Energia eoliană După energia hidraulică, pe locul al doilea din punct de vedere al exploatării sistematice a resursei regenerabile, este energia eoliană. Spre deosebire de energia hidraulică, energia eoliană nu poate fi concentrată şi chiar dacă este disponibilă la parametrii tehnic avantajoşi nu poate fi exploatată decât în proporţie de cca. 60% (legea lui Betz). Deci, nu este suficient sa avem un potenţial eolian semnificativ ci şi o tehnologie care să extragă maximum de energie din cea care rămâne disponibilă ca urmare a constrângerilor naturale. Energia eoliană se datorează schimbărilor de densitate a aerului intre sol si oceane, deplasărilor maselor de aer, ca efect al radiaţiilor solare.Din energia disponibila solara, doar 2 % se transforma in energie eoliana.

Avantaje : - Energia eoliana este competitiva dpdv economic,

- punctual (pentru o regiune) poate rezolva cererea de energie,

- nu afecteaza mediul (decat in mica masura – vezi pasarile)

Potenţialul eolian al României

Figura nr.1 Harta eoliană a României

Valori ale vitezei vântului.Măsurători executate la înălţimea de 50 m deasupra solului pentru diferite condiţii

topografice

ZonăTerenuri plate

m/s W/m2

Zonălitoral

m/s W/m2

Zonămare

deschisăm/s W/m2

Zonămontană

înaltăm/s W/m2

>7,5 >500

>8,5 >700

>9,0 >800

>11,5 >1800

6,5-7,5 300-500

7,0-8,5 400-700

8,0-9,0 600-800

10,0-11,5 1200-1800

5,5-6,5 200-300

6,0-7,0 250-400

7,0-8,0 400-600

8,5-10,0 700-1200

4,5-5,5 100-200

5,0-6,0 150-250

5,5-7,0 200-400

7,0-8,5 400-700

<4,5 <100

<5,0 <150

<5,5 <200

<7,0 <400

Viteza vântului la 10 m înălţime

(m/s)

Scara Beaufort

Vânt

0.0-0.4 0 Calm

0.4-1.8 1 Uşor

1.8-3.6 2

3.6-5.8 3

5.8-8.5 4 Moderat

8.5-11 5 Semnificativ

11-14 6 Puternic

Roza vanturilor

Scara Beaufort

 

14-17 7  

17-21 8 Furtună

21-25 9

25-29 10 Furtună puternică

29-34 11

>34 12 Uragan

•Viteza vântului variază cu înălţimea – sub 1000 m (de suprafaţă) sau peste aceasta cota.

•S-a constatat ca eficient este sa captam energia eoliana de la cca 100 – 150 m deasupra solului.

•Energia vântului este captata mai eficient în asa-numitele parcuri eoliene si/sau combinată cu alte forme de energie.

•Captatoarele eoliene se numesc aerogeneratoare.

•Clasificarea captatoarelor după:

- putere – mici - 250-400kW

- medii – 600 kW, 1000 kW

- mari – 1,5 MW, 2 MW si peste

Turbine eoliene cu ax orizontal

Turbine eoliene cu ax vertical

La viteze mici ale vântului rotoarele Savonius şi cele cu ax orizontal lente demarează mai uşor, dar eficienţa captării energiei cinetice a curentului scade odată cu creşterea vitezei acestuia. În cazul rotorului Darrieus, viteza specifică are valori maxime comparabile cu cele ale rotoarelor cu ax orizontal motivul fiind acela că ambele îşi bazează funcţionarea pe utilizarea paletelor profilate. Analiza de mai sus poate explica şi variaţia eficienţei turbinelor eoliene de la 14% pentru rotoarele Savonius la 32% la cele tip Darrieus şi peste 45% pentru cele cu ax orizontal şi palete profilate. Se observă că turbinele eoliene cu ax orizontal se suprapun peste domeniul de lucru al celor de tip Savonius şi Darrieus având rezultate mai bune. Singura excepţie o face cuplul mare de pornire al rotorului Savonius, motiv pentru care uneori acesta este montat pe acelaşi ax cu cel al unui rotor Darrieus pentru a-l aduce pe cel din urmă în regim.

