1.1 Istoria energiei eoliene

Egiptenii au fost poate primii care au folosit energia generata de vant atunci cand au navigat pe Nil in amonte, in jurul secolului IV i.Hr, urmati de multi altii. Printre ei se numara si Cristofor Columb.  In 1492, ajutandu-se de puterea de propulsie a vantului el a fost primul care a reusit sa descopere America. Energia eoliana a fost exploatata pe uscat de cand prima moara de vant a fost construita in vechea Persie in secolul VII. De atunci, morile de vant sunt folosite pentru macinarea graului, pomparea apei, taierea lemnului sau pentru furnizarea altor forme de energie mecanica. In jurul secolului al XIV germanii au folosit energia eoliana pasiva pentru a scoate apa din campurile inundate cu un asa numit motor eolian. Poporul chinez a inventat moara de vant. Morile de vânt se foloseau în secolul al VI lea în Persia ( actualul Iran). Spre deosebire de tipul care mai târziu a devenit raspândit în vest, aceste mori de vânt aveau un ax vertical cu vele care se roteau pe suporturi orizontale.

Insa exploatarea pe scara larga a aparut abia in secolul XX, odata cu aparitia “morilor de vant” moderne - turbinele eoliene ce pot genera o energie de 250 pana la 300 KW.

In Danemarca energia eoliana a inceput sa fie folosita in anul 1890 cu sisteme care porneau de la 5 pana la 25 kW. In anul 1930 un francezul G. J. M. Darrieus a proiectat un sistem de producere a energiei eoliene in forma de mixer. In 1941 langa Ruthland, Vermont o masina gigantica de 1.5 MW a alimentat cu energie serviciul public central din Vermont. La fel cum tehnoligia apartinand de energia solara a acelerat in timpul embargolui de petrol din 1973-1974. Energia eoliana a facut pasi considerabili in dezvoltarea sa. Compania Westinghouse electric a deschis departamentul de energie (DOE- Departmet of NERGY) NASA a finantand construirea la scara larga a turbinelor bazate pe energia eoliana, turbina cu capacitatea cea mai mare a fost construita in Oahu, Hawaii, avand o norma de 3.2 MW. Intre anii 1981 si 1984 6870 de turbine au fost instalate in California. La sfarsitul anului 1983 au aparut 4600 de turbine bazate pe energia eoliana in afara Californiei. Aceste turbine produceau impreuna 300000 KW. Schimbarile de costuri la electricitatea produsa cu ajutorul energiei eoliene au scazut de la 14 centi pe KWh in 1985 la 5 centi pe kWh in 1994 facand din energia eoliana un competitor mult mai puternic pe piata electricitatii.Imbunatatirile aduse rotoarelor si elicelor, combinate cu o crestere a numarului de turbine instalate, au dus la marirea puterii energiei eoliene cu circa 150% din 1990 pana astazi.

Turbinele eoliene moderne au devenit foarte eficiente si genereaza electricitate pentru mii de case din Europa si din lume, fara sa produca emisii de dioxid de carbon ce cauzeaza stratului de ozon si incalzirii globale.

1.2 Sursa eoliana

Sursa eoliană disponibilă este evaluată pe scară mondială la 57.000 TWh pe an. Contribuţia energiei eoliene off shore (în larg) este estimată la 25.000 - 30.000 TWh pe an, fiind limitată la locaţii care să nu depăşească adâncimea de 50 m. Producerea mondială de electricitate în 2000, a fost de 15.000 TWh (ceea ce corespunde unei energii primare consumate de 40.000 TWh), rezultând un randament al ciclurilor termo-mecanice de 30-40%. Teoretic, energia de origine eoliană poate acoperi necesarul de electricitate pe plan mondial. În acelaşi timp, principalul inconvenient al acestei surse de energie, o reprezintă instabilitatea vântului. În perioadele de îngheţ, ca şi în cazul caniculei, cazuri în care cererea de energie este acerbă, efectul produs de vânt este practic inexistent, fapt care a condus, în dezvoltarea instalaţiilor eoliene, la ataşarea unor alte instalaţii de energii regenerabile caracterizate de un mai bun echilibru în funcţionare, sau de sisteme de stocare a energiei electrice. Trebuie luat însă în calcul, în cazul sistemelor de stocare a

energiei electrice de mare capacitate, preţul de cost ridicat al acestor sisteme, care sunt astăzi, în curs de dezvoltare.

Europa nu are decât 9% din potenţialul eolian disponibil în lume, dar are 72% din puterea instalată în 2002. Ea a produs 50 TWh electricitate de origine eoliană în 2002, producţia mondială fiind de 70 TWh. Potenţialul eolian tehnic disponibil în Europa este de 5.000 TWh pe an.

Cu toate ca industria energiei eoliene a fost afectata si ea de

criza financiara in perioada 2009-2010 un studiu realizat de compania BTM Consult prevede o crestere in urmatorii 5 ani a proiectelor in domeniul eolian.Daca in ultimii 5 ani cresterea medie in instalarea de noi parcuri eoliene a fost de 27,6% pe an, previziunea pentru 2013 arata o rata medie anuala de crestere de 15,7%. Puterea de penetrare a energiei eoliene pe piata de energie se asteapta asadar sa creasca peste 3,35% pana in 2013 si in jur de 8% pana in 2018.

