Cateva date despre amplasarea turbinelor eoliene si avantajele lor

CRITERII PRIVIND MODUL DE AMPLASARE AL TURBINELOR EOLIENE

. sa asigure o viteza a vântului cat mai constanta de mărimea turbinei eoliene
. asigurarea unei circulaţii laminare a curentului de aer, pe o durata cat mai mare a anului
. de preferat sa se amplaseze pe coline domoale, dealuri rotunjite, zone de litoral (pot fi montate cu usurinta si pe cladirile cu terase)
. consultarea harţilor meteorologice cu distribuţia de frecventa a vitezei vanturilor
. variaţiile de direcţie a vântului, sa nu fie mari în perioade scurte de timp

AVATAJELE UTILIZARII ENERGIEI VANTULUI

. este accesibila pe teritorii întinse ale globului
. este gratuita
. se poate transforma în energie mecanica si electrica
. se pot realiza unitati mari de ordinul MW, dar si de puteri mici 2..10 Kw
. suprafeţele ocupate sunt relativ mici
. se poate utiliza complementar cu energia solara
. este o energie nepoluanta
. este nelimitata în timp

Putina istorie – Energia vântului ( eoliană )

Vântul este rezultatul activităţii energetice a soarelui şi se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeţei Pământului. Mişcarea maselor de aer se formează datorită temperaturilor diferite a două puncte de pe glob, având direcţia de la punctul cald spre cel rece.

 Fiecare oră pământul primeşte 1014 kWh de energie solară. Circa 1-2% din energia solară se transformă în energie eoliană. Acest indiciu întrece de 5-10 ori cantitatea energiei transformată în biomasă de către toate plantele Pământului.

Omenirea utilizează energia eoliană pe parcursul a câtorva milenii. Vântul impunea să lucreze morile de vânt, mişca corăbiile cu pânze. Energia cinetică a vântului a fost şi este accesibilă practic în toate părţile pământului. Este atractivă şi din punct de vedere ecologic – nu produce emisii în atmosferă, nu formează deşeuri radioactive.

 Ca sursă energetică primară vântul nu costă nimic. De asemenea această poate fi utilizată decentralizat – este o alternativă bună pentru localităţile mici aflate departe de sursele tradiţionale.

 Istoricul

 Drept sursă energetică vântul este cunoscut omenirii de 10 mii de ani. Încă la orizontul civilizaţiei energia vântului se utiliza în navigaţia maritimă. Se presupune că egiptenii străvechi mergeau sub pânze încă 5.000 ani în urmă. În jurul anului 700 pe teritoriul Afganistanului maşini eoliene cu axă verticală de rotaţie se utilizau pentru măcinarea grăuntelor. Cunoscutele instalaţii eoliene (mori cu elicele conectate la turn) asigurau funcţionarea unor sisteme de irigare pe insula Creta din Marea Mediterană. Morile pentru măcinarea boabelor, care funcţionau pe baza vântului, sunt una din cele mai mari performanţe a secolelor medii. În sec. XIV olandezii au îmbunătăţit modelul morilor de vânt, răspândite în Orientul Mijlociu, şi au început utilizarea largă a instalaţiilor eoliene la măcinarea boabelor.

 În 1854 în SUA apare o pompă de apă, care funcţiona pe baza energiei vântului. Ca construcţie, această pompă semăna cu modelul morilor de vânt, dar avea mai multe palete (braţe) şi un fluger pentru determinarea direcţiei vântului. Către anul 1940 în SUA peste 6 milioane de instalaţii de acest tip se utilizau pentru pomparea apei şi producerea energiei electrice. Este socotită o premiză a cuceririi Vestului sălbatic, datorită posibilităţii de asigurare cu apă a fermelor zootehnice. Însă la mijlocul secolului XX vine sfârşitul utilizării large a energiei vântului, venind în schimbul ei o sursă energetică modernă – petrolul.

 Interesul către energetica vântului reapare după câteva crize petroliere trăite de omenire timp de câteva decenii. Acest lucru se petrece la începutul anilor ‘70, datorită creşterii rapide a preţurilor la petrol.

 Tendinţele de utilizare a vântului sunt îndreptate în primul rând pentru producerea energiei electrice, deoarece pentru statele industrializate pompele nu sunt importante.

 Potenţialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicături şi în munţi. Dar există multe alte teritorii cu un potenţial eolian necesar pentru utilizare. Ca sursă energetică vântul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar în anumite perioade prezenţa vântului se observă pe parcursul întregii zile. Asupra resurselor eoliene influenţează relieful pământului şi prezenţa barierelor (obstacolelor) plasate la înălţimi de până la 100 metri. De aceea vântul, într-o mai mare măsură, depinde de condiţiile locale (relief) decât de soare. În localităţile montane, spre exemplu, două suprafeţe pot avea potenţial solar egal, însă potenţialul vântului poate fi diferit datorită diferenţei în relief şi direcţiile curenţilor maselor de aer. În legătură cu aceasta planificarea locului pentru plasarea instalaţiei se petrece mai detaliat decât montarea unui sistem solar. Energia vântului de asemenea este supusă schimbărilor sezoniere a timpului. Lucrul unei asemenea instalaţii este mai efectiv iarna şi mai putin efectiv în lunile de vară (în cazul sistemelor solare situaţia este inversă). În condiţiile climaterice din Danemarca sistemele fotoelectrice sunt efective la 18% în ianuarie şi la 100% în iulie. Eficacitatea lucrului staţiei eoliene este de 55% în iulie şi 100% în ianuarie. Astfel, varianta optimă este combinarea într-um sistem a instalaţiilor eoliene şi solare. Asemenea sisteme simbiotice asigură o productivitate a energiei electrice mai înalt în comparaţie cu instalaţiile eoliene sau fotoelectrice, luate aparte.

Cantitatea energiei produse pe baza vântului depinde de densitatea aerului, de suprafaţa de elicei şi viteza vântului la puterea a treia.

Densitatea aerului

 Elicele staţiilor eoliene se rotesc  datorită mişcării maselor de aer: cu cât este mai mare masa aerului, cu atât mai repede se rotescelicele, producând o cantitate mai mare de energie. Din cursul de fizică se ştie, că energia cinematică a corpului în mişcare, în cazul dat aerul, este proporţională cu masa lui. De aceea energia vântului depinde de densitatea aerului – cu cât densitatea este mai mare, cu atât forţa de acţiune este mai mare (densitatea depinde de cantitatea moleculelor într-o unitate de volum). La presiunea atmosferică normală şi temperatura de 15°C densitatea aerului constituie 1,225 kg/mc. Însă cu mărirea umidităţii densitatea puţin scade.   Aceasta este cauza producerii de către un generator eolian a unei cantităţi mai mari de energie, la aceeaş viteză a vântului, pe timp de iarnă, când densitatea aerului e mai mare, decât vara. Pe suprafeţele plasate mai sus de nivelul mării, în munţi, spre exemplu, presiunea atmosferică este mai mică şi, corespunzător, este mai mică şi densitatea aerului, deci, se produce o cantitate mai mică de energie pe suprafaţa elicei.

          Elicea turbinei eoliene cuprinde energia curentului vântului, care se află lângă el. Este evident că cu cât suprafaţa este mai mare cu atât cantitatea energiei electrice poate fi mai mare. Astfel, suprafaţa de contact a elicei se măreşte proproţional diametrului elicei la puterea a doua – la instalaţia eoliană mai mare de două ori se poate produce de patru ori mai multă energie:

 E = ρ · s² · v³

  unde: ρ – densitatea;

           s² – suprafaţa la pătrat;

           V – viteza vântului.

 Însă procesul de mărire a suprafeţei nu poate fi redus la simpla lungire a aripelor. La prima vedere se pare, că aceasta este o cale mai simplă de mărire a cantităţii energiei. Dar, mărind suprafaţa cuprinsă la rotire, noi mărim greutatea asupra sistemului la aceeaş viteză a vîntului. Pentru ca sistemul să reziste la greutate este necesar de a întări toate componentele mecanice ale lui, ceea ce duce la cheltuieli suplimentare.

 Viteza vântului este cel mai important factor de influenţă asupra cantităţii de energie. Viteza mai mare a vântului măreşte volumul maselor de aer – cu mărirea vitezei vântului creşte cantitatea energiei electrice produse. Energia vântului se schimbă proporţional cu viteza vântului la puterea a treia. Astfel, dacă viteza vântului se dublează, energia cinematică produsă creşte de 8 ori.