Comparatie rotoare Savonius şi Darrieus

Schema funcţională a rotorului Darrieus Turbina cu rotor vertical tipDarrieus cu două pale

Geometria simplificată a rotorului Savonius Ansamblu cu turbine Savonius

Datele tehnice aferente diferitelor tipuri de rotoare pentru aceeaşi suprafaţă de material de 3,2 m2 şi aceeaşi viteză a vântului de 5,6 m/s

Tendinţe în construcţia aerogeneratoarelor Aerogeneratoarele sunt astăzi montate aproape în toată Europa, chiar în ţări care nu dispun de un potenţial eolian deosebit. Ţările cu cea mai mare deschidere pentru folosirea energiei eoliene ca resursă energetică şi care au cele mai mari puteri instalate sunt Germania, Danemarca şi Spania cu peste 1000 MW.

În prezent nivelul tehnic la care s-a ajuns în fabricarea elementelor componente ale aerogeneratoarelor a permis creşterea puterilor instalate la cca. 2-3 MW

Unele ţări europene şi-au propus ca obiectiv, ca mai mult de 25% din consumul de energie naţional actual să fie obţinut din resurse regenerabile fig.2.). În ceea ce priveşte consumul total de energie în România, cei 63 TWh/an potenţial eolian energetic amenajabil pot acoperi mai mult de 12% din consumul actual de energie (cca.541TWh/an).

Figura nr.2 Potenţialul energetic eolian al unor ţări dinEuropa comparat cu 25% din consumul actual acestora

(Sursa: Comisia Europeană şi CNS din România anii 1992-2000)

Elementele componente ale unei turbine eoliene

In ultimii zece ani puterile instalate au crescut de la 250-400 kW la cca. 1,5-2MW. Acesta are două explicaţii: -  economică, rezultată din necesitatea de a realiza economia de scară pentru investiţiile de acest tip;- tehnică, rezultat al unui salt tehnologic, care a permis soluţii constructive cu randamente ridicate, complet automatizate şi conectate la sistemele energetice naţionale chiar la viteze mici ale curentului incident, cu o durată e viaţă de cca. 30-40 de ani şi întreţinere simplă

În ceea ce priveşte generatorul electric, nu există diferenţe fundamentale între generatoarele electrice utilizate în industrie şi cele care echipează turbinele eoliene. Turaţia la care sunt antrenate generatoarele este de cca. 1000-1500 rot/min şi pentru obţinerea acesteia, între arborele turbinei eoliene (a cărui viteză unghiulară este 20-100 rot/min) şi cel al maşinii electrice, se interpune un multiplicator. Această variantă clasică a fost surclasată astăzi de varianta maşinilor speciale multipol care spre deosebire de generatoarele clasice au montate pe jugul rotorului un număr mare de magneţi permanenţi. Astfel, maşina electrică poate prelua direct cuplul oferite de arborele turbinei eoliene fără a mai fi nevoie de un multiplicator. Pentru un aerogenerator cu putere instalată de 500 kW, diametrul generatorului electric este de 2,5 m, turaţia de 40 rot/min iar masa acestuia de 3300 kg.

Figura nr.3 Diametre şi puteri ale turbinelor eoliene

Aerogeneratoarele sunt utilaje energetice a căror tehnologie este mai degrabă medie din punct de vedere al complexităţii producţiei şi exploatării. Tehnologiile recente au permis ca paletele rotorului să fie executate din fibră de sticlă ramforsată cu plastic (poliester sau rasini epoxidice) sau fibre de carbon ramforsat cu aramid (variantă neeconomică pentru turbine mari). Palele din aliaje de aluminiu sau oţel, cu probleme observate la solicitarea de oboseală şi relativ grele au fost mai mult sau mai puţin abandonate. Astăzi s-a ajuns la diametre de rotoare de până la 70m ale rotoarelor corespunzătoare unor puteri instalate de 2MW .

O problemă soluţionată în prezent este construcţia turnului aerogeneratorului, elementul de susţinere al ansamblului rotativ montat în interiorul nacelei. Turnurile turbinelor eoliene cu puteri instalate mari pot fi realizate în formă tubulară (tronsoane tronconice de 20-30 m asamblate cu flanşe), grinzi cu sau din beton armat. Odată cu creşterea înălţimii turnului viteza medie a vântului creşte ca şi energia captată. Totuşi, alături de unele limitări tehnice, costul unui turn este cel care limitează înălţimea disponibilă (costul unui turn este cca. 20% din costul aerogeneratorului). Astfel, pentru 10 metri suplimentari unui turn de 50 m, costurile pot ajunge până la 15.000 USD. Cele mai ieftine turnuri sunt cele din grinzi cu zăbrele dar induc vibraţii structurale din cauza desprinderii de vârtejuri de pe profilele componente. În ultimii ani masa turnurilor s-a redus cu până la 50% datorită utilizării noilor tehnologii de fabricaţie (tablă roluită), păstrând limitele de siguranţă.