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.

1.3 Principiul captarii energiei eoliene

Un raport al Guvernului Romaniei privind strategia de valorificare a surselor regenerabile de energie defineste energia eoliana : energia ce provine din transformarea si livrarea în sistemul energetic sau direct catre consumatorii locali a energiei electrice provenite din potentialul energetic al vântului. Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile. Aero-generatorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotoruluisău: 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. 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.

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;

Elementele lanţului de conversie sunt de mai multe tipuri. Totuşi, anumite elemente se regăsesc întotdeauna în lanţul de conversie, cum sunt: o turbină eoliană, un generator trifazat, un dispozitiv de interconectare, ce realizează conectarea generatorului la reţeaua

de distribuţie sau la o sarcină izolată.

  Structura generală a unui sistem de conversie a energiei eoliene

Cu titlu informativ, maşinile cele mai utilizate pentru realizarea eolienelor sunt cele asincrone cu rotorul în scurtcircuit (aproximativ 90% în 1997, 60% în 2001). Se observă tendinţa de scădere a

ponderii lor. Generatoarele asincrone cu rotor bobinat s-au dezvoltat în ultimii ani (de la 3% în

1997, s-a ajuns la aproximativ 30% în 2001). Maşinile sincrone cu rotor bobinat (cu excitaţie electrică) îşi sporesc, de asemenea,

ponderea. Ele reprezentau puţin peste 5% în 2001.

1.3.1 Eoliene cu viteza fixa

În cazul maşinilor sincrone clasice şi asincrone cu rotorul în scurtcircuit, viteza de rotaţie depinde direct şi strict de frecvenţa curenţilor ce parcurg înfăşurările statorice.Maşina asincronă cu rotorul în scurtcircuit, având un număr fix de perechi de poli, poate funcţiona într-un domeniu restrâns de viteze: alunecarea este de ordinul a câtorva procente.Maşina sincronă funcţionează strict cu viteză fixă.

Funcţionarea în mod autonom

Eolienele neconectate la reţea funcţionează în mod autonom, alimentând sarcini izolate, ce au eventual, unul sau mai multe grupuri electrogene în tampon. Pentru acest tip de configuraţie, utilizarea unui sistem de stocare prezintă un interes deosebit, mai ales în absenţa grupurilor electrogene, pentru situaţia când vântul este slab.Utilizarea bateriilor de acumulatoare reprezintă o soluţie pentru stocarea pe o durată mai mare. Există însă şi alte sisteme de stocare, cum ar fi cel inerţial, pentru stocarea pe durate scurte. Acest tip de stocare evită utilizarea bateriilor de acumulatoare, care prezintă pentru mediu, un caracter poluant. Energia este stocată sub formă de energie cinetică a unui volant.Generatorul poate fi o maşină sincronă cu magneţi permanenţi sau o maşină asincronă cu rotor în scurtcircuit, prevăzută neapărat cu condensatoare necesare asigurării energiei reactive, de magnetizare.

Schema generală a unei eoliene cu viteză fixă, în

mod autonom

Funcţionarea în mod reţea

În cazul în care eoliana este conectată la reţea, viteza de rotaţie a maşinii asincrone trebuie să rămână practic constantă, apropiată de viteza de sincronism, pentru a asigura funcţionarea stabilă a generatorului. Frecvenţa reţelei impune viteza de rotaţie a maşinii. Generatorul cu viteză fixă, conectat direct la reţea, trebuie neapărat prevăzut cu un multiplicator de viteză.Eoliana funcţionează la o anumită viteză de rotaţie, pentru un domeniu restrâns de viteze ale vântului. Din acest motiv, aplicaţiile sunt limitate.

Exemplu de montaj cu multiplicator şi maşină asincronă cu rotor în scurtcircuit conectată direct la reţea.

Exemplu: eoliene aflate în funcţiune în DanemarcaPentru conectarea unei eoliene cu o astfel de structură la reţea, presupune două etape: O primă etapă constă în conectarea înfăşurării statorice la reţea cu rezistenţe înseriate, pentru a se reduce curenţii statorici tranzitorii. Pe durata acestei etape, palele turbinei sunt orientate astfel încât cuplul dezvoltat să fie nul. După câteva secunde, rezistenţele din circuitul statoric sunt scurtcircuitate (eliminate), apoi sistemul de reglare comandă orientarea palelor în scopul creşterii puterii. Regimul tranzitoriu la conectare determină apariţia unor curenţi importanţi, ce sunt limitaţi de către rezistenţe. Rezistenţele pot fi înlocuite cu variatoare de tensiune alternativă (VTA), prin modificarea unghiului de comandă, reglându-se tensiunea de alimentare, astfel încât curentul să nu

se atingă valori periculoase pe durata etapei de conectare. Schema de conectare directă la reţea a unei eoliene cu maşină asincronă cu rotor în scurtcircuit

Exemplu de montaj cu maşină asincronă cu stator dublu.

