8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

1/10

3. SISTEME DE CONVERSIE A ENERGIEI EOLIENE

3.1. Evoluia sistemelor de captare i conversie a energiei eoliene

Este cunoscut preocuparea omenirii pentru utilizarea energiei vntului nc din urm cu maimult de 3000 de ani. Pornind de la nevoia de a satisface nevoi primordiale precum alimentareacu ap, mcinarea cerealelor, tierea lemnului etc. comunitile au dezvoltat soluii variate pentru

captarea i conversia acestei energii, soluii care au evoluat permanent.

Fig. 3.1. Prototip de turbin eolian cu ax vertical(Persia atestare 644 d.H.)

Fig. 3.2 Aeromotor echipat cu turbin cu ax vertical

(Faust Vrancic 1595)

Fig. 3.3 Aerogenerator - turbin cu ax vertical

(P =300 kW Cheyenne SUA - 2006)

Continuitatea evoluiei instalaiilor eoliene precum ipreluarea i mbuntirea soluiilor este evideniatde documente i descoperiri arheologice. Un bunargument l reprezint dezvoltarea turbinelor eolienecu ax vertical, de la primele aeromotoare utilizate

pentru antrenarea sistemelor de mcinare a cerealelorsau pomparea apei (figura nr. 3.1. prezint o astfel deconstrucie atribuit civilizaiei persane) semnalate nChina, Malaezia, Grecia etc. la proiectele schiatede ctre diferii autori (n figura nr. 3.2 se prezint

prototipul uneia dintre primele turbine eolieneeuropene cu ax vertical propus de ctre FaustVrancic - 1595) care au intuit necesitatea aezriiturbinei la o nlime ct mai ridicat pentru a

beneficia de creterea vitezei i constana vntului,pn la soluiile moderne funcionale (figura nr. 3.3prezint un aerogenerator cu o putere instalat de300 kW).

Desigur, se pot utiliza i alte exemple avnd nvedere c aceste maini de for cu ax vertical ausuferit modificri ale formei rotoarelor n speranacreterii eficienei. Trebuie spus totui c, orict demult au progresat din punct de vedere aerodinamic,din cauza principiului de funcionare, care se bazeaz

pe diferenele de form dintre partea concav i ceaconvex a paletelor n raport cu direcia vntului,eficiena de preluare a curentului incident nu este

prea ridicat se va reveni la aceste consideraiiodat cu studierea turbinelor Savonius (dup numeleinventatorului finlandez S.J. Savonius 1922) figura

nr. 3.3.

Un alt argument al continuitii interesului pentruenergia eolian l reprezint evoluia turbineloreoliene cu ax orizontal preferate astzi, mai ales la

puteri instalate mari, pentru producerea energieielectrice. Acest tip de turbin s-a dezvoltat mai trziudect cel cu ax vertical n principal din cauzadificultilor tehnologice legate pe de o parte detransmiterea micrii iar pe de alt parte denecesitatea ca axul rotorului s fie aezat la o

nlime ct mai mare fa de sol pentru ca turbina sdemareze mai uor.

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

2/10

Fig. 3.4. Moar de vnt U.K

(atestare anul 1191)

Dup cum s-a artat mai devreme turbinele eoliene cu ax vertical,exceptnd rotoarele tip Darrieus, i bazeaz funcionarea pediferena de for aerodinamic; de aceea demarajul acestor turbineeste posibil la viteze ale vntului foarte reduse. La rndul lorturbinele eoliene cu ax orizontal funcioneaz pe baza foreiaerodinamice ce acioneaz pe profil motiv pentru care la demarareeste nevoie de un curent de aer cu vitez mai ridicat. Din punct devedere istoric aceast constatare de ordin tehnic se reflect nevoluia aeromotoarelor axiale, consacrate abia n evul mediu subforma morilor de vnt - n figura nr. 3.4. se prezint una dintre celemai vechi mori de vnt din insulele britanice unde acestea suntatestate n anul 1191 n Frana n anul 1105 iar n Olanda n 1180.n figura nr. 3.5.a,b sunt prezentat o seciune printr-o moar devnt olandez orientabil manual dup direcia vntului precum iarborele principal n variantele din lemn respectiv metal.

