Energie eoliana

1. Notiuni generale

Vantul este miscarea aerului datorata maselor de aer cu temperaturi diferite. Temperaturile diferite sunt cauzate de masele de apa si pamant care absorb diferit caldura soarelui. La scara globala miscarile masive de aer sunt cauzate de diferenta de temperatura intre pamantul de la ecuator si cel apropiat de poli.

Deoarece vantul va bata cat timp soarele va incalzi Pamantul este o sursa de energie regenerabila, ce este exploatata in prezent pentru a produce electricitate.

Turbinele eoliene curente functioneaza pe acelasi principiu ca si morile de vant din antichitate: palele unei elice aduna energia kinetica a vantului pe care o transforma in electricitate prin intermediul unui generator.

Cel mai mare dezavantaj al energiei eoliene este faptul ca nu se obtine electricitate cand vantul nu bate sau bate prea slab, motiv pentru care trebuie asigurata o sursa alternativa de electricitate.

Valorificarea energiei eoliene a inceput in anii ’70, odata cu prima criza mondiala a petrolului. In anii ’90 a revenit in prim plan din cauza ingrijorarilor generate de impactul asupra mediului a poluarii generate de combustibilii fosili. Singurele dezavantaje ale folosirii energiei eoliene este impactul asupra pasarilor si impactul vizual asupra mediului.

2. Centrale eoliene si turbine eoliene

O turbina eoliana este un dispozitiv ce transforma miscarea kinetica a palelor unei elice in energie mecanica. Daca aceasta energie mecanica este apoi transformata in electricitate avem de-a face cu un generator alimentat cu vant/convertor de energie eoliana. Termenul care s-a improprietarit insa este “turbina eoliana”.

Impropriu denumite, centralele eoliene sunt, ferme de turbine eoliene, ce sunt conectate la reteaua de distributie a curentului. In componenta unei centrale eoliene nu intra doar turbinele ci si redresoare de curent, transformatoarele si corectoare ale factorului de putere al curentului. In amplasarea centralelor eoliene se tine cont de valoarea vantului in zona, pretul terenului, impactul vizual si asupra structurilor din vecinatate si apropierea de reteaua de distribuie a curentului.

2.1.Descrierea Turbinei de Vânt

Componente:

Rotor

Reductor

Turn

Fundaţie

Comandă / Automatizare

Generator

2.2.Tipuri de turbine eoliene

Turbine cu axa orizontala – rotorul si generatorul de curent sunt pozitionate in varful turnului si trebuie aliniate pe directia vantului. Turbinele mici sunt orientate cu ajutorul unei aripioare, iar cele mari folosesc senzori si servomotoare pentru a se alinia pe directia vantului. Majoritatea turbinelor cu axa orizontala au si o cutie de viteze care transforma miscarea de rotatie lenta a palelor intr-una mai rapida, necesara pentru a creste eficienta generatorului de curent.

Deoarece turnul produce turbulente aerodinamice in urma sa rotorul turbinei este pozitionat in fata. Palele turbinei sunt rezistente pentru a nu fi indoite si impinse in turnul pe care sunt instalate de vanturile puternice. In plus palele sunt departate de turn si usor inclinate.

Exista si turbine cu axa orizontale cu rotorul plasat in spatele turnului. Astfel de turbine au avantajul ca palele elicei se pot indoi, reducand suprafata care se opune vantului la viteze mari si nici nu trebuie orientate in directia vantului, acest lucru facandu-se automat datorita constructiei. Din cauza turbulentelor insa majoritatea turbinelor cu axa orizontala au rotorul plasat in fata turnului.

Turbine cu axa verticala – generatorul si toate componentele mai sofisticate sunt plasate la baza turnului, usurand astfel instalarea si mentenanta. Principalele tipuri sunt: Darrieus, Gorlov, Giromill si Savonius.

In functie de locatia turbinelor ele poti fi categorisite in turbine de tarm si turbine plasate in largul marilor si oceanelor.

3.Avantaje si dezavantaje turbine eoliene

1. Turbine cu axa orizontala (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine)

Sunt turbinele la care palele elicei, axul motorului si generatorul electric sunt montate in varf.

Avantaje

Elicea se afla aproape de centrul de greutate al turbinei, crescand stabilitatea Alinierea elicei cu directia vantului ofera cel mai bun unghi de atac pentru pale, maximizand

energia electrica rezultata Palele elicei pot fi pliate pentru a preveni distrugerea turbinei in cazul vanturilor puternice Turnurile inalte permit accesul la vanturi mai puternice, rezultant o crestere a curentului produs

de turbina

Dezavantaje

Eficienta turbinelor HAWT scade cu inaltimea turnului unde sunt instalate din cauza turbulentelor vantului

Turnurile inalte si elicele cu pale lungi sunt greu de transportat, uneori costul transportului fiind de 20% din cel al echipamentului in sine

Turbinele HAWT sunt dificil de instalat si necesita macarale si personal calificat Turbinele inalte pot obstructiona radarele de linga bazele aeriene Din cauza inaltimii turbinele cu axa orizontala au un impact negativ asupra peisajului rural Variantele cu elicea in spate sufera la capitolul fiabilitate din cauza turbulentelor aerului

