UNIVERSITATEA POLITEHNICA DIN BUCURESTIFACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICAAN I, GRUPA 111B

Energia eoliana

STUDENT: Dragnea Valentin Daniel

Cuprins

Introducere..................................................................................................................................1Potenţialul eolian........................................................................................................................4Tehnologia producerii energiei eoliene......................................................................................5Tipuri de instalatii eoliene........................................................................................................10

Turbinele eoliene cu ax orizontal.....................................................................................10Turbinele eoliene cu ax vertical.......................................................................................12Sisteme eoliene la scară mică.........................................................................................13

Avantajele şi dezavantajele utilizării energiei eoliene..............................................................16

1

Introducere

In lucrarea de fata voi trata energia eoliana ca subiect principal. Voi structura unei eoliene si a unei turbine eoliene, tipurile de centrale eoliene si randamentul acestora. Si nu in ultimul rand, voi evidentia avantajele si dezavantajele folosirii eolienelor si a energiei eoliene.Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată din puterea vântului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită pentru a roti nişte turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Formarea vânturilor se datorează mişcării Pământului, astfel încât Soarele nu încălzeşte Pământul uniform, fapt care creează mişcări de aer.

Utilizarea vântului pentru a genera energie electrică a fost o tehnică mult folosită în vechime.Când vântul întoarce paletele unei mori de vânt, se învârte o turbina în interiorul unui mic generator pentru a produce electricitate, la fel ca la o uzină electrică pe cărbune. O moară de vânt la o fermă poate face doar o cantitate mică de energie electrică - suficientă pentru a alimenta câteva utilaje de la fermă. Pentru a produce suficientă electricitate pentru o mulţime de oameni, companiile de electricitate construiesc "ferme eoliene" cu zeci de turbine eoliene uriaşe.Fermele eoliene sunt construite în zonele de câmpie, deschise, unde vântul suflă cu cel puţin 14 mile pe oră.La sfârşitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73 904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1 % din necesarul mondial de energie electrică.Se crede că potenţialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7 % din suprafaţă Pământul (excluzând oceanele) să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe kilometru pătrat. Aceste cifre nu iau în considerare îmbunătăţirea randamentului turbinelor şi a soluţiilor tehnice utilizate.Deşi încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea ţărilor, producţia energiei eoliene a crescut practic de câteva ori între 1999 şi 2010, ajungându-se ca, în unele ţări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

Figura 1 – Energia eoliana totala in MW

2

Puterea eoliană instalată şi predicţii până în 2020

In ultimii ani, utilizarea energiei eoliene a consemnat un progres deosebit. Astfel, intre 1995 – 2005, rata anuala de crestere a fost de cca 30%, conducand la o putere instalata totala noua de 32.000 MW, adica dublu decat in domeniul energiei nucleare din aceeasi perioada.In ultimii 25 de ani, eficacitatea energetica s-a dublat, iar costul unui kWh produs a coborat de la 0,7 euro la circa 0,32 euro in prezent.

Potrivit studiului realizat de Asociatia Europeana a Energiei Eoliene, cel mai mare producator de energie eoliană in UE este Germania cu 25.777 MW instalati in 2009, fiind urmata de Spania cu 19.149 MW si de Italia cu 4.850 MW. Polonia avea anul trecut 725 MW instalati, Ungaria- 201 MW, Bulgaria- 177 MW.

Figura 2 – Energia eoliana totala 1997-2020

Potenţialul eolian

Viteza vântului este luată la 80 m, deoarece aceasta este înălţimea turbinelor moderne de 1500 kW, cu un diametru de 77m.

La nivel global, circa 13% din toate staţiile meteorologice raportează viteze medii anuale ale vântului la 80m ≥ 6.9 m / s (puterea vântului fiind de clasa 3 sau mai mare). Zonele respective, prin urmare, pot fi considerate potrivite pentru producerea de energie eoliană cu cost redus. Această estimare este considerată a fi conservatoare.

De pe toate continentele, America de Nord are cel mai mare număr de staţii din clasa ≥ 3 (453) şi Antarctica are cel mai mare procent (60%). Zonele cu potenţial mare se regăsesc în

3

Europa de Nord de-a lungul Mării Nordului, vârful de sud a continentului sud-american, insula Tasmania în Australia, regiunea Marilor Lacuri, precum şi coastelor de nord-est şi nord-vest a Americii de Nord.