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

3/10

a. b.Fig. 3.4. Moar de vnt olandez seciune (a) i arborele principal (b)

Evoluia rotoarelor cu ax orizontal a continuat cu nclinarea paletelor fa de planul disculuirotorului care reprezint, de fapt, ceea ce mai trziu s-a definit drept o profilare simpl aseciunii palei - fie profil segment de dreapt fie profil sub form de arc de cerc ambele cugrosime constant. Aceste turbine eoliene cunoscute sub numele de roi ale fermierului au fostfoarte populare la sfritul secolului al XIX-lea i nceputul secolului XX n SUA fiind fabricaten mas i atingnd un numr de cca. ase milioane de uniti pn n anul 1930. Aceste rotoareau reprezentat o perfecionare a turbinei Halladay (figura nr. 3.5.a) care a avut iniial palete dinlemn - i original prin sistemul de intrare n vnt a celor ase seciuni ale rotorului proiectavantajos prin demarajul la viteze reduse simultan cu un cuplu ridicat, util pentru scopul propusanume acela de pompare a apei n condiii de siguran n funcionare. La rndul su, proiectulde succes al roii fermierului a fost reprezentat de ctre modelul Eclipse (figura 3.5.b) unde s-arenunat la complicatul sistem de reglare al turbinei de mai sus prin introducerea unei a douaderive cuplat la o contragreutate cu rolul de a scoate ntregul rotor din vnt, respectiv de a-lreaduce n poziia iniial dup ncetarea perioadei de vnt puternic (figura nr. 3.5.c).

a. b. c.Fig. 3.5 Turbina Halladay (a); Roata fermierului Model Baker cu pale din lemn 1880 (b); Modelul Eclipse

cu palete metalice i sistem de scoatere din vnt a rotorului (c)

Fig. 3.6. Prima turbin cuplat la un generatorelectric de c.c. Askov Danemarca 1891

Trebuie remarcat faptul c Danemarca a fost prima ardin lume care a utilizat energia eolian pentru a

produce electricitate n anul 1891 prin construirea uneiturbine avnd patru volei cu pnz (autor Poul LaCour) cuplat la un dinam figura figura nr. 3.6.Surplusul de energie electric era utilizat n scopulalimentrii unui electrolizor pentru obinereahidrogenului ceea ce a reprezentat o alt premier nrezolvarea problemei stocrii energiei. Rotorul a fost

perfecionat (La Cour-Lykkegard) aeromotoarele astfelobinute fiind produse pentru puteri ntre 10-35 kW ladiametre de 20m i randament de cca. 22%..

Ofensiva pentru perfecionarea turbinelor eoliene,constnd n preluarea din domeniul aviaiei a metodelorde proiectare a aripii de avion, reglarea pasului eliceietc. a continuat cu ncercri de execuie a unoraerogeneratoare de puteri mari (n figura nr. 3.7 se

prezint o turbin eolian Vermont SUA 1941-cuplat la un generator sincron la care s-a obinut

puterea de 1.250 kW la o vitez a vntului de 13 m/s).Un progres remarcabil a fost realizat n 1957 cnd nGermania a fost construit o turbin eolian avnd

palete confecionate din fibr de sticl care, la undiametru al rotorului de 35 m, a oferit puterea de 100kW la o vitez a vntului de numai 8 m/s - figura nr.3.8.

