Consideratii Generale Despre Energia Eoliana

Cuprins

CAPITOLUL I – CONSIDERAȚII GENERALE DESPRE ENERGIA EOLIANĂ

1. Istoria folosirii energiei eoliene

2. Teoria privind energia vântului și captarea ei

2.1. Producerea vântului

2.2. Energia vântului

2.3. Limita lui Betz

2.4. Potențialul eolian al unei zone

3. Folosirea energiei eoliene

4. Energia eoliană în România

CAPITOLUL II – CONSTRUIREA UNUI GENERATOR EOLIAN

1. Dispozitive moderne de captare a energiei eoliene

1.1. Captatoare (turbine) eolieneentului electric

2. Generarea curentului electric

2.1. Producerea curentului electric

2.2. Generator axial cu magneți permanenți.

3. Axul de rotație al eolienei

3.1. Ax orizontal

3.2. Ax vertical

3.3. Alegerea tipului de ax potrivit pentru proiect

4. Turnul eolienei

4.1. Clasificarea tipurilor de turnuri

4.2. Construcția turnului pentru proiect

5. Generatorul electric axial cu magneți permanenți

5.1. Magneți permanenți

5.2. Generatorul electric axial cu magneți permanenți

5.3. Bobinajul generatorului și redresorul

5.4. Construirea statorului generatorului

6. Elicea turbinei eoliene

6.1. Palele (elicele)

6.2. Numărul de pale

6.3. Construirea palelor

7. Nacela

7.1. Mecanismul de întoarcere în vânt

7.2. Coada turbinei eoliene

7.3. Mecanismul de evitare a vânturilor puternice

7.4. Construirea nacelei

8. Unitatea de control al curentului electric

8.1. Legarea bobinelor și curentul electric produs de generator

8.2. Redresarea curentului electric

8.3. Bateriile

8.4. Inversorul și legarea la rețeaua națională

CAPITOLUL III – CONCLUZII ȘI ÎMBUNĂTĂȚIRI VIITOARE ALE PROIECTULUI

BIBLIOGRAFIE

[NUME_REDACTAT]

CAPITOLUL I – CONSIDERAȚII GENERALE DESPRE ENERGIA EOLIANĂ

1. Istoria folosirii energiei eoliene

2. Teoria privind energia vântului și captarea ei

2.1. Producerea vântului

2.2. Energia vântului

2.3. Limita lui Betz

2.4. Potențialul eolian al unei zone

3. Folosirea energiei eoliene

4. Energia eoliană în România

CAPITOLUL II – CONSTRUIREA UNUI GENERATOR EOLIAN

1. Dispozitive moderne de captare a energiei eoliene

1.1. Captatoare (turbine) eolieneentului electric

2. Generarea curentului electric

2.1. Producerea curentului electric

2.2. Generator axial cu magneți permanenți.

3. Axul de rotație al eolienei

3.1. Ax orizontal

3.2. Ax vertical

3.3. Alegerea tipului de ax potrivit pentru proiect

4. Turnul eolienei

4.1. Clasificarea tipurilor de turnuri

4.2. Construcția turnului pentru proiect

5. Generatorul electric axial cu magneți permanenți

5.1. Magneți permanenți

5.2. Generatorul electric axial cu magneți permanenți

5.3. Bobinajul generatorului și redresorul

5.4. Construirea statorului generatorului

6. Elicea turbinei eoliene

6.1. Palele (elicele)

6.2. Numărul de pale

6.3. Construirea palelor

7. Nacela

7.1. Mecanismul de întoarcere în vânt

7.2. Coada turbinei eoliene

7.3. Mecanismul de evitare a vânturilor puternice

7.4. Construirea nacelei

8. Unitatea de control al curentului electric

8.1. Legarea bobinelor și curentul electric produs de generator

8.2. Redresarea curentului electric

8.3. Bateriile

8.4. Inversorul și legarea la rețeaua națională

CAPITOLUL III – CONCLUZII ȘI ÎMBUNĂTĂȚIRI VIITOARE ALE PROIECTULUI

BIBLIOGRAFIE

Capitolul I – Considerații generale despre energia eoliană

1. Istoria folosirii energiei eoliene

Energia eoliană este una din cele mai vechi surse de energie nepoluantă. Drept sursă energetică vântul este cunoscut omenirii de 10 mii de ani. Încă de la orizontul civilizației energia vântului se utiliza în navigația maritimă. Se presupune că egiptenii străvechi mergeau cu pânze cu 5.000 de ani în urmă. În jurul anului 700 pe teritoriul Afganistanului se utilizau mașini eoliene cu axă verticală de rotație pentru măcinarea grăunțelor. Cunoscutele instalații eoliene (mori cu elicele conectate la turn) asigurau funcționarea unor sisteme de irigare pe insula Creta din [NUME_REDACTAT].

Morile pentru măcinarea boabelor, care funcționau pe baza vântului, sunt una din cele mai mari performanțe a secolelor evului mediu.

