ENERGIA EOLIANĂ

Energia eoliană este una din opţiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vântului fiind imense. Se estimează că energia eoliană recuperabilă la nivel mondial se situează la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattoră), ceea ce reprezintă de 4 ori mai mult decât consumul mondial actual de electricitate.

Figura 7.5 (Sursa: Wind energy barometer-EuroObserv'ER 2004)

Filiera eoliană este puternic dezvoltată în Europa, deţinând poziţia de lider în topul energiilor regenerabile, 90 % din producătorii de eoliene de medie şi mare putere, flăndu-se în Europa. Pe primul loc pe piaţa europeană este Germania, Spania pe poziţia a doua, instalând intensiv parcuri eoliene iar Danemarca este pe a treia poziţie, având dezvoltate eoliene offshore şi trecând la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani.

POTENŢIALUL SURSELOR DE ENERGIE EOLIANĂ DIN ROMÂNIA .

În România s-au identificat cinci zone eoliene distincte în funcţie de potenţialul energetic existent, de condiţiile de mediu şi topogeografice. Harta eoliană a României s-a elaborat luând în considerare potenţialul energetic al surselor eoliene la înălţimea medie de 50 de metri, pe baza datelor şi informaţiilor meteogeografice colectate începând din anul 1990, până în prezent.

Din rezultatele înregistrate a rezultat că România se află într-un climat temperat continental, cu un potenţial energetic eolian ridicat în zona litoralului Mării Negre, podişurile din Moldova şi Dobrogea (“climat blând”) sau în zonele montane (“climat sever”).

În regiuni cu potenţial eolian relativ bun s-au localizat amplasamente favorabile, dacă se urmăreşte “ exploatarea energetică a efectului de curgere peste vârf de deal” sau “a efectului de canalizarea al curenţilor de aer”.

Se constată că, în zona Dobrogei, numărul de ore pe an în care viteza vântului depăşeşte 4 m/s este de 4000, în estul judeţului Tulcea putând atinge 5000 ore/an.

Dacă în Europa există 34 000 MW instalaţi în turbine eoliene, care produc aproximativ 70 TWh, în în România sunt în funcţiune doar 900 kW. De asemenea, în ceea ce priveşte energia eoliană, doar parcul industrial de la Ploieşti beneficiază de energie electrică furnizată de turbina eoliană cu putere de 660 kW amplasată în apropiere.

Locaţia aleasă pentru montarea primei centrale eoliene din România a fost Parcul Industrial Ploieşti, zona identificata de meteorologi drept prielnică pentru o asemenea investiţie. Pentru ca centrala să poată funcţiona este nevoie ca ea să fie amplasată intr-o zonă unde bate vântul constant. Viteza minimă a vântului care determină punerea în mişcare a centralei este de 3,5 metri/secunda. În zona parcului industrial viteza medie a vântului calculată de meteorologi este de şapte metri/secundă. Aceasta viteza medie asigură funcţionarea centralei la 85-90% din capacitate. Dacă viteza vântului depăşeşte 25 metri/secundă, centrala se opreşte automat pentru a nu fi dereglată de furtuni sau alte fenomene meteorologice. Centrala eoliană are o putere instalată de 660 kW şi produce un curent electric de 690 V, care intra în sistemul naţional la 20 kV.

SCURT ISTORIC AL ENERGIEI EOLIANE.

Drept sursă energetică vântul este cunoscut omenirii de 10 mii de ani. Încă de la orizontul civilizaţiei energia vântului se utiliza în navigaţia maritimă. Se presupune că egiptenii străvechi mergeau sub pânze încă cu 5.000 ani în urmă. Primele mori eoliene pentru cereale au apărut în Persia acum peste 1000 şi este posibil să se fi răspândit în China, în regiunea mediteraneeană şi în nordul Europei unde olandezii au construit solidele maşinării pentru care ţara lor este şi acum renumită.

Olandezii au îmbunătăţit modelul morii de vânt si l-au adaptat pentru a seca lacuri si mlaştini din delta Rinului. Când coloniştii au dus aceasta tehnologie in Lumea Noua la

sfârşitul secolului 19, au început sa folosească morile de vânt pentru a pompa apa pentru ferme, si mai târziu, pentru a genera electricitate pentru locuinţe si industrie.

Industrializarea, la început in Europa si mai târziu in America, a dus la un declin treptat in folosirea morilor de vânt. In Europa, motorul cu aburi a înlocuit morile de vânt care pompau apa. In anul 1930, programele Administraţiei Electrificării Rurale, au adus majorităţii zonelor rurale din SUA, electricitate ieftina.