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

4/10

Ulterior, ca efect al primei crize energetice mondiale din 1973, cercetrile n domeniu s-auaccentuat fiind completate cu studii privind aeroelasticitatea palelor rotorului, posibilitatea

utilizrii unor noi materiale etc. Astfel, n anul 1975 n SUA a fost inaugurat o turbinconsiderat ca referin pentru dezvoltarea i verificarea soluiilor tehnologice pentruaerogeneratoare de puteri mari (n figura nr. 3.9 este prezentat turbina eolian NSFNASAMOD-0, turbin cu rotorul n spatele turnului de susinere). Prin perfecionarea acesteia, ntre1974-1881 n SUA s-au obinut puteri din ce n ce mai mari, pn la 1,25 MW. Este de remarcatdificultatea cercettorilor americani n a depi problemele ridicate de sarcinile dinamice alerotorului turbinei iniiale, sarcini care nu apreau n cazul turbinei germane similare realizate nanul 1957 pe care acetia au considerat-o ca referin.

Trebuie remarcat faptul c, pe lng tendina actual de a crete diametrul rotoarelor, cu tot ceeace semnific aceasta din punct de vedere aerodinamic i al rezistenei structurii n scopul mririi

puterii instalate la cca. 7-8 MW, o alt preocupare const n creterea nlimii turnului desusinere pentru a beneficia de viteze mai mari ale vntului. n acest sens n figura nr. 3.10 esteprezentat cea mai nalt turbin din lume inaugurat n anul 2006 n Germania.

Fig. 3.8 Aerogenerator P=100kW Fig. 3.9. Proiect NSF-NASA-MOD-0 Fig. 3.10. Aerogenerator P=2,5 MW(Dr. Ulrich Hutter, Germania-1957) (P=100kW;Hturn=30m; Drot=38m;) (Hturn=160m; Drot=90m;)

n ceea ce privete evoluia numrului optim de pale rotorice parametru hotrtor n construcia

turbinelor eoliene - s-a observat faptul c, dei teoretic coeficientul de putere al rotorului artrebui s creasc odat cu numrul de pale, practic la un numr mare al acestora valoareacoeficientului scade (n figura nr. 3.11 se prezint o comparaie ntre rotoare cu 1, 2, 3 i 4 pale).

Fig. 3.7 Aerogenerator P=1,25MW(Hturn=34 m; Drot=53m;)

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

5/10

Fig.3.11 Variaia coeficientului de putere al rotoarelor n funcie de viteza specific CPR( )Motivul limitrii comparaiei teoretice la rotoare cu numr redus de pale const n aceea cacestea sunt modelate utiliznd abordrile teoretice ale lui Jukovski sau Prandtl i Betz pentrucaracterizarea micrii fluidului prin turbinele eoliene (aceste modele teoretice vor fi tratate ncapitolele viitoare mpreun cu modelul de calcul al momentului elementului de pal utilizat n

practic). Pentru rotoarele cu numr mare de palete parcurgerea turbinei de ctre curentul de aereste descris de modelul teoretic al curgerii prin reele de profile, diferit de cele de mai suscomparaiile putnd fi fcute doar prin experimentare. Deci, pentru turbinele avnd coeficient de

soliditate ridicat (raportul dintre aria acoperit de pale i aria total a discului rotorului) seconstat experimental faptul c valoarea coeficientului de putere al rotorului este sczut fr ase contrazice modelele amintite iniial cazul roii fermierului.

Fig. 3.12 Turbin eolian monopal tip Ades - Pendular Wind Turbine 335-127 kW(Drot=35 m; Hturn=25 m)

Rotoarele monopal cu contragreutate au avantajul simplitii constructive att din punct devedere al soluiei ct i al sistemului de reglaj rezultnd un cost redus alturi de posibilitatea decretere a randamentului. n plus, aa cum se observ n figura nr. 3.11 acest rotor prezint ceamai mare valoare pentru viteza specific (de cca. 15) fa de 10 pentru rotoarele cu 2 pale, 8

pentru cele cu trei pale i 7 pentru rotoarele cu 4 pale. Aceasta semnific un cost mai redus alsistemului de multiplicare cuplat la generatorul electric. Dezavantajul major al acestor rotoareeste legat de ncrcrile dinamice mari.