În sec. XIV olandezi au îmbunătățit modelul morilor de vânt, răspândite în [NUME_REDACTAT], și au început utilizarea largă a instalațiilor eoliene la măcinarea boabelor, așadar moara de vânt este strămoșul generatoarelor eoliene.

Mai târziu, morile se orientau după direcția vântului și au fost puse pânze pentru a capta mai bine energia vântului.

Prima moară de vânt cu pale profilate a apărut în secolul doisprezece. Chiar dacă era foarte simplă, este totuși vorba de prima cercetare aerodinamică a palelor. Acestea au fost utilizate în principal pentru pomparea apei sau pentru măcinarea grâului. În perioada Renașterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au interesat foarte intens de morile de vânt, ceea ce a condus la numeroase inovații. De atunci, morile s-au înmulțit în Europa. Cu toate acestea, energia nepoluantă a început să fie folosită pe scară largă, abia prin anii 70-80, moment în care SUA au adoptat mai multe programe destinate sã încurajeze valorificarea ei, fiind forțate de criza petrolului. În , la sfârsitul anului 1984, functionau deja 8469 de turbine eoliene. Capacitatea totalã a acestor unitãti este de aproximativ 550 MW. Ele erau construite în locuri cu vânt puternic, grupate în asa-numitele "wind farms".

Revoluția industrială a oferit un nou început pentru morile de vânt, prin apariția de noi materiale.

În consecință, utilizarea metalului a permis modificare formei turnului și creșterea considerabilă a mașinilor pe care le numim, azi pe scurt "eoliene".

2. Teoria privind energia vântului și captarea ei

2.1. Producerea vântului

Cauzele care duc la deplasarea anumitor pături de aer pot fi explicate prin neomogenitatea scoarței terestre, care creează o repartiție neuniformă a temperaturii și presiunii aerului. Aerul cald, mai rarefiat și mai ușor, va căpăta o mișcare ascensională, în timp ce aerul rece va tinde să-l înlocuiască. Această mișcare orizontală a aerului, apărută în urma diferențelor termice și barice, poartă numele de vânt. 

Principalele caracteristici ale vântului sunt direcția și intensitatea.

În practică, direcția vântului se măsoară prin unghiul pe care-l face nordul geografic cu sensul dedeplasare al vântului. Direcția vântului poate fi, deci, exprimată cu ajutorul busolei. Viteza vântului se exprimă în m/s sau km/h.

Tabelul lui Beaufort este relevant în această privință:

Tabelul lui [NUME_REDACTAT] toată energia nepoluantă vine de la soare. Astfel, vântul este rezultatul activității energetice a soarelui, care se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pământului. În fiecare ora Pământul primește 1014 kWh de energie solară. Circa 1-2% din energia solară se transformă în energie eoliană.

Vântul, ca sursă energetică poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar în anumite perioade prezența vântului se observă pe parcursul întregii zile.

Totodată, vântul, într-o mai mare masură, depinde de condițiile locale (relief) decât de soare. Astfel, în localitățile montane, spre exemplu, două suprafețe pot avea potențial solar egal, însă potențialul vântului poate fi diferit din cauza diferenței în relief și a direcțiilor curenților maselor de aer. În legatură cu aceasta, planificarea locului pentru plasarea instalației, are loc mai detaliat decât montarea unui sistem solar.

Bunăoară, în prezent, odată cu creșterea dimensiunilor și eficienței turbinelor eoliene, având, însă la bază și avantajele oferite de forța vântului în larg, majoritatea producătorilor fabrică turbine eoliene special concepute pentru centralele amplasate în larg, astfel, potențialele eoliene eficient utilizabile se manifestă în zona litoralurilor marine (on shore wind farms- pe coastă), în zona largului litoralurilor marine (off shore wind farms – în largul mărilor; procedee mai noi), dar și pe ridicături și în munți.

Montarea centralelor eoliene în largul mării

În cele ce urmează vom încerca să explicăm ce reprezintă termenii preluați din limba engleză ,,on shore” și ,,off shore” și cum au loc fenomenele pe care aceștia le reprezintă.

Astfel, acestea sunt produse de incălzirea diferențiată a solului și a apei, cauzată de energia solară. Iată cum se întâmplă acest lucru: lumina soarelui, așa cum se explică și în fig. 2.1a, care se propagă pe suprafața Pământului încălzește atât apa, cât și solul, simultan. Când apa și solul, aferent acesteia, se încălzesc, ei transmit o parte din căldură în atmosferă (prin radiații infraroșu). Acestă căldură, la rândul său, încălzește aerul de deasupra lor. Când aerul se încălzește, se lărgește și devine mai puțin dens, ridicându-se. Mișcarea ascendentă a aerului poartă numele de ,,updraft”.

Deși apa și solul primesc aceași căldură de la soare, masele de uscat se încălzesc mai repede decât organismele din apele învecinate, deoarece aerul de deasupra solului se încălzește mai repede decât cel de deasupra apei. O altă cauză este faptul că presiunea aerului este mai mică deasupra solului decât deasupra suprafeței apelor învecinate. Atunci când aerul cald se ridică deasupra solului, unde este mai rece, aerul de înaltă presiune se mută pentru a umple vidul lăsat, astfel se creează o briză de echilibru, numită vânt uscat (onshore wind).

