Cap

Cap.3. ENERGIA EOLIAN

Repartiia inegal a radiaiei solare pe suprafaa globului ca urmare a micrii de rotaie, a schimbrii axei de nclinare, a unghiului de inciden variabil, a nebulozitii aleatorii, a reliefului i a capacitii diferite de conversie i preluare a energiei solare de ctre solul arid, solul vegetal i respectiv de ctre mri i oceane, determin o nclzire neuniform a diferitelor zone terestre, ceea ce atrage dup sine o neuniformitate a presiunii atmosferice i ca urmare o deplasare a aerului ntre aceste zone de potenial baric diferit.

Conform Dicionarului Enciclopedic Romn, micarea orizontal (sau aproape orizontal) a maselor de aer se numete vnt. Viteza de deplasare a aerului (viteza vntului) se msoar n m/s. Se utilizeaz de asemenea, noiunea de intensitate a vntului exprimat n grade pe scara Beaufort. Viteza vntului depinde de gradientul baric. Dup natura micrii maselor de aer, vnturile pot fi laminare, caracteristice zonelor neaccidentate, turbulente cu direcii i viteze variabile n rafale. Se utilizeaz de asemenea, clasificarea vnturilor n:

-vnturi normale, fr direcie preferenial de btaie;

-vnturi dominante cu o anumit direcie (de ex.: crivul, austrul, etc.);

-vnturi regulate (ex.: brizele);

-vnturi neregulate (ex.: fhnul, vnt cald i uscat prezent i n ara noastr sub denumirea de Vntul Mare care bate dinspre munii Fgra spre ara Oltului, primvara grbind topirea zpezilor).

Vntul a constituit prima surs de energie la care omenirea a fcut apel i a crei utilizare s-a perpetuat pn n secolul trecut dac ne gndim la navigaia cu vele, morile de vnt i pompele de ap. n prezent energia eolian figureaz printre primele surse de energie alternativ, regenerabil, inepuizabil i nepoluant.

n folosirea energiei eoliene trebuie inut cont ns i de inconvenientele generate de caracterul aleator al acesteia. 3.1. Evaluarea potenialului eolian Puterea dezvoltat de masele de aer n micare n atmosfera Pmntului a fost evaluat la nivelul de 3,6x1015W. Un studiu arat c 2% din energia solar incident pe Pmnt este disipat sub forma energiei eoliene, iar potenialul maxim de captare i conversie a acesteia este de 2,67% din totalul energiei vnturilor.

Energia ce caracterizeaz o mas de aer n micare este dat de relaia energiei cinetice totale a unui corp n micare;

m - masa de aer n micare [kg], care este la rndul ei dependent de viteza v a vntului [m/s];

A aria seciunii de trecere [m2];

- densitatea aerului [kg/m3];

- timpul [s];

Puterea P dezvoltat de masa de aer n micare este:

care pentru un curent de aer delimitat de suprafaa cilindric de diametru D devine:

Conversia n totalitate a energiei cinetice a vntului duce la condiia reducerii pn la zero a vitezei acestuia n aval de generator, ceea ce practic este imposibil. n realitate, n urma impactului cu o instalaie de captare i conversie a energiei eoliene, masa de aer i reduce viteza, iar limita acesteia devine un nveli n expansiune.

Fenomenul a fost studiat de Betz i demonstrat n teoria ce-i poart numele. Proporia cu care viteza vntului este redus la traversarea unei turbine eoliene a fost numit factor de interferen, notat cu a (0 a < 1). La o anumit distan de turbin, viteza vntului descrete cu 2a (fig. 3.1).

Neglijnd pierderile prin frecare, s-a demonstrat c puterea maxim ce se poate obine prin conversia energiei eoliene este:

valoarea maxim rezultnd pentru a=1/3 cu care: 4a(1-a2)=16/27=0,593 coeficientul lui Betz.

Fig. 3.1. Dilatarea curentului de aer dup o turbin eolian.

Energia maxim ce poate fi obinut prin conversia energiei eoliene reprezint numai 59,3% din energia total ce caracterizeaz masa de aer n micare. Ca urmare, coeficientul Betz definete raportul dintre energia furnizat de o turbin eolian i energia total a curentului de aer delimitat de conturul descris de turbin.

Dac se iau n consideraie pierderile prin frecare ale aerului i ale turbinei, energia (respectiv puterea) util obinut prin conversie este diminuat cu 20 pn la 50% din valoarea teoretic, funcie de caracteristicile instalaiei utilizate. Rezult astfel coeficientul de putere cp care caracterizeaz un anumit tip de turbin.