Rotoarele cu dou palete au avantajul unui coeficient de putere al rotorului ridicat (cu cca. 10%mai mare fa de rotorul monopal) i apropiat de valorile maxime oferite de rotoarele cu trei i

patru pale (cu cca. 4% mai redus fa de rotoarele tripal i cu cca. 6% fa de cele cu patru pale).

n plus se combin avantajul simetriei cu greutatea redus i simplitatea reglrii vitezei derotaie. Dezavantajul principal const n sensibilitatea la sarcinile dinamice precum la care seadaug nivelul ridicat de zgomot cauzat de viteza periferic ridicat a palelor.

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

6/10

Rotoarele cu trei pale par a fi cel mai bine plasate n procesul de analizare a numrului optim depale avnd n vedere faptul c prezint a doua valoare a coeficientului de putere dup cele cupatru pale (diferena fiind de numai cca. 2%). Alturi de considerentele strict economice, carearat c puterea ctigat adugnd o a patra pal nu justific costul acesteia crescnd timpul derecuperare a energiei consumate pentru construirea turbinei eoliene, rotoarele tripale prezint

avantaje tehnice importante precum comportament dinamic bun, nivel redus de zgomot i chiarun impact vizual rezonabil.

n contextul artat mai sus s-ar prea c, pentru puteri instalate mari, turbinele eoliene cu axorizontal prezint cele mai mari avantaje. Exist totui opinii conform crora nu ar trebuineglijate turbinele tip Darrieus (dup numele autorului G.J.M Darrieus care a obinut brevetul deinvenie n anul 1931) care, dei avnd ax vertical, funcioneaz pe principiul forei portante, decindeplinesc simultan avantajele simplitii constructive ale turbinelor cu ax vertical lipsadispozitivului de orientare n vnt, permind o anume simplitate a construciei mecanice etc. -cu cele ale aerodinamicii turbinelor cu ax orizontal. n figura nr. 3.13 a,b sunt prezentate dourotoare funcionnd pe principiul rotorului Darrieus, primul n varianta clasic iar cel de-al doilea

n varianta mai cunoscut drept rotor H. Totui, odat cu creterea puterii instalate complicaiileconstructive ale rotorului, lgruirii, msurile de contracarare a solicitrii la oboseal a paleteloretc. cresc costurile acestui tip aerogenerator. Mai mult, eficiena conversiei energiei eoliene estemai slab la aceeai putere instalat n comparaie cu turbinele cu ax orizontal - i din motivul c

partea de jos a rotorului este apropiat de sol unde viteza vntului este redus - handicap care nupoate fi compensat doar pe seama creterii puterii de vreme ce i pentru turbina cu ax orizontalconcurent tendina este aceeai (ex. Emden, Germania, 2007; Enercon: P=7MW; Hturn=135m;Drotor=126m). Totui, o serie de cercetri recente efectuate pentru turbine cu ax vertical cu rotortip H de mici dimensiuni au evideniat coeficieni de putere cu valori de cca. 0,54 punnd chairn discuie viabilitatea legii lui Betz pentru astfel de rotoare (legea prin care se demonstreaz climita superioar a acestui coeficient nu poate depi 0,59 va fi prezentat ntre-un capitolviitor).

a. b.Fig. 3.13 Turbin Darrieus - P =4 MW, Drot=100m Canada (a); Turbin Darrieus cu rotor H -

P=330kW, H=35m Heidelberg Germania 1990 (b)

Pe lng preocuprile legate de creterea dimensiunii rotoarelor i a eficienei conversiei,teoretic, se caut maximizarea avantajului unui curent de aer constant avnd vitez incidentridicat. De aceea, turbinele eoliene ar trebui aezate ct mai sus fa de sol ceea ce n varianta

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

7/10

cu ax vertical este practic imposibil din pricina sarcinilor la care ar fi supus ansamblul n cazulncrcrilor aerodinamice mari. De aceea, pentru acest tip de turbine ansa creterii eficienei deconversie este de a le ataa sisteme de conducere a aerului (Savonius, turbinele centripete,elicoidale etc.). n figura nr. 3.3 este prezentat o astfel de variant pentru care autorii au estimatc eficiena de utilizare a curentului incident este de cca. (43-45)% egalnd i chiar depindeficiena turbinelor cu ax orizontal. Totui, rmne de discutat problema costurilor unitare care

nu are, nc, soluii comerciale avantajoase. n cazul turbinelor cu ax orizontal ridicarea naceleipoate fi o soluie, limitat, de asemenea, de tehnologia disponibil. Pentru cazul prezentat nfigura nr 3.10 autorii s-au bazat pe o cretere de cca. 40% a vitezei vntului la nlimea axuluirotorului de 160 m fa de soluia n care aceast nlime ar fi fost 100.