Noaptea, însă, vântul bate în sens opus, dinspre sol înspre apă, așa cum este ilustrat în fig. 2.1b. Acest fenomen este cunoscut ca briză ori vânt offshore.

Precum vânturile onshore, care au loc în timpul zilei, vânturile offshore sunt create de diferențele din presiunea aerului între aerul de deasupra solului și cel de deasupra apelor învecinate. Iată ce se întâmplă: după apusul soarelui, atât apele, cât și solul încep să se răcească. Solul se răcește mult mai repede decât apa. Deoarece apa se răcește mai greu, aerul dedeasupra sa este rămâne mai cald. Aerul cald se extinde și crește. Aerul rece, de înaltă presiune, se deplasează de la sol la apă pe timpul nopții. Rezultatul: se creează o briză offshore: vânturi de echilibru care ajung de la sol la apă.

Brizele sau vânturile offshore și onshore bat zi de zi, când vremea e însorită, oferind un flux constant de energie eoliană.”

Fig. 2.1a Fig. 2.1b

2.2. Energia vântului

Un alt aspect important, pe care dorim să-l subliniem este faptul că energia vântului este supusă schimbărilor sezoniere a timpului. Lucrul unei asemenea instalații este mai efectiv iarna și mai putin efectiv în lunile de vara (în cazul sistemelor solare, situația este inversă).

Așadar, energia vântului depinde de energia cinetică a masei de aer în mișcare, dar greutatea masei de aer depinde de densitatea aerului. Ori, densitatea aerului variază mult, cu anotimpurile, existând o diferență sensibilă între densitatea aerului iarna și respectiv vara; densitatea aerului fiind mai mare iarna. În consecință, centralele eoliene sunt mai eficiente iarna decât vara. Aceasta este și motivul pentru care, în unele țări, centralele eoliene lucrează în paralel cu centrale solare, care sunt foarte eficiente vara și mai puțin eficiente iarna.

Vânturile create de mișcarea orizontală sau aproape orizontală a maselor de aer au viteze diferite, la diferite altitudini și diferite condiții regionale. Este acceptată o scară a vitezei vântului, la o înălțime de 10 m față de sol (tabelul lui Beaufort, prezentat mai sus)

Masele de aer în mișcare dezvoltă o energie cinetică:

unde: m este masa de aer în mișcare, în <kg> ,

v – viteza vântului, în <m/s> .

Pe de altă parte, masa de aer în mișcare se poate aprecia cu relația:

unde:  ρ este densitatea masei de aer, în <kg/m>,

  A – aria secțiunii de trecere, <în m>,

τ – timpul, în <s>.

Relativ la densitatea aerului se precizează faptul că aceasta variază sensibil cu temperatura, zona geografică, deci și cu anotimpul.

Avându-se în vedere (2.2), energia cinetică a masei de aer în mișcare, devine:

Puterea  P dezvoltată de masa de aer în mișcare, care are la intrarea în captator viteza v, iar la ieșirea din captator viteza zero, adică teoretic cedează în întregime energia sa, este:

Dacă curentul de aer, care cedează energia sa mediului, este delimitat de o suprafață cilindrică, cu diametrul D, creat prin mișcarea de rotație a elicei, atunci puterea teoretică dezvoltată devine:

Putereile teoretice ale vântului, la nivelul mării, la presiunea atmosferică standard, temperatura 15C și densitate 1,225 kg/m, în funcție de viteza vântului, sunt prezentate în tabelul următor:

2.3. Limita lui [NUME_REDACTAT] realitate, la ieșirea din captator, viteza nu scade la zero ci doar se diminuează. Fenomenul a fost studiat prima dată de Betz, care a introdus un factor de corecție C, de forma:

Unde a este factorul de interferență (raportul vitezelor), având valori cuprinse în intervalul 0<a<1. Prin intermediul acestui factor se are în vedere faptul că fluxul de aer, care traversează suprafața măturată de elicea captatorului, suferă o deviație de la curgerea liniară (o dilatare în volum) și în consecință viteza scade de la valoarea v la valoarea v’<v.

Adică, curentul de aer în jurul captatorului, nu are forma cilindrică ci o formă mai complicată, datorită componentei radiale a vitezei vântului, ce rezultă în urma impactului acestuia cu elicea captatorului. S-a demonstrat că valoarea teoretică maximă a puterii cedate de masa de aer în mișcare are loc pentru a≈ 1/3, ceea ce conduce la o valoare a factorului de corecție de 0,593.

Prin urmare, puterea maximă, ce se poate obține, din energia cinetică a masei de aer în mișcare, este de maximum 59,3 % din puterea teoretică dată de relația (2.5); această limită este cunoscută sub numele de limita lui Betz.