Figura 3 - Harta potenţialului eolian mondial, cu vânturile la 80 m

4

Figura 4 - Harta potenţialului eolian din România, cu vânturile la 50 m

Tehnologia producerii energiei eoliene

O turbina eoliana lucreaza într-un mod opus celui al unui ventilator. În loc de a folosi energie electrică pentru a face vânt, o turbina eoliana foloseşte vântul pentru a produce electricitate.

Vântul întoarce paletele, care acţionează un arbore, care se conectează la un generator de energie electrică şi produce electricitate. Energia electrică este trimisă prin linii de transport şi distribuţie la o staţie.

Diagrama de mai jos arată o parte din piesele şi componente din interiorul unei turbine eoliene:

5

Figura 5 – Structura eolienei

Imbinarea armonioasa a progreselor tehnice cu cele informatice a condus la cresterea spectaculoasa a utilizarii energiei eoliene.

Un asemenea progres a fost posibil atat prin inbunatatirile tehnologice aduse instalatiilor, cat si printr-o mai buna cunoastere a comportarii si caracteristicilor curentilor de aer utilizati ca sursa de actionare.

Implantarea unei instalatii eoliene de mare putere necesita raspunsuri la intrebari legate de directia, viteza si regularitatea curentilor de aer in locul respectiv, dar si de distributia pe verticala a temperaturilor aerului si de vegetatia locala (generatoare de turbulente) s. a. Toate aceste probleme isi gasesc astazi un raspuns sigur multumita unor programe informative puse la punct de cadrele Universitatii daneze RISCE in modelul fizic WASP. Metodele cuprinse in acest program de calculator au devenit elemente-cheie in standardul international pentru evaluarea unui potential eolian. In scopul analizarii mai fine a previziunilor eoliene s-a utilizat si un sondor acustic denumit “sodar“, care poate cartografia in 3D vantul pe o retea locala distribuita vertical de la 5m la 300m inaltime. La randul sau, societatea franco-germana EOLE RES a dezvoltat un program de calculator care simuleaza cresterea arborilor. Aceasta problema este legata atat de durata de viata a unei instalatii

6

eoliene, apreciata la minimum 25 de ani, cat si de faptul ca in acest interval de timp arborii plantati la sol isi pot dubla, prin crestere, atat inaltimea cat si volumul, influentand, prin perturbatiile produse, curentii de aer din zona.

Turbina eoliana, care este prezentata într-o forma simplificata în figura 5, este compusa în principal din:

Palete ( pale );

Generator;

Frâna;

Angrenaj;

Regulatoare electrice;

Sistem de orientare;

Butuc.

Paletele (palele) sunt realizate dintr-un amestec de fibra de sticla si materiale compozite. Ele au rolul de a capta energia vântului si de a o transfera rotorului turbinei. De forma lor depinde randamentul turbinei.

Generatorul asigura producerea energiei electrice. Transforma energia mecanica a axului de intrare în energie electrica. Poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Cele mai utilizate sunt cele de curent alternativ.

Frâna asigura blocarea turbinei eoliene pe axa vântului. Poate fi situata fie pe axul principal, în fata angrenajului de transmisie, fie pe axul de mare viteza în spatele angrenajului de transmisie.

Angrenajul transfera energia mecanica generatorului.

Regulatoarele electrice sunt elemente de reglare.

7

Figura 6 – Structura eolienei

Sistemul de orientare este necesar pentru ca axa rotorului sa fie aliniata directiei vântului pentru a extrage cât mai mult posibil din energia cinetica a vântului. Este constituit dintr-o coroana dintata echipata cu un motor. El asigura orientarea turbinei eoliene si blocarea acesteia pe axa vântului cu ajutorul frânei.

Butuculeste prevazut cu un sistem pasiv, activ sau mixt, care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotatie a turbinei eoliene.

Controlul activ, prin motoare hidraulice, asigura modificarea unghiului de incidenta a palelor pentru a valorifica la maxim vântul instantaneu si de a limita puterea daca vântul depaseste viteza nominala.