Utilizarea energiei eoliene a variat întotdeauna in funcţie de preţul carburanţilor. Când preţul acestor carburanţi a scăzut , interesul pentru turbinele de vânt a scăzut de asemenea. Dar când preţul petrolului a crescut semnificativ in anul 1970, si interesul pentru utilizarea energiei eoliene a crescut.

La nivelul anului 2005, pe plan mondial ţarile fruntaşe din punct de vedere al capacitaţii totale instalate sunt Germania (18,428MW), Spania (10,027MW), SUA (9,149MW), India (4,430MW) si Danemarca (3,122MW). India a depăşit astfel Danemarca ocupând locul 4 in topul celor mai mari pieţe ale energiei eoliene globale. Alte tari precum Italia, Anglia, Tarile de Nord, China, Japonia, si Portugalia au ajuns la aproximativ 1000 MW instalaţi.

Avantaje

Spre deosebire de celelalte surse de energie, puterea vântului este inepuizabila, nu poluează mediul si nu degajează emisii ce duc producerea ploilor acide sau la amplificarea efectului de sera. Energia eoliana beneficiază de una dintre cele mai ieftine tehnologii de producţie, costând intre 4 si 6 eurocenţi pe kilowatt/ora. Turbinele eoliene se pot construi lângă ferme, îmbunătăţind economia in zonele rurale unde intensitatea vântului este mai mare. De asemenea nu afectează activitatea fermierilor pentru ca ocupa o suprafaţa relativ mica.

Unul dintre cele mai mari avantaje ale acestor generatoare o reprezintă longevitatea acestora, fără sau cu foarte puţine investiţii suplimentare de la momentul instalării.

Un grup de cercetători au reuşit sa dovedească ca turbinele folosite pentru uz marin trebuie sa genereze energie aproximativ 6.8 luni, înainte sa producă la fel de multa energie cat a fost

necesara pentru construcţia ei. Asta înseamnă ca aceste turbine îşi câştiga valoarea de aproximativ 35 de ori pe durata totala de funcţionare.

Mai mult decât atât, daca este instalata intr-un loc propice ea va genera aproximativ 280 de mii de MWh in 20 de ani, astfel salvând mediul de aproximativ 230 de mii de tone de CO2, generate de o centrala pe baza de combustibil fosil.

Dezavantaje

Pentru a avea succes, energia eoliana trebuie sa fie apropiata ca preţ de energia convenţională. Dar in acest caz, competitivitatea preţului depinde de activitatea maselor de aer din acea zona. Chiar daca in ultimul deceniu costul producerii energiei eoliene a scăzut dramatic, este necesara o investiţie mai mare in acest domeniu decât in cel al termocentralelor. Pentru a deveni mai profitabila, trebuiesc finanţate proiectele de dezvoltare a tehnologiei de producţie. Marele dezavantaj îl constituie faptul ca vanturile nu au activitate continua si de aceea nu pot furniza energie tot timpul. Iar puterea vântului nu poate fi stocata si utilizata la nevoie precum combustibilii solizi. Alt dezavantaj este ca nu toate vanturile sunt suficient de puternice, sau de dese pentru a putea fi valorificate. Zonele cu activitate intensa a vanturilor se afla de obicei in zone izolate, departe de oraşe, unde este necesara. Dezvoltarea energiei eoliene intra in competiţie cu alte utilizări, mai profitabile, ale terenului respectiv. In ciuda faptului ca centralele eoliene au o influenta redusa asupra mediului in comparaţie cu alte tipuri de centrale, apar nemulţumiri datorita zgomotului produs de elice, efectului estetic si s-au raportat cazuri in care au fost omorâte pasările la impactul cu elicele generatoarelor. La ora actuala, aceste probleme au fost remediate sau mult reduse prin progresul tehnologic sau prin mai buna poziţionare a centralelor.

PRINCIPIU DE FUNCŢIONARE AL INSTALAŢIILOR EOLIENE.

Energia eoliană este o sursă de energie reînoibilă generată din puterea vântului. Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a pamântului de către soare, fapt care creează mişcări de aer. Mişcarea maselor de aer se formează datorită temperaturilor diferite a două puncte de pe glob, având direcţia de la punctul cald spre cel rece.

Aero-generatorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său: aceasta este transformată în energie mecanică, care la rândul ei este transformată în energie electrică de către generatorul cuplat mecanic la turbina eoliană. Acest cuplaj mecanic se poate face fie direct, dacă turbina şi generatorul au viteze de acelaşi ordin de mărime, fie se poate realiza prin intermediul unui multiplicator de viteză.