Dacă se iau în considerație și pierderile provocate de diverse frecări, dependente în mare măsură și de tehnologia de realizare a instalației eoliene, această putere teoretică trebuie diminuată cu încă 20% – 50%. Avându-se în vedere caracterul aleator, în timp și spațiu, a vitezei vântului, rezultă că și puterea dezvoltată are un caracter aleator.

2.4. Potențialul eolian al unei zone

Proiectanții și constructorii de centrale eoliene, utilizează în calculele lor, o distribuție a densității de probabilitate a vântului de tip Weibull (fig. 2.1), valabilă pentru diverse zone amenajabile pentru centrale eoliene. Rezultă că vitezele cele mai probabile sunt în jurul vitezei de 7m/s.

Practica exploatării centralelor eoliene arată că viteze mai mari de 18 m/s sunt rare. Înmulțind aceste probabilități ale vitezei vântului cu puterile teoretice, din tabelul precedent, rezultă curba de dispersie a puterii / energiei vântului, în funcție de viteza vântului (fig. 2.2), pentru o anumită zonă amenajabilă. Curba a-, din fig. 2.2, arată energia conținută în vânt, la intrarea în captator, curba b- arată energia transformată, de către captator, în energie mecanică de antrenare a generatorului, iar curba c- arată cantitatea de energie electrică care se poate obține de la o centrală eoliană, aflată într-o anumită zonă.

În vederea aprecierii potențialului energetic eolian s-a introdus noțiunea de densitate de putere a vântului p, ca fiind puterea medie raportată la aria secțiunii transversale a curentului de aer:

respectiv noțiunea de densitatea medie de putere a vântului p, în intervalul de timp τ:

3. Folosirea energiei eoliene

Așa cum s-a menționat și mai sus, energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile, aceasta este o sursă de energie reînnoibilă generată din puterea vântului. Aceasta este atractivă atât din punct de vedere ecologic – nu produce emisii în atmosferă, nu formează deșeuri radioactive, cât și din punct de vedere economic – ca sursă energetică primară vântul nu costă nimic.

Noile cerințe în domeniul dezvoltării durabile au determinat statele lumii să își pună problema metodelor de producere a energiei și să crească cota de energie produsă pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă emisiile degaze cu efect de seră. Acest acord a determinat adoptarea unor politici naționale de dezvoltare a eolienelor și a altor surse ce nu degajă bioxid de carbon. Trei factori au determinat ca soluția eolienelor să devină mai competitivă:

• noile cunoștințe și dezvoltarea electronicii de putere;

•ameliorarea performanțelor aerodinamice în conceperea turbinelor eoliene;

• finanțarea națională pentru implantarea de noi eoliene.

[NUME_REDACTAT] de la Kyoto (semnat în decembrie 1997 și ratificat de România în martie 2001), obligă toate statele ca, la elaborarea proiectelor energetice, să aibă în vedere  protecția, reabilitarea și monitorizarea mediului înconjurător și a capitalului natural.

Întrucât, în prezent cca. 1 % din necesarul de energie electrică a lumii se realizeaza în centrale eoliene, se preconizează ca în 2020 acest procentaj să ajungă la cca. 5 %. De asemenea, statisticile arată că industria de producere a energiei electrice pe seama energiei eoliene este ramura cu dezvoltarea ce mai rapidă în lume.

Europa nu are decât 9% din potențialul eolian disponibil în lume, dar are 72% din puterea instalată în 2002. Ea a produs 50 TWh electricitate de origine eoliană în 2002, producția mondială fiind de 70 TWh. Potențialul eolian tehnic disponibil în Europa este de 5.000 TWh pe an. Energia eoliană este direct proporțională cu viteza vântului ridicată la puterea atreia. Puterea instalațiilor eoliene a evoluat de la câteva sute de kW înainte de 2000 ajungând la ordinul de MW după 2000 și ajungând la o putere de 5 MW în 2010. Durata de viață a unei instalații eoliene este de 20 până la 25 ani.

Sursa eoliană disponibilă este evaluată pe scară mondială la 57.000 TWh pe an.

Contribuția energiei eoliene off shore (în larg) este estimată la 25.000 – 30.000 TWh pe an, fiind limitată la locații care să nu depășească 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 același timp, principalul inconvenient al acestei surse de energie, o reprezintă instabilitatea vântului, așa cum s-a analizat și mai sus. În perioadele de îngheț, ca și în cazul caniculei, cazuri în care cererea de energie este acerbă, efectul produs de vânt este practic inexistent, fapt care a condus, în dezvoltarea instalațiilor eoliene, la atașarea unor alte instalații de energii regenerabile caracterizate de un mai bun echilibru în funcționare, sau de sisteme de stocare a energiei electrice. Trebuie luat însă în calcul, în cazul sistemelor de stocare a energiei electrice de mare capacitate, prețul de cost ridicat al acestor sisteme, care sunt astăzi, în curs de dezvoltare.