 

V, m/s	E, w/m2
1	1
3	17
5	77
9	477
11	815
15	2067
18	3572
21	5672
23	7452

 Calcule folosite în tabel

                      E = ρ · s² · v³

                      ρ  = 1,225 kg/m³

                      s² = 0,5 m²

                      v³ = 1,3,5, … , 23

                       E = 1,225kg/m³ · 0,5m² · V³ (m/s)

 Relieful

Pe suprafaţa pământului vegetaţia şi construcţiile aflate pe ea sunt factorul de bază, care influenţează la micşorarea vitezei vântului. Cu cât ne îndepărtăm de suprafaţă, cu atât se micşorează influenţa reliefului asupra mişcării maselor de aer. Cu alte cuvinte: cu cât mai sus cu atât viteza vântului e mai mare. La înălţimi de circa un kilometru de la suprafaţa mării relieful practic nu influenţează viteza vântului. În straturile de jos a atmosferei o influenţă majoră asupra vitezei o are contactul cu suprafaţa pământului: cu cât relieful este mai complicat, cu atât mai mică e viteza vântului. El încetineşte în păduri şi oraşe mari. Dar aşa suprafeţe ca litoralul mării practic nu influenţează asupra lui. Clădirile, pădurile şi alte bariere nu numai că încetinesc vântul, dar şi formează curenţii turbulenţi de aer.

          Specialiştii clasifică suprafaţa reliefului astfel:

  0 – suprafaţa apei (nivelul mării);

  0,5 – un relief complect deschis cu suprafaţă dreaptă (pistă de decolare);

  1 – localitate agricolă deschisă, fără garduri şi construcţii înalte, cu ridicături mici;

  1,5 – suprafeţe agricole, cu clădiri până la 8 metri înălţime, aflate unul de altul la circa 1.250m;

  2 – suprafeţe agricole, cu clădiri până la 8 metri înălţime aflate la 500m unul faţă de altul;

  2,5 – suprafeţe agricole, cu număr mare de clădiri şi vegetaţie de până la 8 metri înălţime aflate la 250m unul de altul;

  3 – comune, oraşe cu o cantitate mare de clădiri;

  3,5 – oraşe cu clădiri înalte;

  4 – oraşe mari, megapolise cu clădiri înalte (zgârâe-nori).

          În industrie de asemenea există noţiunea de mişcare a vântului. El descrie procesul micşorării vitezei maselor turbulente pe măsura apropieriispre suprafaţa pământului. Acest parametru este necesar la proiectarea instalaţiei eoliene. Astfel, dacă elicea are diametru mare, iar înălţimea turnului este neînsemnată, atunci în rezultat vântul masele de aer care acţionează capătul elicei în poziţia de sus va avea viteza maximă, iar curentul de vânt ce influenţează în poziţia de jos va fi minimă, ceea ce poate distruge instalaţia eoliană. 

Energia eoliană a străbătut un drum lung de la primele prototipuri folosite acum 20 de ani, turbinele eoliene de azi fiind adevărate opere de artă a tehnologiei moderne foarte uşor de instalat şi întreţinut. Mărimea turbinelor variază de la câteva sute de W la 3500 KW. Cele mai mari turbine ajungând până la 100 m înălţime. Cele mai mici turbine pot ajunge astăzi până la 20 kg şi înălţimi ale turnului de până la 7 m înălţime.

Fermele de turbine eoliene utilizează, în principal, turbine cu trei pale ca să capteze vântul. O singură turbină mare poate produce destulă energie electrică pentru aproximativ 100 de locuinţe (de exemplu, în Danemarca, un parc eolian construit în anul 2002 foloseşte 80 de turbine pentru a produce suficientă energie pentru un oraş cu o populaţie de 150.000 de locuitori).

 Turbinele eoliene pot fi folosite nu doar în zonele de coastă, ci şi în zone care nu au deschidere spre ocean.