Această configuraţie oferă posibilitatea funcţionării eolienei cu două viteze.Statorul este realizat din două bobinaje, care determină un număr variabil de poli şi deci domenii diferite de viteză. Se pot impune 2 viteze de sincronism, prin schimbarea numărului de perechi de poli.Pe de o parte, pe stator există un bobinaj de mică putere, dar care creează un număr mare de poli, care este utilizat la viteze mici ale vântului.Puterea debitată în reţea este

,

în care:

 este puterea transmisă de generator în reţea;

 este cuplul electromagnetic;

 este viteza de sincronism

cu   pulsaţia reţelei, iar p numărul de perechi de poli.La viteze reduse ale vântului, puterea recuperată de eoliană este mică. De asemenea, datorită numărului mare de poli, şi viteza d sincronism este mică, aşa cum evidenţiază relaţia de mai sus.

Pe de altă parte, statorul mai este dotat cu o înfăşurare de putere mai mare, dar cu număr mai mic de poli, care este utilizată atunci când viteza vântului este suficient de mare. La viteze mari ale vântului, puterea recuperată, ca şi viteza turbinei sunt mai mari. 

Schema de conectare la reţea a

unei eoliene cu maşină asincronă cu

stator dublu

1.3.2 Eoliene cu viteza variabila

Pentru optimizarea puterii debitate în reţea, în funcţie de viteza vântului, este de dorit ca să se poată regla viteza de rotaţie a eolienei. Ideea de bază este de a realiza un generator cu frecvenţă fixă, dar cu viteză variabilă. Generatorul cu viteză variabilă ar permite funcţionarea pentru o gamă mult mai largă a vitezei vântului, deci recuperarea unei cantităţi mai mari din energia vântului, reducând în acelaşi timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab. În cazul eolienelor cu viteză variabilă, sistemul este reglat astfel încât, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcţioneze la puterea maximă. Este ceea ce se numeşte Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pentru o anumită viteză de rotaţie a eolienei, puterea maximă se obţine în concordanţă cu caracteristica eolienei P(Ω).

Viteza de rotaţie se poate modifica în limite largi (într-un domeniu de până la 3), prin modificarea frecvenţei de alimentare a maşinii.

Sistemele eoliene cu viteză variabilă ce funcţionează conectate la reţea, utilizează convertoare statice de tensiune şi frecvenţă (CSTF)   .

Convertoare statice de tensiune şi frecvenţă (CSTF)

Prin modificarea vitezei, frecvenţa şi amplitudinea tensiunii la ieşirea generatorului sunt variabile. Pentru conectarea la reţea, energia electrică trebuie transformată şi adusă la parametrii constanţi ai reţelei. În acest scop se utilizează convertoare statice de tensiune şi frecvenţă, interpuse între generator (sincron sau asincron) şi reţea. Acesta transformă energia de curent alternativ în curent continuu, generează energie de curent alternativ, ce este filtrată pentru asigura conectarea cu reţeaua de distribuţie, fără a produce perturbarea acesteia. Generatoarele astfel echipate pot suporta rafale ale vântului, reducând solicitările mecanice. 

Lanţul de conversie va cuprinde:

generatorul convertorul static de tensiune şi frecvenţă, compus din:

convertor c.a.-c.c. (redresor) (1) Se utilizează redresoare necomandate, cu diode, în cazul generatoarelor sincrone.

Acestea sunt convertoare unidirecţionale.

În cazul generatoarelor asincrone, se utilizează redresoare cu comandă în durată. Acestea pot furniza şi energia reactivă necesară magnetizării

convertor c.c.-c.a. (invertor) (2)Prin comanda acestuia, se poate regla frecvenţa şi valoarea eficace a energiei, astfel încât să se poată realiza conectarea la reţea. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulaţie în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună (conţinut mai redus de armonici).

Comanda acestor convertoare se realizează cu plăci de

comandă numerice specializate, implantate în PC. 

Controlul transferului de putere între redresorul cu modulaţie în durată şi invertor se realizează

prin controlul circuitului intermediar de c.c. Acesta

conţine un condensator de valoare importantă, ce asigură atât filtrarea tensiunii, cât şi caracterul de sursă de tensiune al circuitului intermediar.

Sistemele cu viteză variabilă

Se vor prezenta:

Montarea a două generatoare

Generator cu număr variabil de poli

În cazul generatoarelor asincrone, datorită alunecării, există posibilitatea funcţionării acestora cu uşoare variaţii de viteză. Sunt posibile mai multe configuraţii:

maşină asincronă (MAS) şi reostat în circuitul rotoric

maşină asincronă cu dublă alimentare (MADA) şi convertor dublu cu modulaţie în durată

maşină asincronă cu rotor în scurtcircuit

Pentru generatoarele sincrone:

maşină sincronă (MS) cu multiplicator şi convertor în stator

Se poate renunţa la multiplicatorul mecanic, dacă se utilizează un generator sincron cu număr mare de poli (turaţie mică de sincronism). Amintim că, pentru maşina sincronă:

Sunt posibile două soluţii, ambele referitoare la tehnologia de realizare a rotorului:

rotorul bobinat rotorul cu magneţi permanenţi

Reţeaua de distribuţie impune stabilitatea tensiunii şi frecvenţei. Din acest motiv, trebuie luate măsuri speciale în ceea ce priveşte etapele tranzitorii de funcţionare ale eolienelor, cum ar fi pornirea, oprirea sau absorbţia rafalelor.

