fabricación. También atribuyó el aumento de los precios de la electricidad y una mayor conciencia pública sobre las tecnologías eólicas por un aumento en la venta residencial.
En 2019, gran parte de la demanda estadounidense de turbinas eólicas pequeñas se destinó a la generación de energía en ubicaciones remotas y a los fines de la evaluación del sitio para instalaciones de energía eólica a gran escala. [23]
La pequeña industria eólica de EE. UU. También se beneficia del mercado global, ya que controla aproximadamente la mitad de la cuota de mercado global. Los fabricantes estadounidenses obtuvieron $ 77 millones de los $ 156 millones que se gastaron en todo el mundo en pequeñas instalaciones de turbinas eólicas. En 2008 se instaló un total de 38,7 MW de capacidad de pequeña energía eólica en todo el mundo [24].
En los Estados Unidos, las turbinas eólicas residenciales con potencias de 2 a 10 kW suelen costar entre US $ 12 000 y US $ 55 000 instaladas ( US $ 6 por vatio), aunque hay incentivos y reembolsos disponibles en 19 estados que pueden reducir el precio de compra para los propietarios en hasta el 50 por ciento, a $ 3 por vatio. [25] El fabricante estadounidense Southwest Windpower estima que una turbina se amortizará en ahorros de energía en 5 a 12 años. [26] [27]
Los modelos dominantes en el mercado, especialmente en Estados Unidos, son los aerogeneradores de eje horizontal . [ cita requerida ]
Para permitir que los consumidores tomen una decisión informada al comprar una pequeña turbina eólica, IEA Wind Task 27 ha desarrollado un método de etiquetado para el consumidor en colaboración con IEC TC88 MT2. En 2011, IEA Wind publicó una práctica recomendada, que describe las pruebas y los procedimientos necesarios para aplicar la etiqueta. [28]
Croacia
Croacia es un mercado ideal para pequeños aerogeneradores debido al clima mediterráneo y numerosas islas sin acceso a la red eléctrica. En los meses de invierno, cuando hay menos sol, pero más viento, las pequeñas turbinas eólicas son una gran adición a los sitios aislados de energía renovable ( GSM , estaciones, puertos deportivos, etc.). De esa manera, la energía solar y eólica proporcionan energía constante durante todo el año.
Alemania
En Alemania, la tarifa de alimentación para las turbinas eólicas pequeñas siempre ha sido la misma que para las turbinas grandes. Esta es la razón principal por la que el sector de las pequeñas turbinas eólicas en Alemania se desarrolló lentamente. Por el contrario, los pequeños sistemas fotovoltaicos en Alemania se beneficiaron de una alta tarifa de alimentación, en ocasiones superior a 50 céntimos de euro por kilovatio hora.
En agosto de 2014 se ajustó la ley alemana de energías renovables, lo que también afectó las tarifas de alimentación de las turbinas eólicas. Para el funcionamiento de una pequeña turbina eólica con una capacidad inferior a 50 kilovatios, la tarifa asciende a 8,5 céntimos de euro por un período de 20 años.
Debido a la baja tarifa de alimentación y los altos precios de la electricidad en Alemania, el funcionamiento económico de una pequeña turbina eólica depende de una gran tasa de autoconsumo de la electricidad producida por la pequeña turbina eólica. Los hogares privados pagan un promedio de 28 centavos por kilovatio hora de electricidad (19% de IVA incluido).
Como parte de la ley alemana de energía renovable de 2014, se introdujo una tarifa sobre la electricidad autoconsumida en agosto de 2014. La regulación no se aplica a las pequeñas centrales eléctricas con una capacidad inferior a 10 kilovatios. Con una cantidad de 1,87 céntimos de euro, la tarifa es baja. [30]
Fabricación
Construcción de bricolaje
Algunos aficionados han construido turbinas eólicas a partir de kits, componentes de origen o desde cero. Las turbinas eólicas de bricolaje suelen ser turbinas más pequeñas (en la azotea) de aproximadamente 1 kW o menos. [31] [32] [33] [34] Estas pequeñas turbinas eólicas suelen ser torres basculantes o fijas / arriostradas . [35] [36]
Hágalo usted mismo o la construcción de turbinas eólicas con bricolaje se ha hecho popular en revistas como OtherPower y Home Power . [37]
Organizaciones como Acción Práctica han diseñado aerogeneradores de bricolaje que las comunidades de países en desarrollo pueden construir fácilmente y están proporcionando documentos concretos sobre cómo hacerlo. [38] [39]
Fabricación local
Los diseños de pequeñas turbinas eólicas de bricolaje se remontan a principios de la década de 1970 y se desarrollaron aún más con el movimiento de regreso a la tierra de finales de la década de 1970 en los Estados Unidos y Europa. [40]
Las pequeñas turbinas eólicas fabricadas localmente, que son a pequeña escala, de bajo costo, socialmente integradas, que se adaptan a los contextos locales y se basan en el intercambio abierto de conocimientos, se han enmarcado o asociado con las perspectivas de tecnología apropiada o intermedia , tecnología de convivencia, decrecimiento , diseño abierto y fabricación abierta .
Ver también
- WWEA ( Asociación Mundial de Energía Eólica )
- Hardware de código abierto
- Diseño de aerogeneradores
- Sistema eléctrico conectado a la red
- Turbina de aire ram
Referencias
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Otras lecturas
- Dan Fink; Dan Bartmann (2008). Energía eólica casera . Publicaciones de Buckville LLC. ISBN 978-0-9819201-0-8.CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )
enlaces externos
- Pequeños aerogeneradores que resuelven grandes problemas
- información sobre el pequeño mercado eólico por WWEA
- Turbina de viento sin palas
- Una prueba del gobierno holandés de 10 turbinas eólicas [ enlace muerto permanente ] (resumen en inglés: [1] , [2] )
- Haga una pequeña turbina eólica en casa Guía completa de imágenes y videos por Newphysicist
- Desafíos de la introducción de pequeñas turbinas eólicas confiables
- Hoja informativa de la Asociación Estadounidense de Energía Eólica
- Otherpower , un grupo de entusiastas de las energías alternativas
- Un ejemplo de turbina eólica pequeña de bricolaje