Acest sistem de producere a energiei se bazează pe un principiu simplu. Vântul pune în mişcare palele, care la rândul lor acţionează generatorul electric. Sistemul mecanic are în componenţă şi un multiplicator de viteză care acţionează direct axul central al generatorului electric. Curentul electric obţinut este fie transmis spre înmagazinare în baterii, fie livrat direct reţelei de curent alternativ spre distribuitori.

Tipuri de Tubine Eoliene

In functie de orientarea axului exista  mai multe tipuri de eoliene.

Se disting insa doua mari familii: eoliene cu ax vertical si eoliene cu ax orizontal. Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru a antrena generatorul.

Eoliene cu ax vertical(VAWT – Vertical Axis Wind Turbines)

Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mica, avand inaltimea de 0,1 – 0,5 din inaltimea rotorului. Aceasta permite amplasarea intregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitand astfel operatiunile de intretinere. In plus, nu este necesara utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totusi, vantul are intensitate redusa la nivelul solului, ceea ce determina un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusa si turbulentelor de vant. In plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitari mecanice importante. Din aceste motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precadere catre eolienele cu ax orizontal.

Cele mai raspandite doua structuri de eoliene cu ax vertical se bazeaza pe principiul tractiunii diferentiale sau a variatiei periodice a incidentei:

• Rotorul lui Savonius în cazul caruia, functionarea se bazeaza pe principiul tractiunii diferentiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecareia din fetele unui corp curbat au intensitati diferite. Rezulta un cuplu care determina rotirea ansamblului.

 

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

 

 

Schema rotorului lui Savonius

 

 

Rotorul lui Darrieus se bazeaza pe principiul variatiei periodice a incidentei. Un profil plasat intr-un curent de aer, în functie de diferitele unghiuri, este supus unor forte ale caror intensitate si directie sunt diferite. Rezultanta acestor forte determina aparitia unui cuplu  motor care roteste dispozitivul.

                                                                                                                                                  Imaginea unei eoliene Darrieus

 

Schema rotorului lui Darrieus  

 

 

 

 

Eoliene cu ax orizontal ( HAWT – Horizontal Axis Wind Turbines )

Functionarea eolienelor cu ax orizontal se bazeaza pe principiul morilor de vant. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obtine un bun compromis intre coeficientul de putere, cost si viteza de rotatie a captorului eolian, ca si o ameliorare a aspectului estetic, fata de rotorul cu doua pale.

Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai putin supuse unor solicitari mecanice importante si au un cost mai scazut. 

Exista doua categorii de eoliene cu ax orizontal:

     Amonte: vantul sufla pe fata palelor, fata de directia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul

unui dispozitiv, dupa directia vantului.

 

 

 

 

 

Aval: vantul sufla pe spatele palelor, fata de nacela. Palele sunt flexibile iar nacela se auto-orienteaza.

 

 

 

 

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizata, deoarece este mai simpla si da cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafete de directionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse si are o stabilitate mai bun  .

Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în functie de directia si forta vântului. Pentru aceasta, exista dispozitive de orientare a nacelei pe directia vântului si de orientare a palelor, în functie de intensitatea acestuia.

În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezinta cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrica la scara industriala . 

Chiar daca eolienele de prima generatie erau deranjante din punct de vedere sonor, se pare ca în prezent, dezvoltarile tehnologice au permis reducerea considerabila a zgomotului produs de astfel de instalatii. Astfel, pe scara surselor de zgomot, eolienele se situeaza undeva intre zgomotul produs de un vant slab si zgomotul din interiorul unei locuinte, respectiv la aproximativ 45 dB. Evolutia nivelului sonor in functie de numarul de eoliene este logaritmica , respectiv instalarea unei a doua eoliene determina cresterea nivelului sonor cu 3 dB si nu dublarea acestuia.

Pentru diminuarea poluarii sonore exista mai multe cai:

- multiplicatoarele sunt special concepute pentru eoliene. In plus, se încearca favorizarea

actionarilor directe, fara utilizarea multiplicatoarelor;

- profilul palelor face obiectul unor cercetari intense pentru reducerea poluarii sonore determinata de scurgerea vantului in jurul palelor sau a emisiilor datorate nacelei sau pilonului. Arborii de transmisie sunt prevazuti cu amortizoare pentru limitarea vibratiilor;

- antifonarea nacelei permite, de asemenea, reducerea zgomotelor.