Energia (respectiv puterea) unei instalaii eoliene este direct proporional cu cubul vitezei vntului (vezi relaiile de mai sus), ceea ce nseamn c o dublare a vitezei vntului duce la creterea energiei dezvoltate de acesta de 8 ori.

De asemenea, puterea, respectiv energia obinut cu o turbin eolian este proporional cu ptratul diametrului elicei.

n aprecierea potenialului energetic eolian se utilizeaz:

1) densitatea de putere a vntului p, ca fiind puterea medie raportat la aria seciunii transversale a curentului de aer:

2) densitatea medie de putere a vntului n intervalul de timp :

Potenialul eolian al unei zone geografice este:

Intervalul de timp considerat este de regul 1 an (8760 h).

Energia eolian este mai scump dect cea solar. Potenialul eolian tehnic amenajabil n Romnia este estimat la 8 TWh/an. n Romnia s-au identificat cinci zone eoliene distincte (I - V) n funcie de potenialul energetic existent, de condiiile de mediu si topogeografice. Harta eoliana a Romniei s-a elaborat lund n considerare potenialul energetic al surselor eoliene la nlimea medie de 50 metri, pe baza datelor si informaiilor meteogeografice colectate ncepnd din anul 1990, pn n prezent (fig. 3.2 i fig. 3.3).

Pe baza evalurii si interpretrii datelor nregistrate, rezulta ca n Romnia se pot amplasa instalaii eoliene cu o putere totala de pn la 14 000 MW, ceea ce nseamn un aport de energie electrica de aproape 23 000 GWh/an.

Pe baza evalurilor preliminare n zona litoralului, inclusiv mediul off-shore, pe termen scurt si mediu, potenialul energetic eolian amenajabil este de circa 2 000 MW, cu o cantitate medie de energie electrica de 4.500 GWh/an.

Valorificarea potenialului energetic eolian, n condiii de eficienta economica, impune folosirea unor tehnologii si echipamente adecvate (grupuri aerogeneratoare cu putere nominala de la 750 kW pn la 2.000 kW).

n scop energetic intereseaz zonele n care viteza medie a vntului este cel puin egal cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasupra solului. Viteze egale sau superioare pragului de 4m/s, (redate prin nuane de bleu), se regsesc n Podiul Central Moldovenesc i mai ales n Dobrogea. Peste 8m/s, redate prin culoare mai nchis, repartizate ndeosebi pe vrfurile cele mai nalte ale Lanului Carpatic.

Fig. 3.2. Potenialul eolian al Romniei.

Fig. 3.3. Harta eolian a Romniei.

Viteza vntului crete cu nlimea de la sol. Astfel, din analiza datelor prelucrate la Administraia Naionala de Meteorologie, rezult c in Cmpia Romn viteza vntului nregistreaz creteri importante n primii 500 m de la sol i rmne practic constant pn la aproximativ 2000 m, dup care crete din nou. Pentru practic intereseaz domeniul cuprins ntre 10 i 100 m de la sol n care funcioneaz turbinele eoliene. 3.2. TURBINE EOLIENE n etapa actual, n lume sunt n funciune sau pe cale de realizare mii de turbine eoliene de diferite tipuri constructive i de mrimi cu puteri variind ntre cteva sute de wai i cteva sute de kW, cele din urm fiind conectate la reelele naionale de electricitate.

Turbinele eoliene se clasific n:

turbine cu ax orizontal;

turbine cu ax vertical;

turbine de tip special. 3.2.1. Turbine eoliene cu ax orizontal Elementul principal al generatorului l constituie o elice ce se rotete ntr-un plan perpendicular pe direcia vntului. Elicea este solidara cu un ax a crui micare de rotaie in lagre dezvolta o energie mecanica ce poate fi utilizata ca atare sau poate fi convertita intr-o alta forma de energie. Sistemul este susinut la nlimea necesara de un stlp fata de care elicea poate fi situata in aval- elice sub vant- respectiv in amonte- elice in vnt.

Numrul palelor elicei este variabil fiind imaginate elice unipaletate echilibrate de o contragreutate, elice cu doua pale sau elice cu trei pale (fig. 3.4), cele mai echilibrate dnd mai puine vibraii, fiind cele din urma. Sunt cunoscute de asemenea, rotoarele multipaletate folosite cndva in fermele americane pentru pomparea apei din puuri (fig. 3.5), apte pentru viteze ale vntului moderate.

Fig.3.4. Generator eolian cu ax orizontal cu trei pale.

Fig. 3.5. Turbin eolian american cu rotor multipaletat.