Una din țările cele mai dezvoltate din punct de vedere al energiei eoliene este Danemarca, care are o producție de energie de 1,2 TWh/an.

4. Energia eoliană în [NUME_REDACTAT] turbinelor produc energie 25% din timp, acest număr crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice. Se crede că potențialul tehnic mondial a energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum. Potențialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicaturi și în munți. Dar există multe alte teritorii cu un potențial eolian necesar pentru utilizare. Ca sursă energetică vântul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar în anumite perioade prezența vântului se observă pe parcursul întregii zile. Asupra resurselor eoliene influențează relieful pământului și prezența barierelor (obstacolelor) plasate la înălțimi de până la 100 metri. De aceea vântul, într-o mai mare măsură, depinde de condițiile locale (relief) decât de soare. În localitățile montane, spre exemplu, două suprafețe pot avea potențial solar egal, însă potențialul vântului poate fi diferit datorită diferenței în relief și direcțiile curenților maselor de aer. În legătură cu aceasta, planificarea locului pentru plasarea instalației se petrece mai detaliat decât montarea unui sistem solar. Energia vântului de asemenea este supusă schimbărilor sezonierea timpului. Lucrul unei asemenea instalații este mai efectiv iarna și mai puțin efectiv în lunile de vară (în cazul sistemelor solare situația este inversă). De exemplu în condițiile climaterice din Danemarca sistemele fotoelectrice sunt efective la 18% în ianuarie și la 100% în iulie. Eficacitatea lucrului stației eoliene este de 55% în iulie și 100% în ianuarie. Astfel, varianta optimă este combinarea într-un sistem a instalațiilor eoliene și solare. Asemenea sisteme simbiotice asigură o productivitate a energiei electrice mai înaltă în comparație cu instalațiile eoliene sau fotoelectrice, luate seaparate.

Articolul "Evaluation of [NUME_REDACTAT] Power", de Cristina L. Archer și Mark Z. Jacobson () este rezultatul unui studiu finanțat de NASA. Harta resurselor de vânt a fost realizată prin urmărirea a 8000 de puncte de măsurare din întreaga lume, inclusiv România. 13 % din punctele de pe hartă sunt încadrate în clasa 3 (vânt de 6.9-7.5 m/s) și doar-câteva au fost încadrate în clase mai mari. România se află în zona de resurse de până la 5.9 m/s, ca majoritatea celorlalte zone, însă cu un potențial suficient de important pentru a susține o politică de promovare a sistemelor eoliene.

Privind energia eoliană a României, s-au identificat cinci zone eoliene, în funcție de condițiile de mediu și topo-geografice, luând în considerare nivelul potențialului energetic al resurselor de acest tip la înălțimea medie de 50 metri și peste. 

România se încadrează într-un climat continental temperat, cu un potențial energetic ridicat, în special în zona litoralului și de coastă (climat blând), precum și în zonele alpine cu platouri și vârfuri montane (climat sever). Pe baza evaluării și interpretării datelor înregistrate rezultă că, în România, potențialul energetic eolian este cel mai favorabil pe litoralul [NUME_REDACTAT], în zonele montane și podișuri din Moldova sau Dobrogea.

În țara noastră, cea mai mare frecvență o au vânturile ce se înscriu în primele cinci grade ale scării Beaufort. Dar în condiții deosebite (deplasarea deasupra teritoriului aunor centre barice, trecerea unor fronturi atmosferice) se pot întâlni și vânturi a căror viteză se înscrie chiar pe treptele superioare ale scării Beaufort. Astfel, s-au întâlnit vitezemaxime ale vântului care au depășit 55 m/s în Moldova sau 40 m/s în Dobrogea (ianuarie1966). Pe culmile munților, viteza vântului poate depăși uneori 50 m/s (la Vf. Omu,viteza a depășit 60 m/s, adică 216 km/h).

Potențialul eolian al României este destul de mare, fiind apreciat la cca. 14.000 MW putere instalată, cea ce reprezintă un aport de energie electrică de aproape 23.000 GWh/an.

Se impune totuși o precizare în legătura cu puterea instalată și puterea medie furnizată, pe o anumită perioadă de funcționare, de către o centrală eoliană. Se știe că energia eoliană este intermitentă, cu o variație aleatoare, dependentă de mai mulți factori naturali. Datorită acestei intermitențe, o centrală eoliană furnizează în medie doar cca. 25% din puterea instalată, uneori, în zone favorabile, până la cca. 35%. Studiile efectuate în acest sens estimează că, o capacitate eoliană convențională instalată de 1.000 MW, furnizează o putere medie continuă de doar cca. 333 MW. Aceasta este motivul pentru care se recomandă producerea energiei electrice pe baza unor surse combinate. Astfel, centralele eoliene pot funcționa mai eficent, în cuplaj cu centrale solare sau centrale hidroelectrice, permițând realizarea unor curbe de generare mai aplatizate și asigurând alimentarea sigură a consumatorilor. În largul mărilor și la înălțimi, unde vânturile sunt mai puterniceși mai constante, centralele eoliene pot produce până la 90% din puterea instalată. Deși la început au fost ridicate o serie de bariere în calea răspândirii centralelor eoliene, privind impactul acestora cu mediul natural, la ora actuală se constată că practic nu există inconveniente majore, ele fiind acceptate ca fiind chiar “prietenoase”, cu impact minim asupra zonei de instalare. Principalele caracteristici ale zonelor cu mai multe centrale eoliene, numite ferme sau parcuri eoliene, sunt următoarele:

• aria necesară pentru producerea unui număr de kWh este cea mai mică față de alte surse de energie;

• în cca. trei luni de zile după punerea în funcțiune generează o cantitate de energie care recuperează energia consumată pentru instalare;

• durata de funcționare garantată de 20 – 25 de ani;

• emisia de gaze cu efect de seră în timpul instalării este nesemnificativă;

• în timpul funcționării nu există emisii de gaze cu efect de seră;

• centralele eoliene moderne sunt silențioase și de turație redusă astfel încât nu provoacă poluare și nu constituie un pericol pentru păsări.

În vederea amenajării unei zone pentru producerea de energie electrică, din energie eoliană, se cer cunoscute sau identificate caracteristicile eoliene ale zonei respective. Identificarea caracteristicilor se face pe baza unor măsurători meteorologice, iar în prezent chiar pe baza unor hărți speciale, întocmite cu ajutorul unor sateliți programați în acest sens. Principalele caracteristici care trebuie cunoscute se referă la viteza vântului (cu un caracter de variație aleator), direcția vântului (o direcție dominantă sau variabilă),  puterea teoretică conținută în masa de aer în mișcare (dependentă, de asemenea, de o serie de factori ca densitatea aerului, prezența obstacolelor etc.).

Capitolul II – Construirea unui generator eolian

1. Dispozitive moderne de captare a energiei eoliene

Așa cum s-a analizat anterior, natura îi oferă omului varii posibilități sau alternative de a folosi electricitate fără poluare și cu un cost mai redus. Singura problemă este cum poate omul să reușească să beneficieze de aceste daruri făcute de natură.

În această secțiune vom încerca să explicăm modalitatea prin care energia vântului poate fi captată, dar și să prezentăm noile dispozitive de captare a acesteia.

În cadrul centralelor eoliene are loc transformarea / conversia energiei eoliene, ca energie primară, datorată vântului, deci mișcării orizontale sau aproape orizontale a maselor de aer, în altă formă deenergie: energie mecanică, energie electrică, energie termică etc., în funcție de necesitățile locului de utilizare.

Procesul de transformare a energiei eoliene în altă formă de energie are loc prin intermediul unui captator eolian (numit și turbină eoliană sau rotor), care se rotește într-un plan perpendicular pe direcția vântului sau într-un plan paralel cu direcția vântului. Captatorul eolian este compus dintr-un sistem de palete (sau elice), solidar legate de un ax, prin intermediul unui butuc, care, fiind pus în mișcare de rotație, de către masele de aer, dezvoltă o energie mecanică. Această energie mecanică se poate utiliza ca atare (antrenarea pompelor, morilor, ciocanelor etc.) sau poate fi convertită în altă formă de energie, prin utilizarea unor convertoare corespunzătoare.

În vederea obținerii energiei electrice, drept convertoare se folosesc generatoare electrice, de curent continuu sau decurent alternativ, cuplate cu captatorul, fie direct, fie prin intermediulunor transmisii cinematice corespunzătoare (cutii de viteze, eventual prevăzute și cu frâne). În vederea asigurării unei funcționări corecte, precum și în vederea asigurării calității energiei electrice livrate, subansamblul captator-transmisia cinematică – generator, este echipat cu aparatura de supraveghere și de automatizare corespunzătoare. În prezent, cele mai răspândite și utilizate sunt centralele eoliene electrice, destinate transformării energiei cinetice a maselor de aer în mișcare în energie electrică. Sunt cunoscute și sub denumirea de aerogeneratoare (AEG).

O schiță lămuritoare, privind structura unui aerogenerator, cu principalele părți componente, este prezentată în figura următoare. Necesitatea și rolul elementelor componente din figura va fi lămurită în următoarele paragrafe. Pe plan mondial sunt răspândite două modalități de obținere aenergiei electrice: în unități individuale de capacitate mare sau mică și cu raportul randament / preț avantajos, respectiv în așa numitele  ferme/parcuri eoliene (wind farms), constituite din zeci, chiar sute de unități cu puteri mari sau medii și racordate la sistemele de distribuție a energiei electrice.

Fig. 1.1. Structura principială a unui aerogenerator: 1 – direcția vântului; 2+ 3 – rotorul, compus din butuc și elice; 3 – elice; 4 – axul de joasă turație; 5 – transmisia cinematică cu frâna; 6 – axul de turație ridicată; 7 – generatorul electric; 8 – nacela cu anemometru; 9 – unitate de control și comandă (în nacelă sau pe sol); 10 – turnul; 14 – odernve de orientare a elicelor, în jurul axelor proprii longitudinale; 15 – odernve de orientare a nacelei în direcția vântului, cu motor propriu de antrenare, pe baza informației furnizate de anemometru și ampenaj de vânt.