În ceea ce priveşte pornirea, aceasta se va realiza cu ajutorul unor variatoare de tensiune alternativă (VTA) cu tiristoare. Prin modificarea unghiului de comandă ale acestora, se reglează tensiunea de alimentare a maşinilor, acestea pornind pe caracteristici artificiale de tensiune.Normele de calitate a energiei, impun, de asemenea, ca eolienele să genereze cât mai puţine armonici. Acestea sunt cauzate de convertoarele statice de tensiune şi frecvenţă utilizate pentru conectarea generatoarelor la reţeaua de distribuţie. Trebuie deci căutate soluţii pentru ameliorarea acestora şi utilizarea filtrelor. În acelaşi timp, trebuie asigurată şi energia reactivă necesară magnetizării maşinilor. Se doreşte ca aceasta să fie în proporţie cât mai mică asigurată din reţeaua de distribuţie.

De asemenea, trebuie să se ţină cont de faptul că în realitate, reţeaua de distribuţie nu are putere infinită, deci stabilitatea parametrilor ei (frecvenţa, valoarea eficace) poate fi influenţată de eolienele, care sunt de puteri din ce în ce mai mari (în prezent, până la 5 MW).Aceste probleme de conectare a eolienelor, se pun în cazul fermelor de eoliene, al eolienelor de medie putere şi a celor cu putere mai mare de 100 kW, conectate la reţea. Energia produsă de acestea este vândută direct societăţilor care gestionează reţelele.

•  Componente necesare:

Pentru a satisface exigenţele reţelei, trebuiesc instalate diferite echipamente care concură la conectarea eolienei:

Transformatorul ridicător de tensiune:Generatoarele eolienelor au tensiunea nominală, în general, de ordinul a 690 V. Transformatoarele asigură conectarea acestora la reţeaua de distribuţie, care de cele mai multe ori este de 20 kV. În prezent, nu există nici o eoliană care să fie conectată direct la reţea, fără utilizarea unui transformator ridicător.

Bateriile de condensatoare

Pentru ameliorare factorului de putere al instalaţiei, se conectează baterii de condensatoare, ce sunt constituite din trei baterii de condensatoare monofazate, conectate în triunghi.

Bateriile de condensatoare asigură şi compensarea puterii reactive consumate (ca o medie, ţinând cont de neregularităţile vântului).Energia reactivă este necesară maşinilor asincrone pentru magnetizare. Astfel, bateriile de condensatoare (surse de energie reactivă) asigură local energia necesară magnetizării, ameliorând astfel factorul de putere global al eolienei. În cazul funcţionării autonome a eolienelor, bateriile de condensatoare sunt indispensabile pentru asigurarea energiei reactive necesare magnetizării maşinii.

1.3.3 Parametrii unei eolienePuterea unei eoliene:

Eolienele pot fi clasificate în funcţie de puterea lor:

  Diametrul palelor Puterea nominalăMică putere <12 m < 40 kWMedie putere 12 la 45 m 40kW la 1 MWMare putere > 46 m > 1 MW

Ca ordin de mărime, 1 MW reprezintă necesarul de putere a aproximativ 900 de locuinţe de 3 persoane, fără încălzirea electrică.

Variaţia vitezei vântului v, în funcţie de înălţimea h:

 - viteza [m/s] la nivelul solului (h = 0)α - coeficient caracteristic locaţiei, α = 0,1 ÷ 0,4

Coeficientul de putere (de performanţă) Cp

Energia vântului este în fapt, energia cinetică recuperabilă a aerului, ce traversează suprafaţa S. Puterea asociată acestei energii cinetice este:

în care ρ este densitatea aerului.Totuşi, această putere nu poate fi recuperată în totalitate, deoarece o parte este necesară pentru evacuarea aerului care a efectuat lucru mecanic asupra palelor turbinei.

Se introduce coeficientul de putere (de performanţă) al turbine Cp, rezultând puterea mecanică la arborele turbinei:

în carev - viteza vântului [m/s];ρ ≈ 1,25 kg/m³, densitatea aerului, în condiţii normale de temperatură şi presiune, la nivelul mării;S: suprafaţa [m²] acoperită de palele turbinei.

Coeficientul Cp caracterizează randamentul turbinei eoliene. El poate fi exprimat şi ca:

Cuplul ML produs de turbină

Se defineşte coeficientul de cuplu CΓ:

Limita lui Betz

Coeficientul de putere a fost introdus în cadrul teoriei lui Betz. Limita lui Betz indică energia maximă ce poate fi recuperată, chiar şi de cele mai performante eoliene - bipale sau tripale, cu ax orizontal. Aceasta nu poate fi decât 59% din energia vântului, ceea ce înseamnă că Cp max (teoretic) este 0,59. Pentru o eoliană reală, Cp este cel mult 0,3 ÷ 0,4.

Teoria lui Betz modelează trecerea aerului prin palele turbine, printr-un tub de flux de aer cu vitezele:

V1 - viteza vântului înainte de turbină;V - viteza vântului în dreptul palelor eolienei; este de ordinul a câţiva m/s (~ 10 m/s);V2 - viteza vântului după preluarea energiei cinetice de către palele eolienei.Se consideră că vitezele sunt paralele cu axul turbinei eoliene, existând relaţiile V1 > V > V2.