Desigur c pe baza cunotinelor disponibile astzi cu privire la aerodinamica rotoarelor deturbin eolian s-au dezvoltat o serie de rotoare derivate. Astfel, pornind de la rotorul Savoniusau fost construite rotoare elicoidale ca n figura nr. 3.14. La scar mai mare s-a ncercatrealizarea unui rotor aerian avnd o soluie similar cu cea a barajului aerian (figura nr. 3.15)fr ns a obine, nc, rezultate apropiate de cele preconizate: P = 100kW1MW pentru undispozitiv cu dimensiuni de cca. (9 x 17,5) m ancorat la sol i aflat la o altitudine de cca. 300. n

ceea ce privete rotorul Darrieus s-au realizat modificri aerodinamice n sensul creteriinumrului palelor, nclinarea acestora, cuplarea pe acelai arbore cu rotoare Savonius etc. figura nr. 3.16.

Fig. 3.14 Turbin elicoidal Fig. 3.15 Turbin aerian Fig. 3.16 Variante de rotoare DarrieusP=(20-50)kW; H=30m;

n ceea ce privete rotoarele cu ax orizontal, acestea au avut evoluii mai puin spectaculoase.Totui, principalele preocupri orientate ctre creterea randamentelor de conversie au condus lasoluii tehnice legate de construcia paletelor, respectiv al profilelor aerodinamice, n scopulntrzierii desprinderii curgerii, pentru reducerea pierderilor la captul palei prin profilareaspecial a acesteia (figura nr. 3.17) prin testarea unor forme originale, inspirate din formanottoarelor unor cetacee, pentru zona bordului de fug al profilelor aerodinamice (figura nr.3.18) etc. - n capitolele urmtoare se vor analiza aceste aspecte n detaliu. De asemenea auexistat i propuneri pentru ntubarea rotoarelor (cu puteri instalate relativ reduse) n scopulaccelerrii curgerii (Proiect Vortec 7 - Univ. Aukland Noua Zeeland 1997, figura nr. 3.19);creterea vitezei aerului, ns, conform studiilor disponibile efectuate n condiii ideale nudepete raportul de 1,8 ceea ce nu permite o relaie cost beneficiu favorabil (proiectul a fost

sistat n anul 200).

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

8/10

n contextul de mai sus se poate constata c evoluia sistemelor de captare i conversie a energieieoliene a adus astzi n faa specialitilor n domeniu un set de probleme de a cror rezolvaredepinde evoluia acestor sisteme: mbuntirea -------------------------------.

Fig. 3.17 Profilare capt de pal Fig. 3.18 Pal tip Whalepower Fig. 3.19 Elice ntubat

(Enercon E-66; P=1,8 MW, (Drot=7,3m; Htot=20m;Drot=70m; Hturnmax =98m) Pteor=1,2MW )

n acest capitol s-a preferat ca n locul unei enumerri strict cronologice a sistemelor deconversie pentru energia eolian s fie prezentate ntr-un mod mai accentuat evoluiile celor doutipuri principale de turbine, cu ax vertical i cu ax orizontal, deoarece acestea sunt cele mairelevante din punct de vedere al caracteristicilor energetice i deci din punct de vedere alutilizrii. n capitolele urmtoare se vor relua detaliat unele dintre afirmaiile fcute mai sus.

