Pequeña turbina eólica

Las palas de las turbinas eólicas de pequeña escala suelen tener un diámetro de 1,5 a 3,5 metros (4 pies 11 pulgadas a 11 pies 6 pulgadas) y producen de 0,5 a 10 kW a su velocidad óptima del viento. ^{[ 1 ]} La mayoría de las turbinas eólicas pequeñas son de eje horizontal , ^{[ 2 ]} pero las turbinas eólicas de eje vertical (VAWT) pueden tener ventajas en cuanto a mantenimiento y ubicación, aunque son menos eficientes en la conversión del viento en electricidad. ^{[ 3 ]} Para optimizar la eficiencia, la relación de velocidad de punta (la relación entre la velocidad de la punta de la pala y la velocidad del viento) y la relación sustentación-resistencia deben mantenerse en niveles óptimos.       

Se dispone de una gama de materiales sintéticos, incluidos polímeros reforzados con fibra de carbono, nanocompuestos ^{[ 4 ] y poliéster de fibra de vidrio E [ 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 utilizar madera, y el tipo de madera debe elegirse en función de la disponibilidad, el costo y el tiempo de crecimiento, la densidad media, la alta rigidez y la tensión de rotura. Generalmente se utilizan recubrimientos para reducir la humedad, y se ha comprobado 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 turbinas de palas pequeñas hechas de madera revestida, incluidos Sal , Saur , Sisau , Uttish , Tuni , Okhar , pino y madera de lakuri. ^{[ 9 ]} Además de la madera, los compuestos a base de bambú también pueden utilizarse en turbinas eólicas, tanto grandes como pequeñas, debido a su baja densidad y capacidad de secuestro de carbono , lo que hace que los materiales de bambú sean respetuosos con el medio ambiente. Además, en comparación con la madera, el bambú tiene mayor tenacidad a la fractura, mayor resistencia, menores costos de procesamiento y una tasa de crecimiento rápida. Los desarrollos de materiales en curso incluyen laminados de bambú que utilizan resinas y materiales híbridos de fibra de carbono y bambú. ^{[ 10 ]} El cáñamo, el lino, la madera y el bambú son materiales candidatos para las palas de turbinas pequeñas. ^{[ 11 ]}

Las pequeñas turbinas eólicas deben alcanzar una determinada velocidad del viento, denominada velocidad de arranque, para comenzar a generar electricidad. Esta velocidad suele rondar los 4 metros por segundo (8,9 mph) ^{[ 12 ]} , pero algunas turbinas pueden funcionar a velocidades inferiores ^{[ 13 ]} . Para evitar obstáculos, las turbinas suelen colocarse en torres de al menos 9 m (30 pies) por encima de cualquier objeto situado a menos de 150 m (490 pies) ^{[ 14 ]} . Las mejores ubicaciones para las turbinas se encuentran lejos de grandes obstáculos a barlovento, ya que los estudios en túneles de viento muestran que los efectos negativos significativos de los obstáculos cercanos pueden extenderse hasta 80 veces la altura del obstáculo a sotavento ^{[ 15 ]} , aunque este es un caso extremo. Otra opción para ubicar una pequeña turbina es utilizar un modelo basado en mediciones reales del viento para predecir cómo los obstáculos cercanos afectarán las condiciones del viento local en la ubicación potencial de la turbina, considerando el tamaño, la forma y la distancia a los obstáculos ^{[ 16 ] .}     

Las turbinas de pequeña escala para azoteas pueden instalarse en un tejado, pero pueden presentar problemas como vibraciones y turbulencias causadas por el borde del tejado, lo que puede afectar su generación de energía. Estas turbinas a menudo tienen dificultades para generar cantidades significativas de energía, especialmente en áreas urbanas. ^{[ 17 ]}

Los generadores para turbinas eólicas pequeñas suelen ser generadores de corriente alterna trifásica y la tendencia es utilizar el tipo de inducción , aunque algunos modelos utilizan generadores monofásicos o salida de corriente continua . ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Tras pasar el cable de corriente alterna trifásica por un anillo colector hasta el extremo receptor, se utiliza un rectificador trifásico para convertir la corriente alterna en corriente continua rectificada para la carga de baterías, especialmente en sistemas híbridos de energía solar . El rectificador debe montarse sobre un disipador de calor para su refrigeración, con la opción de añadir un ventilador de ordenador activado por un interruptor térmico bimetálico para una refrigeración activa.

El extremo de CC del rectificador se conecta a las baterías. Esta conexión debe ser lo más corta posible para evitar pérdidas de potencia, generalmente con un vatímetro digital en paralelo para su monitorización. A continuación, las baterías se conectan a un inversor de potencia , que convierte la energía de nuevo a CA a una frecuencia constante para la conexión a la red y el uso final.

El frenado dinámico es una técnica que se utiliza para regular la velocidad de una turbina descargando el exceso de energía a través de una carga resistiva durante vientos fuertes para evitar daños. El controlador, que se activa cuando las baterías alcanzan un voltaje determinado, conecta la carga mediante un solenoide o un relé de estado sólido , este último con la ventaja adicional de funcionar en caso de fallo. Es importante ajustar correctamente el controlador para evitar oscilaciones parásitas , lo cual se puede lograr mediante una función de retardo o utilizando un controlador de carga PWM estándar con función de derivación.