Observaţie: Se poate determina valoarea lui Cp max, printr-o analiză a puterilor, ştiind că: - pe de o parte, puterea recuperabilă de către o eoliană este o consecinţă a variaţei energie cinetice a vântului:

- pe de altă parte, efortul care se exercită asupra eolienei, determină puterea Pefort.

Cunoscând forţa exercitată de vânt  , exprimând puterea în funcţie de lucrul mecanic efectuat de forţa vântului, rezultă:

Pefort corespunde puterii absorbite de rotorul turbinei, respectiv puterea mecanică furnizată de aero-motor.

Raportul de viteză λ

Se defineşte λ - raportul de avans, sau parametrul de rapiditate sau viteza specifică, sau raport de viteză la capătul palei (în engleză "tip-speed ratio") - ca fiind raportul dintre viteza tangenţială a capătului palelor şi viteza vântului:

în careR - raza palelor [m]; 

 - viteza unghiulară a rotorului turbinei eoliene [rad-sec];V  - viteza vântului [m/s].

Pentru a avea o imagine asupra ordinului de mărime: dacă λ < 3, eoliana se consideră ca fiind lentă, dacă λ > 3, eoliana se consideră ca fiind rapidă. 

Curba  , specifică fiecărei eoliene, permite clasificarea diferitelor tipuri de eoliene.

În afara eforturilor aerodinamice datorate vântului, trebuie să se mai ţină seama de eforturile inerţiale şi elastice datorate mişcării palelor: bătaie, flexiune, torsiune. Mai există, de asemenea, efecte ale vitezei vântului, ale scurgerii acestuia, ale gradientului de vânt.Toate aceste eforturi sunt exercitate asupra palelor şi transmise apoi butucului şi pilonului.

Multiplicatorul de viteză este caracterizat de raportul de transmisie şi de randamentul său.

ΩMAS = ΩL . k

ΩMAS - viteza arborelui generatorului (asincron MAS)

Calculul randamentului ηm

PMAS = Pmeca . ηm

PMAS - puterea mecanică la arborele generatorului (asincron MAS)

Pmeca - puterea mecanică furnizată de turbina eoliană

Parametrii ce caracterizează rotorul unei turbine eoliene sunt:

- randamentul aeromotorului;- densitatea aerului [kg/m³];- numărul de pale;- diametrul palelor [m];- pasul elicei;- suprafaţa acoperită [m²];- înclinarea palelor;- înălţimea pilonului [m];- viteza nominală a vântului [m/s];- turaţia nominală a rotorului [rot/min]. 

Bilanţul de puteri:

ηaero-motor = ηturbină

Pmax mecanică furnizată aero-motorului Pelectrică

1.4 Particularitati legate de energia eoliana

1.4.1 Tipuri de instalări

O eoliană ocupă o suprafaţă mică pe sol. Acesta este un foarte mare avantaj, deoarece perturbă puţin locaţia unde este instalată, permiţând menţinerea activităţilor industriale sau agricole din apropiere. Se pot întâlni eoliene numite individuale, instalate în locaţii izolate. Eoliana nu este racordată la reţea, nu este conectată cu alte

eoliene. În caz contrar, eolienele sunt grupate sub forma unor ferme eoliene.

Instalările se pot face pe sol, sau, din ce în ce mai mult, în largul

mărilor, sub forma unor ferme eoliene offshore, în cazul cărora prezenţa vântului este mai regulată. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor şi ameliorează

estetica.

1.4.2 Orientarea axului

Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii: eoliene cu ax vertical şi 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 din înălţimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operaţiunile de întreţinere. În 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, aceasta fiind supusă şi turbulenţelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest 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 lui Savonius în cazul căruia, funcţionarea se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din feţele unui corp curbat au intensităţi diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Schema rotorului lui 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.

Imaginea schitata unei eoliene Darrieus 

 

 

Schema rotorului lui Darrieus 

Schita unei turbine cu ax orizontal

Eoliene cu ax orizontal

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.

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.

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.

1.5 Componentele clasice ale unei eoliene

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

1. Palete ( pale );2. Generator;3. Frâna;4. Angrenaj;5. Regulatoare electrice;6. Sistem de orientare;7. Butuc.8. 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.

9. 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.

10.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.

11.Angrenajul transfera energia mecanica generatorului.

12.Regulatoarele electrice sunt elemente de reglare.

13.Fundatie.

Schita unei turbine eoliene

Palele turbinelor eoliene se rotesc datorita miscarii maselor de aer si cu cât este mai mare masa aerului, cu atât mai repede se rotesc palele, producând o cantitate mai mare de energie. Un rol important în cantitatea de energie obtinuta o au si viteza vântului si suprafata palelor.

Fiecare componenta a aerogeneratorului are un rol deosebit de important in functionarea pe termen lung a acestor masini si voi incerca in continuare sa conturez cateva caracteristici ale componentelor principale.

Schema unui aerogenerator

Palele sau captorul de energie sunt realizate dintr-un amestec de fibră de sticlă şi materiale compozite. Ele u rolul de a capta energia vântului şi de a transfera rotorului turbinei. profilul lor este rodul unor studii aerodinamice complexe, de el depinzând randamentul turbinei.