Parametrii energetici ai aerogeneratoarelor

Curba de putere pentru Coeficientul de putere o turbină cu P=600 kW pentru o turbină cu P=600 kW

Costuri de executieÎn structura costurilor unui aerogenerator cca. 70% le reprezintă turbina eoliană cu dotările

proprii (generator, multiplicator, instalaţii conexe), 12% sunt cheltuieli de lucrari civile (fundaţii, drumuri de acces etc.) 12% costul conectării la reţea iar restul de cca. 6% sunt

costuri de funcţionare, testare etc.

Costul energiei furnizate de un Costul energiei în funcţie de aerogenerator cu P=600 kW producţia de energie pentru P=600kW

Studiu de caz -parc eolian SULINA S-a studiat amplasarea unui parc eolian cu putere P=3 MW la limita oraşului Sulina. Pentru aceasta s-au analizat trei variante de aerogeneratoare cu puteri de 300 kW, 600 kW şi 1500 kW (2 bucăţi). Principalele caracteristici ale generatoarelor sunt prezentate în tabel

PutereP [kW]

Diametru rotorD [m]

Înălţime turnH [m]

300 21,2 50

600 29,9 50-60

1500 47,2 50-70

 3-5

10,8-18

  6-9

21,6-32

 10-1236-43,2

  13-1646,7-

57

 2538,8

 3279,9

 1320,1

 624,4

Viteza vântului

(m/s)(km/h)

Nr. mediu de ore pe an

Viteza vântului la 10 mV [m/s]

Viteza vântului la 50 mV [m/s]

Puterea la bornele GEN.P [kW]

Numărul de ore [h]

EnergieprodusăE [kWh]

4 6 38,81 520 20181,41

5 7,5 75,80 300 22740,47

6 9 130,98 1080 141463,90

7 10,5 207,99 900 187199,60

8 11,8 295,21 570 221412,30

9 13,4 432,32 550 237777,90

10 14,8 582,47 600 349486,80

11 16,4 600 1529  

12 17,8 600 1529  

13 19,4 600 1529  

14 20,8 600 1529  

15 22,5 600 1529  

Producţia anuală de energie pentru un aerogenerator cu P=600 kW

Efectul suprafeţei expuse curgerii asupra coeficientului de putere CP

Influenţa numărului de pale asupra Cp pentru rotoare orizontale

Producerea de energie cu ajutorul aerogeneratoarelor

Utilizările clasice ale energiei eoliene sunt pomparea apei şi producerea de energie electrică (în regim insularizat pentru puteri instalate mici şi cu debitare în sistemul energetic pentru puteri instalate mari). În ultimii ani, preocuparea pentru producerea de energie din surse regenerabile şi progresul tehnic au dus la scăderea puterilor minime cerute producătorilor privaţi pentru a avea acces în sistemul energetic naţional şi scăderea dramatică a costurilor echipamentelor eferente conversiei.

Se rezolvă astfel dificila problemă a stocării energiei electrice, sistemul naţional energetic preluînd energia produsă, pe care apoi o poate returna la cerere în condiţii de randament ridicat.

În aceste cazuri rămâne de justificat soluţia aleasă: fie asigurarea unei puteri constante (în cazul unei reţele izolate) fie conversia unui volum maxim de energie disponibilă în amplasament.

În figura urmatoare se face o comparaţie între cele două soluţii iar suprafaţa haşurată arată cantitatea de energie obţinută. Este evident că pentru cazul în care este deschis accesul spre sistemul energetic naţional, varianta a doua este cea mai avantajoasă. Trebuie precizat că soluţia de mai sus este posibilă în cazul turbinelor eoliene rapide şi nu în cazul turbinelor eoliene cu ax vertical.

Energia disponibilă într-un an (pentru putere constantă sau pentru energie maximă)