La controlul pasiv, palele sunt fixe în raport cu butucul turbinei. Ele sunt concepute pentru a permite deblocarea în cazul unui vânt puternic. Este un sistem utilizat de majoritatea turbinelor eoliene.

Controlul mixt, numit si control activ cu deblocare aerodinamica, îmbina avantajele celor doua sisteme prezentate mai înainte.

8

Turbina eoliana are ca element auxiliar pilonul. Pilonul sunt fabricat din otel sau beton compactat. El sustine turbina eoliana. La stabilirea înaltimii trebuie sa se tina cont si de pretul de cost. Exista o relatie de directa proportionalitate între înaltimea pilonului, viteza vântului si pretul de cost. Pilonii au în general înaltimi cuprinse între 40 m si 80 m. Prin interiorul pilonului trec cablurile electrice.

Fundatia asigura rezistenta mecanica a structurii formate din pilon si din turbina eoliana. Turbinele eoliene sunt dotate si cu un sistem electronic de control, care controleaza pornirea, reglajul înclinarii palelor, frânarea si oprirea rotirii palelor. De asemenea, se mai utilizeaza si dispozitive de masurare a vitezei vântului.

Succesiunea etapelor în generarea si transmiterea energiei eoliene poate fi rezumata dupa cum urmeaza:

1. Pe masura ce vântul interactioneaza cu rotorul se produce un cuplu;

2. Frecventa rotationala relativ scazuta a rotorului este intensificata prin intermediul angrenajului de transmisie;

3. Axul de iesire al angrenajului de transmisie roteste generatorul;

4. Energia electrica produsa de generator trece prin regulatorul turbinei si prin disjunctoare si este ridicata la o tensiune intermediara de transformatorul turbinei;

5. Prin sistemul de cabluri se transmite energia electrica transformatorului;

6. Transformatorul instalatiei creste tensiunea pâna la valoarea minima a retelei;

7. Sistemul de retele interconectate transmite energia electrica pâna la punctul ultim de utilizare;

8. Substatiile transformatorului reduc tensiunea la valori de utilizare pe o scara restrânsa sau la valori industriale;

Tipuri de instalatii eoliene

Turbinele eoliene se pot roti orizontal sau vertical

Figura 7 -Tipuri de turbine eoliene

9

Trei tipuri de turbine eoliene: turbină verticală Savonius, turbină orizontală moddernă şi turbină verticală Darrieus.

Turbinele eoliene cu ax orizontal

Turbinele cu ax orizontal au axul rotorului principal şi generator electric la partea de sus a unui turn, şi trebuie să se poziţioneze în vânt. Turbinele mici sunt poziţionate printr-o simplă paletă de vânt, în timp ce turbinele mari, în general, utilizează un senzor de vânt cuplat cu un motor servo. Cele mai multe au o cutie de viteze, care transformă rotaţia lentă a paletelor într-o rotaţie mai rapidă care este mai potrivit pentru un generator electric.

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.

Figura 8 - Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte

•  Aval: vântul suflă pe spatele palelor, faţă de nacelă. Rotorul este flexibil şi se auto-orientează.

10

Figura 9 - Schema unei eoliene cu ax orizontal aval

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă şi dă cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafeţe de direcţionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse şi are o stabilitate mai bună.

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.

Turbinele eoliene cu ax vertical

Asemenea instalatii sunt legate de constructii civile individuale inalte, blocuri etc. Ele pot fi montate pe partea superioara a unor asemenea cladiri, reusind sa acopere in buna masura consumul de energie electrica al acesteia.

Turbinele eoliene cu ax vertical sunt un tip de turbine eoliene unde arborele rotorului principal este aşezat pe verticală. Printre avantajele acestui aranjament, sunt că generatoare si cutiile de viteze poate fi plasat aproape de sol, şi că turbinele nu trebuie să se poziţioneze în vânt.

11

Inconveniente majore pentru modele timpurii (Savonius, Darrieus, giromill şi cycloturbine) includ cuplul pulsator care poate fi produs în timpul fiecărei revoluţii şi momentele imense de flexiune pe palete. Proiecte mai recente au rezolvat problema folosind un cuplu de torsiune de lame elicoidale aproape similare cu turbinele de apă Gorlov.