En los casos en que el cableado esté expuesto a la intemperie, se debe utilizar un cable resistente a la radiación UV y a las fluctuaciones de temperatura, como el cable solar . El calibre del cable en todo el sistema debe ser el adecuado para la cantidad de corriente que circula por él. La resistencia del cable, que aumenta linealmente con su longitud, no debe generar una caída de tensión superior al 2-5% de la caída de tensión total.

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 en el país. El país busca aumentar la inversión en energías renovables, en parte como respuesta a la crisis de radiación de Fukushima en marzo de 2011. ^{[ 20 ]} La tarifa de alimentación se aplica a paneles solares y pequeñas turbinas eólicas y exige a las empresas de servicios públicos que compren la electricidad generada a partir de fuentes de energía renovables a precios establecidos por el gobierno.

La energía eólica a pequeña escala (turbinas de menos de 20  kW de capacidad) recibirá una subvención de al menos 57,75 JPY (aproximadamente 0,74 USD por kWh). ^{[ 21 ]}

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 Plan de Certificación de Microgeneración (MCS) del Reino Unido proporciona tarifas de alimentación a los propietarios de turbinas eólicas pequeñas que cumplan los requisitos. ^{[ 22 ]}

In 2008, small wind turbines with capacities of 100 kW or less added a total of 17.3 MW of generating capacity in the US, according to the American Wind Energy Association (AWEA). This growth represented a 78% increase in the domestic market for small wind turbines. AWEA's "2009 Small Wind Global Market Study" attributed the increase to higher manufacturing volumes, thanks to private investment financing plant expansions, and rising electricity prices and public awareness of wind technologies driving residential sales.

In 2019, much of the US demand for small wind turbines was for power generation at remote locations, and for purposes of site assessment for large scale wind power installations.^[23]

The US small wind industry also benefits from the global market, as it controls about half of the global market share. US manufacturers garnered $77 million of the $156 million that was spent throughout the world on small wind turbine installations. A total of 38.7 MW of small wind power capacity was installed globally in 2008.^[24]

In the United States, residential wind turbines with outputs of 2–10 kW typically cost between US$12,000 and US$55,000 installed (US$6 per watt), although there are incentives and rebates available in 19 states that can reduce the purchase price for homeowners by up to 50 percent, to $3 per watt.^[25] The US manufacturer Southwest Windpower estimates a turbine to pay for itself in energy savings in 5 to 12 years.^[26][27]

The dominant models on the market, especially in the United States, are horizontal-axis wind turbines.

To enable consumers to make an informed decision when purchasing a small wind turbine, a method for consumer labeling has been developed by IEA Wind Task 27 in collaboration with IEC TC88 MT2. In 2011 IEA Wind published a Recommended Practice, which describes the tests and procedures required to apply the label.^[28]

Croatia's market for small wind turbines stems from its Mediterranean climate and numerous islands with no access to the electric grid. In winter months when there is less sun, small wind turbines compensate in isolated renewable energy sites (GSM, stations, marinas etc.).

En Alemania, la tarifa de alimentación para aerogeneradores pequeños siempre ha sido la misma que para los grandes. Esta es la principal razón por la que el sector de aerogeneradores pequeños en Alemania se desarrolló lentamente. En cambio, los pequeños sistemas fotovoltaicos en Alemania se beneficiaron de una tarifa de alimentación elevada, que en ocasiones superó los 50 céntimos de euro por kilovatio hora.

En agosto de 2014 se modificó la ley alemana de energías renovables, lo que también afectó a las tarifas de alimentación para aerogeneradores. Para el funcionamiento de un aerogenerador pequeño con una capacidad inferior a 50 kilovatios, la tarifa asciende a 8,5 céntimos de euro durante 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 elevada tasa de autoconsumo de la electricidad que produce. Los hogares particulares pagan de media 35,7 céntimos de euro por kilovatio hora de electricidad (IVA del 19% incluido). ^{[ 30 ]}

En el marco de la ley alemana de energías renovables de 2014, se introdujo en agosto de ese mismo año una tasa sobre la electricidad autoconsumida. Esta normativa no se aplica a las pequeñas centrales eléctricas con una capacidad inferior a 10 kilovatios. Con un importe de 1,87 céntimos de euro, la tasa es baja. ^{[ 31 ]}

Algunos aficionados han construido turbinas eólicas a partir de kits, componentes adquiridos o desde cero. Las turbinas eólicas caseras suelen ser turbinas más pequeñas (de tejado) de aproximadamente 1  kW o menos. ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]} Estas pequeñas turbinas eólicas suelen ser de tipo basculante o de torres fijas / arriostradas . ^{[ 36 ] [ 37 ]}

La construcción de turbinas eólicas por cuenta propia o DIY se ha popularizado gracias a revistas como OtherPower y Home Power . ^{[ 38 ]}

Organizaciones como Practical Action han diseñado turbinas eólicas de bricolaje que pueden ser construidas fácilmente por comunidades en países en desarrollo y están proporcionando documentos concretos sobre cómo hacerlo. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

Los diseños de pequeñas turbinas eólicas caseras se remontan a principios de la década de 1970, y fueron desarrollados aún más por el movimiento de regreso a la tierra de finales de la década de 1970 en Estados Unidos y Europa. ^{[ 41 ]}

Las pequeñas turbinas eólicas de fabricación local, al ser de pequeña escala, de bajo coste, estar socialmente integradas, adaptarse a los contextos locales y basarse en el intercambio abierto de conocimientos, se han enmarcado o asociado con las perspectivas de tecnología apropiada o intermedia , tecnología convivencial, decrecimiento , diseño abierto y fabricación abierta .