Diametrul palelor (sau suprafaţa acoperită de acestea) este în funcţie de puterea dorită:

Evolutia diametrului palelor si implicit a puterii turbinelor eoliene in timp.

Lăţimea palelor determină cuplul de pornire, care va fi cu atât mai mare cu cât palele sunt mai late.Profilul depinde de cuplul dorit în funcţionare.

Numărul de pale depinde de eoliană. În prezent, sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigură limitarea vibraţiilor, a zgomotului şi a oboselii rotorului, faţă de sistemele mono-pală sau bi-pală. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bi-

pală faţă de cel mono-pală, iar creşterea este de 3% între sistemul cu trei pale faţă de două pale. În plus, este un compromis bun între cost şi

viteza de rotaţie a captorului eolian şi avantaje din punct de vedere estetic pentru sistemul cu trei pale, faţă de cel cu două pale.

Butucul este prevăzut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotaţie a turbinei eoliene (priza de vânt).

Photo: LM Glasfi ber

Controlul activ, prin motoare hidraulice, numit şi "pitch control". Acest sistem asigură modificarea unghiului de incidenţă a palelor pentru a valorifica la maximum vântul instantaneu şi pentru a limita puterea în cazul în care vântul depăşeşte viteza nominală. În general, sistemul roteşte palele în jurul

propriilor axe (mişcare de pivotare), cu câteva grade, în funcţie de viteza vântului, astfel încât palele să fie poziţionate în permanenţă sub un unghi optim în raport cu viteza vântului, astfel încât să se obţină în orice moment puterea maximă. Sistemul permite limitarea puterii în cazul unui vânt puternic (la limită, în caz de furtună, trecerea palelor în "drapel").

Controlul aerodinamic pasiv, numit şi "stall control". Palele eolienei sunt fixe în raport cu butucul turbinei. Ele sunt concepute special pentru a permite deblocarea în cazul unui vânt puternic. Deblocarea este progresivă, până când vântul atinge viteza critică. Acest tip de control este utilizat de cea mai mare parte a eolienelor, deoarece are avantajul că nu necesită piese mobile şi sisteme de comandă în rotorul turbinei.

Ultimul tip de control, vizează utilizarea avantajelor controlului pasiv şi al celui activ, pentru a controla mai precis conversia în energie electrică. Acest sistem este numit control activ cu deblocare aerodinamică, sau "active stall". El este utilizat pentru eolienele de foarte mare putere.

Arborele primar: este arborele rotorului turbinei eoliene. Se mai numeşte arborele lent, deoarece el se roteşte cu viteze de ordinul a 20 - 40 rot/min. Prin intermediul multiplicatorului, el transmite mişcarea, arborelui secundar.

Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice, caracterizată de cuplu mare şi viteză mică specifică turbinei eoliene, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) şi arborele secundar (al generatorului).

Există mai multe tipuri de multiplicatoare, cum ar fi:

• Multiplicatorul cu una sau mai multe trepte de roţi dinţate, care permite transformarea mişcării mecanice de la 19-30 rot/min la 1500 rot/min. Axele de rotaţie ale roţilor dinţate sunt fixe în raport cu carcasa.

• Multiplicatorul cu sistem planetar, care permite obţinerea unor rapoarte de transmisie mari, într-un volum mic. În cazul acestora, axele roţilor numite sateliţi nu sunt fixe faţă de carcasă, ci se rotesc faţă de celelalte roţi.

Există şi posibilitatea antrenării directe a generatorului, fără utilizarea unui multiplicator.

Arborele generatorului sau arborele secundar antrenează generatorul electric, sincron sau asincron, ce are una sau două perechi de poli. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotaţie în cazul unui vânt violent. Pot exista şi alte dispozitive de securitate.

Generatorul electric asigură producerea energiei electrice. Puterea sa atinge 4,5 MW pentru cele mai mari eoliene. În prezent se desfăşoară cercetări pentru realizarea unor eoliene de putere mai mare (5 MW). Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Datorită preţului şi randamentului, se utilizează, aproape în totalitate,

generatoare de curent alternativ.Generatoarele de curent alternativ pot fi sincrone sau asincrone, funcţionând la viteză fixă sau variabilă. 

Generatorul sincron:

Generatorul sincron sau maşina sincronă (MS) se poate utiliza în cazul antrenării directe, respectiv legătura mecanică dintre arborele turbinei eoliene şi cel al generatorului se realizează direct, fără utilizarea unui multiplicator. În consecinţă, generatorul este conectat la reţea prin intermediul unui convertor static. Dacă generatorul este cu magneţi permanenţi, el poate funcţiona în mod autonom, neavând nevoie de excitaţie.

o Excitaţie electrică. Bobinele circuitului de excitaţie (situate pe rotor) sunt alimentate în curent continuu, prin intermediul unui sistem de perii şi inele colectoare fixate pe arborele generatorului. Alimentarea se poate face prin intermediul unui redresor, ce transformă energia de curent alternativ a reţelei, în curent continuu. Există însă mai multe metode de realizare a excitaţiei. Generatoarele sincrone cu excitaţie electrică sunt cele mai utilizate în prezent.

o Cu magneţi permanenţi (MSMP). Sursa câmpului de excitaţie o constituie magneţii permanenţi situaţi pe rotor, fiind astfel independentă de reţea. Acest tip de maşină are tendinţa de a fi din ce în ce mai utilizată de către constructorii de eoliene, deoarece ea funcţionează autonom, iar construcţia în ansamblu, este mai simplă.