Figura 10 – Turbina eoliana cu ax vertical

Cea mai înaltă turbină eoliană cu ax vertical, de la Cap-Chat, Quebec

Turbinele verticale oferă o serie de avantaje faţă de turbine eoliene tradiţionale cu ax orizontal. Ele pot fi grupate împreună mai aproape în ferme eoliene, făcăndu-se economie de spaţiu. Acest lucru nu se produce datorită faptului că aceste turbine sunt mai mici, ci mai degrabă din cauza efectului de încetinire a aerului pe care le au turbinele orizontale, forţând designerii să le separe cu de zece ori lăţimea lor.

Daca pentru instalatiile eoliene cu ax orizontal industria germana si-a dovedit prioritatea, francezii se pot lauda cu realizari de varf in grupa eolienelor cu ax vertical. Astfel, firma Gual Industrie din Perpignan a dat in exploatare cateva turbine cu ax vertical care asigura o serie de caracteristici importante:- randamente superioare cu aproape 30% fata de turbinele cu ax vertical cunoscute;- viteza maxima a vantului pana la care sunt eficiente este de 150km/h;- rotorul se prezinta ca o roata de moara prevazuta cu un numar determinat de cupe;- la un ax vertical inalt de 3m, rotorul are un diametru maxim de 8m, putand asigura o putere instalata efectiva de pana la 55 kW.Pentru alimentarea rotorului cu un flux de aer constant, acesta este canalizat intr-o coroana cu pale fixe, adica un stator, de unde si numele suplimentar de statoeoliana. Profilul palelor rotorului si ale statorului au fost definite in Laboratorul de modelare pentru mecanica fluidelor din Marsilia.

Sisteme eoliene la scară mică

12

Energia eoliana este printre formele de energie regenerabila care se preteaza aplicatiilor la scara redusa.

Instalaţiile eoliene la scară mică sunt sisteme de generare a curentului cu o capacitate de producţie de până la 50 kW. Comunităţile izolate, care altfel se pot baza doar pe generatoare diesel pot folosi turbine eoliene pentru a înlocui consumul de combustibil diesel. Persoanele fizice pot achiziţiona aceste sisteme pentru a reduce sau elimina dependenţa lor de reţea de energie electrică pentru motive economice sau de altă natură.

Figura 11 – Eoliana cu ax vertical la scara mica

Figura 12 – Eoliana la scara mica

Turbinele eoliene au fost utilizate pentru producerea de energie electrică de uz casnic în special prin depozitarea acesteia în acumulatoare în zone izolate.

Turbinele eoliene conectate la reţea pot folosi sisteme de stocare a energiei de tip acumulatoare sau pot să introducă energia produsă în reţea. Turbinele eoliene care nu sunt conectate la reţea nu produc energie tot timpul astfel că utilizatorii trebuie să fie adaptaţi la

13

utilizarea energiei intermitent, să acumuleze energia ăn acumulatori sau să utilizeze alternativ şi alte surse de energie (generatoare diesel, energie fotovoltaică, etc).

Un nou studiu Carbon Trustdespre potenţialul energiei eoliene de mici dimensiuni a descoperit că turbinele eoliene mici ar putea oferi până la 1.5 terawatt oră (TW•h) pe an de energie electrică (0,4% din consumul total de energie electrică din Regatul Unit), reducând emisiile de dioxid de carbon cu 0,6 milioane de tone. Interfeţele electronice necesare pentru conectarea unităţilor de producţie din surse regenerabile cu sistemul de utilitate poate include funcţii suplimentare, cum ar fi filtrarea activă pentru a îmbunătăţi calitatea energiei electrice.

Figura 13- Principiul functionarii energiei eoliene

Cand viteza vantului este suficienta, turbina eoliana produce energie electrica care poate fi utilizata pt. alimentarea sistemului sau incarcarea bateriilor. Cand nu bate vantul, sistemul este alimentat de energia stocata in baterii. Modulele fotovoltaice pot fi utilizate in combinatie cu generatorul eolian sau ca surse individuale. Utilizand  astfel de sisteme, se poate produce propria energie in mod gratuit si absolut ecologic in orice loc!

Sistemele eoliene sunt proiectate in jurul unei magistrale de curent continuu care formeaza punctul comun de conectare pentru toate sursele si sarcinile de curent continuu.