2. Turbine cu axa verticala (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine)

Avantaje

Sunt mai usor de intretinut deoarece partile in miscare sunt plasate mai aproape de pamant Palele elicei sunt verticale, deci nu mai este nevoie de o “carma” pentru orientarea elicei Prin constructie turbinele verticale au o eficienta aerodinamica crescuta la presiuni inalte si joase Pentru acelasi diametru al elicei, palele unei turbine cu axa verticala au o sectiune mai mare decat

cele ale unei turbine cu axa orizontala Turbinele VAWT sunt mai eficiente in zonele cu turbulente ale vantului datorita faptului ca palele

elicei sunt plasate mai aproape de pamant Inaltimea redusa permit instalarea in zonele unde legislatia nu permite cladiri prea inalte Nu au nevoie de un turn in varful caruia sa fie instalate, deci sunt mai ieftine si rezista mai bine la

vanturi puternice Varful palelor elicei au o viteza unghiulara mai mica, deci rezista la vanturi mai puternice decat

turbinele cu axa orizontala Nu trebuie orientate in directia vantului, fiind astfel mai eficiente in zone cu turbulente ale

vantului Pot fi construite la dimensiuni mai mari, cu mecanisme care se rotesc in totalitate, nemai

necesitand rulmenti speciali si scumpi

Dezavantaje

Eficienta turbinelor VAWT se situeaza in medie la 50% din cea a modelelor HAWT Trebuie instalate pe o suprafata plana Majoritatea turbinelor VAWT au nevoie de un electromotor pentru a fi pornite in conditii de vant

slab Turbinele VAWT ancorate prin cablu creeaza stress mecanic pe mecanismul de prindere in a

elicei de ax in partea de jos Majoritatea pieselor unei turbine VAWT sunt plasate in partea de jos, deci schimbarea lor

presupune dezmembrarea intregii structuri

4.Cele mai puternice turbine eoliene din lume au fost lansate in Germania

După un deceniu de dezvoltare, cele mai puternice turbine eoliene sunt pe cale sa fie lansate. Aceste turbine pe nume Areva sunt ușor de instalat și de întreținut, fiind foarte rezistente

la apa. Aproximativ 5.000 de locuințe ar putea beneficia de pe urma acestor turbine, fiecare avand o putere maxima de 5 MW.

Pentru a preveni distrugerile provocate de apa mării, toate mecanismele ale căror poziție trebuie schimbată sunt protejate iar pentru ca lamele de 120 de metri sa fie mai usoare, au fost întărite cu fibră de carbon. Componentele tehnice si generatorul turbinei sunt inchise ermetic iar in cazul unor defecțiuni tehnice, există senzori și sisteme de control al energiei suplimentare.

Aceste turbine vor fi finalizate pe la sfarsitul lunii august. Compania Areva planuieste sa monteze 6 turbine înalte de 90 de metri pe zona de coastă a Germaniei, ( insula Borkum) la o distanță de 45 de kilometri în larg.

Din ce in ce mai multe proiecte de generare a energiei prin intermediul turbinelor eoliene sunt construite in Europa. Nu mai este mult pana cand Roamnia va beneficia si ea de aceste turbine eoliene.

5.Turbine eoliene foarte eficiente

Eficienta medie a turbinelor eoliene actuale este de 20-25%, dar poate creste daca sunt amplasate la 200-250 metri inaltime. Montarea unor turnuri de o asemenea inaltime este extrem de costisitoare si ineficienta, motiv pentru care o companie din Ottawa a venit cu ideea ancorarii de pamant a unei turbine-balon implute cu heliu

Astfel aceasta isi poate chiar dubla eficienta. Costurile de intretinere scad si ele, turbina putand fi trasa pe pamant periodic si inspectata, cu minim de efort.

6.Turbina eoliana plutitoare de 2.3 megawatti

Una din cele mai mari probleme ale turbinelor eoliene este impactul vizual asupra mediului, problema care se poate rezolva doar prin plasarea acestora in largul marii, lucru ce presupune costuri de transport si intretinere semnificativ mai ridicate.

Compania norvegiana StratoilHydron a anuntat ca va investi peste 80 de milioane de dolari pentru a produce si instala o turbina eoliana plutitoare de 2.3 megawatti in largul Norvegiei. Spre deosebire de turbinele clasice, HyWind nu va fi fixata de solul marii ci va folosi o platforma plutitoare ancorata in 3 puncte. 

Palele elicei lui HyWind vor avea 80 metri diametru, turbina avand avantajul de a putea fi instalata la adancimi variabile intre 120 si 700 metri, putand chiar fi mutata in functie de zona cu vant mai puternic.