Generatorul asincron:

Maşina asincronă (MAS) este frecvent utilizată, deoarece ea poate suporta uşoare variaţii de viteză, ceea ce constituie un avantaj major pentru aplicaţiile eoliene, în cazul cărora viteza vântului poate evolua rapid, mai ales pe durata rafalelor. Acestea determină solicitări mecanice importante, care sunt mai reduse în cazul utilizării unui generator asincron, decât în cazul generatorului sincron, care funcţionează în mod normal, la viteză fixă. Maşina asincronă este însă puţin utilizată pentru eoliene izolate, deoarece necesită baterii de condensatoare care să asigure energia reactivă necesară magnetizării.

o Cu rotor bobinat. Înfăşurările rotorice, conectate în stea, sunt legate la un sistem de inele şi perii ce asigură accesul la înfăşurări, pentru conectarea

unui convertor static în cazul comenzii prin rotor (maşina asincronă dublu alimentată - MADA).

o În scurt-circuit. Rotorul este construit din bare ce sunt scurtcircuitate la capete prin intermediul unor inele. Înfăşurările rotorice nu sunt accesibile.

Sistemul de orientare a nacelei este constituit dintr-o coroană dinţată (cremalieră) echipată cu un motor. El asigură orientare eolienei şi "blocarea" acesteia pe axa vântului, cu ajutorul unei frâne.

Dispozitivele de măsurare a vântului sunt de două tipuri: o giruetă pentru evaluarea direcţiei şi un anemometru pentru măsurare vitezei. Informaţiile sunt transmise sistemului numeric de comandă, care realizează reglajele în mod automat.

Sistemul electronic de control a funcţionării generale a eolienei şi a mecanismului de orientare. El asigură pornirea eolienei, reglarea înclinării palelor, frânarea, ca şi orientarea nacelei în raport cu vântul.

Sistemul de răcire. Sunt prevăzute sisteme de răcire,

atât pentru multiplicatorul de viteză ce transmite eforturile mecanice între cei doi arbori, cât şi pentru generator. Ele sunt constituite din radiatoare de apă sau ulei şi ventilatoare. Răcirea cu ulei este utilizată pentru multiplicatoare.

Pilonul este, în general, un tub de oţel şi un turn metalic. El susţine turbina eoliană şi nacela. Alegerea înălţimii este importantă, deoarece trebuie realizat un bun compromis între preţul de construcţie şi expunerea dorită la vânt. În consecinţă, odată cu creşterea înălţimii, creşte viteza vântului, dar şi preţul. În general, înălţimea pilonului este puţin mai mare decât diametrul palelor. Înălţimea eolienelor este cuprinsă între 40 şi 80 de metri.Prin interiorul pilonului trec cablurile care asigură conectarea la reţeaua electrică.

Fundatia asigura rezistenta mecanica a structurii formate din pilon si din turbina eoliana.Daca pe uscat treburile stau putin mai bine atunci cand vine vorba de fundatia turbinelor eoliene,pentru turbinele offshore lucrurile sunt putin mai complexe.

1.6 Impactul eolienelor asupra mediului

Noile cerinţe în domeniul dezvoltării durabile au determinat statele lumii să îşi pună problema metodelor de

producere a energiei şi să crească cota de energie produsă pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă emisiile de gaze cu efect de seră. Acest acord a determinat adoptarea unor politici naţionale de dezvoltare a eolienelor şi a altor surse ce nu degajă bioxid ce carbon.

Avantajele sistemelor eoliene :- emisia zero de substante poluante si gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili; - nu se produc deseuri; - costuri reduse pe unitate de energie produsă. În 2004, pretul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime fată de cel din anii 80, iar previziunile sunt de continuare a scăderii acestora;- costurile de scoatere din functiune la capătul perioadei normale de functionare sunt minime, instalatiile eoliene putând fi integral reciclate.

Dezavantaje:- cel mai important dezavantaj este variatia vitezei vântului si din acest motiv nu orice locatie se pretează la acest gen de aplicatie;- un alt dezavantaj semnalat este "poluarea vizuală si sonoră" (exista persoane care sustin că nu se ncadrează vizual în mediul înconjurător si fac zgomot în timpul functionării) si faptul că afectează ecosistemele (necesită terenuri virane mari pentru instalare si pot omorî păsările). Argumente împotriva acestora sunt că turbinele moderne de vânt au o aparitie atractivă stilizată, că masinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele si că alte surse de energie, precum generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, deoarece creează poluare si duc la efectul de seră.Si oficialitătile române încep să se preocupe de acest subiect, dovadă si faptul că încep să se pună la punct strategiile în domeniul promovării surselor regenerabile de energie. Se estimează că până în 2010, 32% din productia de energie electrică trebuie să fie obtinută din surse regenerabile. Unele dintre primele zone vizate pentru instalarea de turbine eoliene sunt: zona Brasov-Ghimbav, zona Bran si masivul Postăvarul. România are "plantate" în total doar 37 de astfel de mijloace de producere a energiei verzi.