3.2. Preocupri pentru utilizarea energiei eoliene n Romnia

Din punct de vedere istoric utilizarea energiei vntului n Romnia, pentru instalaiile demcinat, este atestat documentar din anul 1585 pentru zona Dobrogea. Dup unele surse, auexistat utilizri izolate nc din sec. XIII. Cele mai multe mori de vnt, de ordinul sutelor, aufuncionat n zona de est a Romniei (Dobrogea, Moldova) ca i n zonele Olteniei, Banat,Muntenia i vestul Transilvaniei. n Romnia au funcionat cinci tipuri de mori de vnt salvatela Complexul Naional Muzeal ASTRA, Sibiu (dou variante sunt prezentate n figura nr.3.11).

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

9/10

Fig. 3.11 Mori de vnt cu dispozitiv de orientare pe direcia vntului

Preocuprile recente pentru construcia i utilizarea instalaiilor de captare i conversie aenergiei eoliene n Romnia s-au manifestat mai nti la nivel teoretic i experimental la scarredus ntre anii 1975-1980. n aceast perioad s-au efectuat studii i cercetri mai aprofundatecu privire la potenialul eolian autohton i s-au executat n unele institute de cercetri o serie de

instalaii experimentale de mici dimensiuni pentru captarea energiei vntului.Primul i cel mai relevant proiect din Romnia n ceea ce privete captarea i conversia energieieoliene n energie electric la puteri mari a demarat n anii 80 n SUA un program similar afuncionat ntre 1974-1981. n cadrul acestui proiect Institutul Politehnic Traian Vuia dinTimioara n colaborare cu Hidrotim i Electrica au contribuit la construirea i instalarea pemuntele Semenic a 4 turbine eoliene cu o putere instalat total de 1,2 MW1. n figura 3.12a,beste prezentat ansamblul parcului eolian Semenic i turbina eolian aparinnd SISE ElectricaBanat care a funcionat n perioada 1994 1998, timp de 1870 de ore, cu o putere medie de 70kW i a produs 130,9 MWh. Din 1998 centrala nu mai funcioneaz ca de altfel nici una dintrecelelalte turbine.

a. b.

Fig. 3.12 Parcul eolian Semenic

Dup anul 1990 preocuprile legate de perfecionarea aerogeneratoarelor de puteri mari au fostpractic stopate fiind sistat finanarea.

1 RUS, I., CHIRCA, A., GARBACEA, A., 2008, Surse eoliene pe muntele Semenic. Promovarea lor - Sp-58-ro,FOREN Neptun, Romnia

8/6/2019 CAP3 Sist de Conversie

10/10

Fig. 3.13 Parcul eolian Fntnele (135 turbine cu Pturbina=2,5 MW)(foto Adevarul Financiar - 2010)

n prezent n Romnia este contabilizat o putere instalat mai mic de 15 MW ns se afl nconstrucie 4 parcuri eoliene totaliznd mai mult de 1500 MW putere instalat ce ar urma s fiedisponibil pn n anul 2015. ncepnd cu anul 2010 se estimeaz punerea n funciune a unei

puteri instalate de cca. 400 MW ca parte a investiiilor menionate mai sus. Zonele n carefuncioneaz n prezent aerogeneratoare sau vor funciona parcurile eoliene se afl n regiunicunoscute a avea potenial ridicat: litoralul Mrii Negre i zona Tulcea (Topolog 660 kW iBaia - 550 kW), Dobrogea (parc eolian Fntnele-Cogealac parial 50 MW n probe i n total240 aerogeneratoare cu putere total instalat de 600 MW; parc eolian Dorobanu putereinstalat total 54 MW), zona deluroas a Moldovei (Botoani - 100 kW) dar i Maramure,Pasul Tihua (250 kW), Orova etc.

Fig. 3.14 Parcul eolian Dorobanu jud. Constana- 54 MW

Aceste parcuri eoliene sunt n faze diferite de realizare, de la cea a msurtorilor de vnt ireevaluare a potenialului la cea de montaj i probe tehnologice. Echipamentele utilizate n aceste

parcuri eoliene sunt furnizate de ctre companii cunoscute n domeniu: Vestas - Danemarca,Enercon Germania, General Electric -SUA etc.