7.Energie eoliana la nivel global

Energia eoliana este sursa de energie care creste ca aport procentual cel mai mult. Pe ultimii zece ani vorbim de o medie de aproximativ 29% crestere anuala (anul 2005 a inregistrat o crestere record de 43%), mult peste 2.5% pentru carbune, 1.8% pentru energie nucleara, 2.5% pentru gaz natural si 1.7% pentru petrol. Datorita iminentei crize a combustibililor si efectelor alarmante ale incalzirii globale este de asteptat ca aceste cifre sa creasca in cazul energiei eoliene. Europa este continentul care produce cea mai mare cantitate de energie folosind puterea vantului.

Pentru anul 2010, World Wide Energy Association se asteapta ca la nivel mondial sa se produca 160 GW de electricitate folosind energie eoliana. Tara cu cel mai mare procent de electricitate provenit din energie eoliana este Danemarca, cu aproximativ 20%, iar tara care produce cea mai mare cantitate de energie este Germania, cu 38.5 TWh in 2007. Pe continentul nord american lucrurile se misca mai greu, dar se misca in directia corecta, statele din SUA ce produc cantitati insemnate de curent folosind energia eoliana fiind Texas si California. Pe locul patru la nivel mondial se situeaza India cu 6270 MW in 2006. India este totodata si unul dintre cei mai mari producatori de turbine eoliene.

La nivel individual turbinele eoliene sunt folosite cu precadere de locuintele din zonele izolate, unde nu ajunge reteaua de curent electric sau se doreste scaderea costului facturilor la electricitate. Din pacate predictibilitatea scazuta a cantitatii de energie ce poate fi produsa face necesara folosirea energiei eoliene in conjunctie cu alte mijloace de furnizare a electricitatii.

Dezvoltarea tehnologica a turbinelor va duce la scaderea costurilor de producere a curentului provenit din energie eoliana, acesta fiind principalul factor motivant pentru folosirea unei surse de energie

alternative. In 2006 in SUA costului unui megawatt de electricitate produs din energie eoliana se ridica la 55.8$, mai mare decat cei 53.1$ pentru un megawatt produs in carbune si 52.5$ pentru un megawatt produs din gaze naturale. Printre avantajele turbinelor eoliene se numara costurile de intretinere relativ scazute si costul marginal scazut.

8.Proiecte de energie eoliana

Ce anume asigură Sistemele de Energie Eoliană?

• Electricitate pentru:

Reţele centrale

Reţele izolate

Alimentarea consumatorilor izolaţi

Pomparea apei

dar şi

Susţinere pentru reţele de putere redusă

Expunere redusă la variaţia preţului energiei

Reducerea pierderilor datorate transportului şi distribuţiei energiei electrice

Utilizarea Energiei Eoliene

• Fără reţea

Turbine mici (50 W până la 10 kW)

Funcţionare în paralel cu acumulatori

Pomparea apei

• Reţea izolată

Turbine tipice de 10 până la 200 kW

Reduce costurile de generare în zonele izolate: sistem diesel-eolian hibrid

Consumatori alimentaţi radial

• Reţea centrală

Turbine tipice de 200 kW până la 2 MW

Ferme de vânt cu turbine multiple

Elemente ale Proiectelor de Energie Eoliană

• Evaluarea resurselor de vânt

• Evaluarea mediului

• Aprobări necesare

• Proiectare

• Construcţie

Drumuri

Linie de transmisie

Post de transformare

Resurse de vânt

• Viteze medii mari ale vântului sunt esenţiale

Media de 4 m/s anuală este minimă

Oamenii au tendinţa de a supraestima vântul

Viteza vântului tinde să crească în înălţime

• Resurse fiabile

Zone de costă

Creste ale versanţilor mari

Trecători

Terenuri deschise

Văi cu curenţi de aer

• Vântul este prezent mai mult

Iarna decât vara

Ziua decât noaptea

1 MW Turbine Power Curve

0

200

400

600

800

1,000

1,200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24Wind speed (m/s)

Po

wer

(kW

)

Costurile Sistemului de Energie Eoliană

• Ferme eoliene

1.500 $/kW instalat

Exploatare & Întreţinere: 0,01 $/kWh

Preţ de vânzare energie electrică: 0,04-0,10 $/kWh

• Turbine unice & reţele izolate

Costuri mai mari(mai multe specificaţii pentru proiect)

Studiu de fezabilitate, proiectare& inginerie reprezintă o parte mare a costurilor

• Este de aşteptat ca înlocuirea unui component important să coste de la 20 până la 25% din valoarea iniţială

Paletele rotorului sau reductorului

0% 20% 40% 60% 80%

Balance of plant

Turbines

Engineering

Development

Feasibility Study

Portion of Installed Costs

Considerente ale Proiectelor de Energie Eoliană

• O resursă de vânt fiabilă reduce esenţial costurile de producţie

Evaluarea corectă a resurselor este o investiţie valoroasă

• Sursă suplimentară de venit

Credite guvernamentale / ale serviciilor publice sau prime de Energie verde

Vânzări de credite pentru reducerea emisiilor

• Constrângeri şi criterii

Admisibil din punctul de vedere al mediului

Acceptul populaţiei

Interconexiuni între reţele şi capacitate de transmisie

• Finanţare, rate ale dobânzii, rate de schimb valutar

PRETUL TURBINELOR EOLIENE