Energie cinetică

vânt

Energie mecanică

rotor

Energie electricăgenerator

Stocareacumulatori

Reţea de distribuţie

Sarcini izolate

(ex: localităţi izolate)

În sfârşit, există mai multe posibilităţi de a utiliza energia electrică produsă: fie este stocată în acumulatori, fie este distribuită prin intermediul unei reţele electrice, fie sunt alimentate sarcini izolate. Sistemele eoliene de conversie au şi pierderi. Astfel, se poate menţiona un randament de ordinul a 59 % pentru rotorul eolienei, 96% al multiplicatorului. Trebuie luate în considerare, de asemenea, pierderile generatorului şi ale eventualelor sisteme de conversie.

Diagrama de transmisie a energiei pentru o instalaţie eolienă.

Elementele componente ale unei instalaţii eoliene sunt: 1. Pale - Forma si concepţia lor este esenţiala pentru a asigura forţa de rotaţie necesara. Acest design este propriu fiecărui tip de generator electric.   2. Nacela - Conţine generatorul electric asigurând şi o protecţie mecanica    3. Pilon - Asigura structura de susţinere si rezistenta a ansamblului superior.   4. Fundaţie - Asigura rezistenta mecanica a generatorului eolian.

În scopul evaluării resursei de energie eoliană din locul unde se doreşte amplasarea turbinei sunt necesare măsurători continui pe perioade extinse, în toate cele patru anotimpuri (aproximativ timp de 18 luni), cu un

anemometru. Acesta măsoară nu numai viteza, ci şi sensul şi direcţia vântului, înregistrându-le pe un calculator pentru analize ulterioare.

Clasificarea turbinelor eoliene in funcţie de orientarea axului.

Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii în funcţie de orientarea axului :

- eoliene cu ax vertical   ; - 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. Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălţimea de 0,1 - 0,5[m] din înălţimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operaţiunile de întreţinere. În

Mecanism de transmisie Generator

electric

Convertor de putere

Consumator/Reţea

plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuşi, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul fiind supus unor solicitări mecanice importante. Din aceste motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal.

Cele mai răspândite două structuri de eoliene cu ax vertical se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale sau a variaţiei periodice a incidenţei.•  Rotorul Savonius în cazul căruia, funcţionarea se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din feţele uni corp curbat au intensităţi diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Schema de principiu a rotorului Savonius

•  Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variaţiei periodice a incidenţei. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcţie de diferitele unghiuri, este supus unor forţe ale căror intensitate şi direcţie sunt diferite. Rezultanta acestor forţe determină apariţia unui cuplu motor care roteşte dispozitivul.

Schema rotorului Darrieus Imaginea unei eoliene Darrieus

Eoliene cu ax orizontal .Există două categorii de eoliene cu ax orizontal:

•  Amonte: vântul suflă pe faţa palelor, faţă de direcţia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcţia vântului.•  Aval: vântul suflă pe spatele palelor, faţă de nacelă. Rotorul este flexibil şi se auto-orientează.

Funcţionarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obţine un bun compromis între coeficientul de putere, cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian, ca şi o ameliorare a aspectului estetic, faţă de rotorul cu două pale.Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este

superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai puţin supuse unor solicitări mecanice importante şi au un cost mai scăzut.

Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în funcţie de direcţia şi forţa vântului. Pentru aceasta, există dispozitive de orientare a nacelei pe direcţia vântului şi de orientare a palelor, în funcţie de intensitatea acestuia.

În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezintă cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară industrială.

Fermă eoliană offshore (Danemarca)Clasificarea eolienelor in funcţie de putere.

Eolienele pot fi clasificate în funcţie de puterea lor:  Clasificarea eolienelor în funcţie de putere

Diametrul palelor Puterea nominală

Mică putere <12 m < 40 kW

Medie putere 12 la 45 m 40kW la 1 MW

Mare putere > 46 m > 1 MW

Principalele două caracteristici ale turbinelor eoliene ar trebui să fie simplitatea şi robusteţea. Simplitatea ar trebui să fie cât mai mare, deoarece ea ar permite, în afară de costuri minime , o fiabilitate ridicată. Este deci necesar ca în construcţia maşinilor să eliminăm la maximum elementele mobile, să eliminăm influenţa variaţiilor de direcţie ale vântului. Robusteţea unei maşini eoliene este legată în primul rând de condiţiile în care lucrează, respectiv în exterior, fiind expuse la intemperii de tot felul : ploaie, zăpadă, chiciură, gheată, praf etc. Trebuie de asemenea să suporte toate variaţiile de viteză şi direcţiile vântului. De fapt robusteţea este legată de simplitate. Ar mai fi de adăugat o calitate anexă, dar deloc de neglijat în ziua de azi ; aceea a esteticii produsului, a integrării acestuia în mediul natural a nepoluării estetice.