Invertorul sau orice sarcina electrica consumatoare de curent continuu sunt si ele conectate tot la Centrul de

Putere. Generatorul de rezerva diesel incarca bateriile printr-un regulator de incarcare. Generatorul de avarie poate fi comandat sa porneasca si sa se opreasca automat de catre Centrul de Putere.

Sistemul de generare de energie electrica pentru zone izolate incorporeaza una sau mai multe turbine de puteri

diferite. Turbinele furnizează putere variabila care se transforma in invertor, in tensiune alternativa constanta 230 V si frecventa constanta 50 Hz, folosita pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ. Excesul de putere se acumuleaza in baterii pana ce acestea sunt încărcate. In perioadele cu vant slab, energia acumulata in baterii alimenteaza consumatorii via invertor.

14

Daca tensiunea din baterii scade sub un anumit nivel, porneste automat generatorul Diesel de rezerva, care functioneaza pana ce bateriile sunt incarcate. Incarcarea bateriilor este controlata de proprietatea acestui tip de invertor de a fi bi-modal. In sistemele mai mari, invertorul se poate sincroniza cu generatorul de rezerva pentru preluarea varfurilor de sarcina mari. In acest fel, timpul de functionare al generatorului este mentinut la minimum si combustibilul este folosit optim in timpul functionarii generatorului de rezerva. Tensiunile alternative de iesire pot fi monofazate de 230V AC sau trifazate 380 V AC si 50 Hz.

Avantajele şi dezavantajele utilizării energiei eoliene

Avantaje:

În contextul actual, caracterizat de creşterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea dependenţei de aceşti combustibili.

Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluţie foarte bună la problema energetică globală. Utilizarea resurselor regenerabile se adresează nu numai producerii de energie, dar prin modul particular de generare reformulează şi modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor. Energia eoliană în special este printre formele de energie regenerabilă care se pretează aplicaţiilor la scară redusă.

Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanţe poluante şi gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili.

Nu se produc deşeuri. Producerea de energie eoliană nu implică producerea nici unui fel de deşeuri.

Costuri reduse pe unitate de energie produsă. Costul energiei electrice produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanţial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalităţile negative inerente utilizării combustibililor clasici.

În 2004, preţul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime faţă de cel din anii 80, iar previziunile sunt de continuare a scăderii acestora, deoarece se pun în funcţiuni tot mai multe unităţi eoliene cu putere instalată de mai mulţi megawaţi.

Costuri reduse de scoatere din funcţiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din funcţiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcţiune, la capătul perioadei normale de funcţionare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.

15

Dezavantaje:

Principalele dezavantaje sunt resursa energetică relativ limitată, inconstanţa datorită variaţiei vitezei vântului şi numărului redus de amplasamente posibile. Puţine locuri pe Pământ oferă posibilitatea producerii a suficientă electricitate folosind energia vântului.

La început, un important dezavantaj al producţiei de energie eoliană a fost preţul destul de mare de producere a energiei şi fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii ani, însă, preţul de producţie pe unitate de energie electrică a scăzut drastic, ajungând, prin îmbunătăţirea parametrilor tehnici ai turbinelor, la cifre de ordinul 3-4 eurocenţi pe kilowatt oră.

Un alt dezavantaj este şi "poluarea vizuală" - adică, au o apariţie neplăcută - şi de asemenea produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul şi ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări şi necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor. Argumente împotriva acestora sunt că turbinele moderne de vânt au o apariţie atractivă stilizată, că maşinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele şi că alte surse de energie, precum generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, deoarece creează poluare şi duc la efectul de seră.

Un alt dezavantaj este riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depăşeşte limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depăşită.

 

Bibliografie

[1] Structura si alcaturirea unei eoliene,

http://www.energy-consultancy.eu/energy_consultancy/_rowind.htm

[2] Informatii generale,

http://www.revista-informare.ro/showart.php?id=221&rev=8

[3] Avantajele si dezavantajele folosirii energiei eoliene http://www.greensource.ro/avantaje&dezavantaje.html

[4] Clasificarea eolienelor

http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien2.htm

16

[5] Grafice, date si statitici globale si locale a folosirii energiei eoliene. Potentialul eolian.

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_eolian%C4%83

17