1.1. Captatoare (turbine) eolieneentului electric

De-a lungul secolelor de utilizare a energiei eoliene au fost imaginate și utilizate diverse modalități de captare a energiei cinetice conținute în masele de aer în mișcare. Avându-se în vedere principiul de transformare a energiei cinetice a masei de aer în energie mecanică, de rotație, de translație etc., se pot face diverse clasificări ale captatoarelor eoliene:

a) După criteriul cinematic, există două categorii de captatoare:

– captatori dinamici, care transformă energia cinetică a aerului într-o mișcare de rotație sau de translație; sunt captatoare cel mai larg utilizate;

– captatori odern, care realizează transformarea energiei cinetice a aerului în altă formă de energie, fără a genera mișcarea unor părți odernve; cu utilizări odern.

b) După criteriul forței motoare, care rezultă în urma interacțiunii masei de aer cu captatorul, se pot deosebi cele două odernve ale forței, ale căror acțiune individuală sau combinată generează mișcarea dorită:

-forța rezistentă (drag force), datorat impulsului odernv al masei de aer, transmis elicelor (palelor) în urma contactului elicea-masa de aer; sunt numite și captatoare cu rezistență aerodinamică;

– forța portantă (lift force), datorat diferenței de presiune pe cele două flancuri ale elicelor, creat pe seama unei diferențe de viteze ale masei de aer, care spală flancurile; numite și captatori cu portanță aerodinamică (similar cu aripile avioanelor);

– captatoare cu rezistență și portanță.

c) După criteriul mișcării realizate la ieșirea captatorului, se pot deosebi captatoare:

– cu mișcare de rotație;

– cu mișcare oscilantă;

d) După criteriul poziției axului captatorului, față de direcția vitezei vântului, se deosebesc:

– captatoare cu ax orizontal, având axul odernv cu direcția fluxului de aer;

– captatoare cu ax vertical, având axul perpendicular pe direcția fluxului de aer;

e) După criteriul unghiului de incidență al masei de aer pe suprafața captatorului în vederea generării forței motoare:

– captatoare cu unghi de incidență constant, la care unghiul format de vectorul viteză a vântului și suprafața palelor este constant; situația în care se dezvoltă cuplu motor pe toată durata rotației rotorului;

– captatoare cu unghi de incidență variabil, la care în urma modificării unghiului de incidență pot apare situații în care forța dezvoltată să devină forță de frânare; proprietatea este exploatată la reglarea vitezei și puterii turbinelor eoliene.

f) După numărul de odern se cunosc și se utilizează în odern:

– captatoare cu o singură paletă;

– captatoare cu două odern;

– captatoare cu trei odern și

– captatoare cu mai multe odern.

2. Generarea curentului electric

2.1. Producerea curentului electric

Câmpul electric imprimat

Experiența arată că starea electrocinetică a conductoarelor este produsă uneori de cauze de natură neelectromagnetică (de exemplu de o pilă galvanică). Efectul acestor cauze se echivalează cu efectul unui câmp electric ce ar determina aceeași stare electrocinetică. Acest câmp se numește câmp electric imprimat.

El este localizat fie în volumul fie pe suprafața de contact a corpurilor conductoare și se caracterizează local prin mărimea derivată vectorială numită intensitatea a câmpului electric imprimat-

este o mărime de material și caracterizează conductoarele neomogene din punct de vedere structural, termic, chimic și accelerate.

Proprietățile globale ale câmpului electric imprimat în raport cu o anumită curbă sunt exprimate de integrala de linie a vectorului în raport cu acea curbă, mărimea corespunzătoare numindu-se tensiune electromotoare imprimată:

(2.1)

Legea fluxului magnetic

Liniile de câmp magnetic (liniile vectorului inducției magnetice) sunt linii închise.

Această constatare conduce la formularea legii fluxului magnetic: ”În orice moment fluxul magnetic printr-o suprafață închisă este nul”:

(2.2)

Legea inducției electromagnetice

în urma experimentelor, se constată următoarea proprietate: Tensiunea electrică pe o curbă este egală cu viteza de scădere a fluxului magnetic pe orice suprafață S cu bordura , sensul pozitiv al fluxului magnetic prin S, fiind dat de regula burghiului față de sensul de parcurgere al curbei :

(2.3)

Utilizând relațiile de definire a tensiunii electrice (2.1) și a fluxului magnetic (2.2), relația (2.3) se mai scrie:

(2.3)

unde fiind intensitatea câmpului electric indus , iar – inducția câmpului magnetic inductor.

Relația (2.3) reprezintă expresia matematică a legii lui Faraday inducției electromagnetice.

Semnul ”-” exprimă regula lui Lenz : curentul indus prin fluxul magnetic căruia îi dă naștere, se opune variației fluxului magnetic inductor.