Încadrarea în peisaj a turbinelor eoliene

Notam în primul rând ca într-un parc de turbine eoliene, mai ales daca este situat în teren plat, din considerente de valorificare maximala a energiei eoliene, distanta medie dintre doua turbine eoliene este de 6-10 diametre rotorice, ceea ce pentru turbine mari înseamna de la câteva sute de metri la peste un kilometru. Rezulta ca turbinele de mari dimensiuni vor fi plasate la fel de rar ca stalpii liniilor de înalta tensiune, care apar aproape oriunde în peisajul din jurul nostru, dar cu care ne-am obişnuit şi pe care nu le mai considerm cu un impact negativ asupra peisajului.

Turatia rotoarelor turbinelor eoliene mari este foarte lenta - în jur de 10 rotatii/minut, deci nu provoaca şi nici nu induce nici un fel de senzaite negativa.

Vizual turbinele eoliene au design elaborat, atragator şi sunt vopsite în alb (cel mai frecvent). Cel putin la începutul promovarii parcurilor eoliene industriale în România, apreciem ca acestea vor constitui o atractie turistica semnificativa, iar vizitarea parcului cu urcarea in nacela unei turbine eoliene poate deveni un punct important de atractie.

Ocuparea terenului este minima în arealul amenajat (circa 0,3% din total) - ca şi în cazul liniilor electrice putându-se utiliza în continuare terenul pentru agricultura sau paşunat.

Turbine eoliene ca sursa de zgomot şi vibratii

Ca orice echipament industrial şi turbinele eoliene produc în functionare zgomote, datorita sistemelor mecanice în funcionare, a despicarii aerului de palele în rotire sau a trecerii palelor prin dreptul stâlpului de susinere, cand se produce o comprimare a aerului.

Pentru a nu avea un impact negativ în special în zonele dens populate, sursele de zgomot sunt foarte riguros controlate de fabricanii de turbine şi se iau masuri tehnologice speciale pentru fiecare sursa. Aşa se face ca în urma unor masurtori în natura, fabricantii de turbine eoliene dau garantii ferme asupra limitei superioare a zgomotelor produse de turbina respectiva.

Putem afirma însa ca turbinele eoliene moderne nu sunt zgomotoase, majoritatea fabricantilor garantând ca la nivelul rotorului turbinei eoliene zgomotul (presiunea sunetului) nu depşeşte 100 dB (A), echivalent cu un zgomotul din orice industrie prelucratoare.

În cazul în care vântul bate în direcia unui receptor, nivelul presiunii sunetului la o distanta de 40 m fata de unele turbine eoliene tipice este de 50-60 dB(A), ceea ce echivaleaza cu nivelul unei conversaii umane obişnuite. La 150 m zgomotul scade la 45,5 dB(A), echivalent cu zgomotul normal dintr-o locuinta, iar la distana de peste 300 m zgomotul functionarii unor turbine eoliene se confunda cu zgomotul produs de vântul respectiv. Daca vântul bate din directie contrara, nivelul zgomotului receptionat scade cu circa 10 dB(A).

Conform specificului fiecarui amplasament în parte, pentru ca nivelul de zgomot sa fie cel acceptat, trebuie avut în vedere pastrarea unei distane suficiente fata de aşezarile umane,

diverse anexe gospodreşti, institutii publice, monumente istorice şi de arhitectura, parcuri, spitale şi alte aşezaminte de interes public.

În ce priveşte vibratiile, acestea sunt nesemnificative pentru mediu.

Impactul asupra pasarilor zburtoare

Principalul impact pus în discuie pentru protejarea mediului este cel legat de impactul pasarilor zburtoare cu rotoarele turbinelor eoliene în mişcare, precum şi perturbarea habitatului (la sol), daca în areal se afla colonii semnificative de pasari.

Aceasta problema a suscitat înca de acum mai bine de un deceniu - intense dispute în tarile vest europene promotoare ale tehnologiei. Din acest motiv, în multe tari au fost demarate multiple studii de impact cu pasarile.

Astazi în tarile vest-europene ecologiştii şi promotorii centralelor eoliene au ajuns la un consens: impactul dintre turbinele eoliene şi pasari este mai mic decât se afirmase la început şi în orice caz mai redus decât impactul altor activitati umane ca vântoarea, transportul rutier şi aerian, sau chiar existenta structurilor statice ca stâlpii şi liniile electrice ori a cladirilor înalte, de care pasarile se ciocnesc deoarece le vad greu.

Aceasta concluzie a permis dezvoltarea exploziva a energiei eoliene în toate tarile UE.

Un studiu olandez estimeaza ca anual sunt omorâte 1500 pasari prin vântoare, 1000 de liniile electrice, 2000 de traficul rutier şi numai 20 pasari/1000 MW de turbinele eoliene.

Bibliografie:

http://em.ucv.ro

www.wikipedia.com

www.energy-consultancy.com

www.eoliene.net

“Strategii de valorificare a surselor regenerabile de energie.” –raport 2003

World Wind Energy Association –raport 2008

www.vestas.com

www.nordex.com