Turbinele eoliene cu ax orizontal prezint avantajul unor performante ridicate, dar si dezavantaje ca:

necesitatea unor mecanisme de orientare pe direcia vntului;

construcia palei implica tehnologii scumpe;

turbioanele generate de stlpul de susinere produc vibraii periculoase in pale.

Puterea aerodinamica a elicei in cmp liber este conform relaiei:

Puterea mecanica la axul elicei este diminuata fata de puterea aerodinamica cu un factor yA reprezentnd randamentul elicei, astfel nct puterea mecanica nominala la axul generatorului devine:

i considernd densitatea normala a aerului = 1,24 kg/m3 si efectund operaiile cu valorile constante se obine:

Randamentul generatorului yA depinde de factorul de rapiditate :

unde: U-viteza periferica a elicei, m/s; R-raza elicei, m

Viteza periferica este limitata in actualele condiii tehnice la 100 m/s. Astfel:

=5, yA= 85%; =10, yA =70%; =15, yA =55%.

3.2.2. Turbine eoliene cu ax vertical Turbinele eoliene cu ax vertical, dintre care cele mai reprezentative sunt in prezent tipurile Darrieus si Savonius, funcioneaz datorita cuplului creat de diferenele dintre forele aerodinamice exercitate asupra bordului de atac si de fuga expuse pe rnd vntului.

Rotorul Darrieus (fig. 3.6) este format dintr-un ax vertical si un numr mic de pale verticale, paralele cu axul sau curbate ca o coarda obinuita in jocurile copiilor. Axul vertical se rotete liber n dou lagre, cel superior fiind fixat de un sistem de ancore, cel inferior de un stlp.

Fig. 3.6. Turbin eolian cu ax vertical tip Darrieus.

Puterea mecanic a generatorului Darrieus este:

unde: yA randamentul generatorului ce are valori cuprinse ntre 0,3 i 0,4, mai mici cu 20% dect randamentul turbinelor cu ax orizontal;

D-diametrul rotorului, m;

L-lungimea palei, m.

Generatorul Darrieus are urmtoarele avantaje:

simetria vertical elimin necesitatea mecanismelor de orientare;

priza de for plasat la partea inferioar simplific transmisia;

palele rezist mai bine solicitrilor;

tehnologia necesar este mai simpl dect n cazul turbinelor cu ax orizontal.

Generatorul Savonius (fig. 3.7) are rotorul alctuit dintr-un ax vertical solidar cu palele reprezentnd aprox. dou sferturi de cilindru. Pe acelai ax pot fi prinse mai multe perechi de pale decalate, n scopul uniformizrii cuplului de fore generate de vnt. Axul se rotete n dou lagre solidarizate ntr-o structur de rezisten de tip cadru ancorat cu cabluri de oel.

Pe lng avantajele generatorului Darrieus, generatorul Savonius prezint n plus avantajul funcionrii chiar la viteze mici ale vntului (min. 2,5 m/s) ca i avantajul c face apel la o tehnologie simpl. Fig. 3.7. Turbin eolian Savonius.

Puterea aerodinamic a turbinei Savonius este:

Generatorul Savonius este ntlnit n combinaie cu cel de tip Darrieus cu funcia de demaror, datorit calitii de a funciona i la viteze mici.

O variant a turbinei Darrieus o reprezint turbina Giromill (fig.3.8) n care paletele curbate ale rotorului comun Darrieus sunt nlocuite cu seciuni de palete verticale ataate turnului central cu ajutorul unor suporturi orizontale. Palele Giromill sunt mai uor de construit, dar ele aduc greutate n plus pentru structur i pentru asta ele trebuie s fie mai rezistente.Dezavantajele principale ale turbinelor cu ax vertical sunt:

trebuie s fie de 2 ori mai mari dect turbinele cu ax orizontal pentru a produse aceeai putere, deoarece jumtate din turbin se mic n direcia greit (opus vntului) n orice moment;

din motivul de mai sus, turbinele cu ax vertical trec printr-un ciclu de oboseal la fiecare rotaie. Aceasta nseamn c structura trebuie s fie foarte rezistent i viguroas;

o greutatea mai mare nseamn c turnul trebuie s fie mai rezistent, ceea ce nseamn o cheltuial n plus. Toate turbinele trebuie s fie nlate n aer deasupra obstacolelor. Lng sol, pe acoperi sau n orice direcie dinspre obstacole cum ar fi cldiri, copaci, pante, turbulena duce la reducerea puterii i cauzeaz oboseal n att la turbinel cu ax orizontal ct i la cele cu ax vertical;

n general, turbinele cu ax vertical au eficiena mai mic dect cele cu ax orizontal.

Fig. 3.8. Turbin eolian Giromill.