Variația fluxului magnetic inductor se poate datora fie variației locale a inducției magnetice, fie mișcării conturului străbătut de curent într-o direcție care intersectează linii de câmp magnetic.

Vom folosi cea de-a doua metodă de producere a inducției electromagnetice. Să considerăm un cadru metalic dreptunghiular în rotație uniformă în jurul axei de simetrie 00’ într-un câmp magnetic uniform perpendicular pe 00’ (Fig. 2.1). Fluxul inducției magnetice printr-o suprafață mărginită de cadru la un moment dat este

(2.4)

unde B este inducția magnetică , S – aria cadrului, ω – viteza unghiulară de rotație a cadrului , t – timpul, – unghiul inițial format normala la planul cadrului cu inducția magnetică.

Fig.2.1. Producerea fenomenului de inducție electromagnetică prin rotirea uniformă a unui cadru metalic într-un câmp magnetic uniform.

Substituind (2.4) în (2.3) , obținem :

e = -BS ω sin (ω t + ) (2.5)

Dacă circuitul electric este închis printr-un rezistor cu rezistența R, prin circuit trece un curent electric alternativ cu intensitatea:

i = – BSω sin ( ω t + ) = – sin ( ωt + ) (2.6)

R

unde Im = BSω (2.7)

R

este valoarea maximă a intensității curentului electric.

2.2. Generator axial cu magneți permanenți.

Pentru realizarea acestui proiect am ales construirea unui generator axial cu magneți permanenți. Datorita complexității generatorului, dar și a importanței deosebite pe care o are în ansamblul proiectului, atât principiul de funcționare cât și modalitatea de proiectare și construcție vor fi prezentate într-un capitol dedicat din această lucrare.

3. Axul de rotație al eolienei

3.1. Ax orizontal

Cele mai utilizate și mai odern turbine eoliene sunt cele cu ax orizontal. La acestea, fluxul de aer, care lovește palele rotorului, are o odernve paralelă cu axul de rotație al rotorului; similar cu turbinele hidraulice odern. Funcționarea lor se bazează pe apariția forței portante la cele două fețe ale paletelor rotorului. În vederea unei odernvev eficiente necesită odernvev de orientare a axului de rotație (a captatorului) după direcțiea vântului, odernve odernvev de modificare a pasului elicelor.

În cazul turbinelor eoliene de putere ode orientarea după direcția vântului se realizează cu ajutorul giruetei (a ampenajului) fixat de nacela, iar în cazul celora de putere mare un odern al direcției vântului comandă mecanismul de orientare acționat de un motor de putere corespunzătoare (deplasări unghiulare în jurul axului longitudinal al turnului de susținere).

În mod obișnuit, axul odern este cuplat cu un generator electric, prin intermediul unei transmisii cinematice, în vederea sporirii eficienței generatorului (prin creșterea vitezei unghiulare de rotire a generatorului).

Există două posibilități de amplasare a rotorului (captatorului) față de turn: în fața turnului (pe direcția vântului-upwind) sau în spatele turnului (downwind). În primul caz, rotorul primește direct vântul, fără efectul de umbrire de către turn. În schimb necesită odernve de orientare după direcția vântului, palele trebuie să fie mai rigide și amplasate la o anumită distanță față de turn (în vederea evitării posibilității de lovire a turnului,sub efectul unor vânturi puternice); existând și o ușoară odernv a turnului, datorită ricoșării vântului (necesită turnuri cu suprafețe netede și cu secțiune odernv). În cel de al doilea caz, rotorul se află în spatele turnului, primind deci un flux de aer mai fluctuant (chiar turbulent), datorită efectului de umbrire. Dacă nacela este odern proiectată, soluția nu necesită odernve suplimentar de orientare după vânt, deoarece aceasta este capabilă de a se autoorienta după direcția vântului în mod pasiv; acest avantaj trebuie exploatat cu atenție, deoarece există riscul ca nacela să efectueze deplasări unghiulare odernve, în același sens, provocând încurcarea cablurilor de legătură. Întreaga odernveve poate fi mai flexibilă, odernve paletele, deoarece chiar la vânturi puternice, nu apare pericolul de lovirea turnului de către pale. Marea majoritate a aerogeneratoarelor odern sunt construite cu rotorul în fața turnului. Nacela este astfel proiectată încât centrul său de greutate să cadă pe axul turnului.

Fig. 3.1.

Captatoarele cu ax orizontal prezintă următoarele avantaje:

• Palele turbinei în fața turnului, cu centrul de greutate al nacelei în axul turnului, reprezintă o construcție stabilă;

• Abilitatea captatorului, deci a nacelei, de a se orienta după direcția vântului, cu unghi de atac potrivit, permite colectarea energiei maxime a maselor de aer în mișcare;

• Abilitatea palelor de a se roti în jurul propriilor axe longitudinale minimizează posibilitățile de avariere a acestora și în plus permite o reglare fină a puterii absorbite;

• Acces la vânturi mai puternice, prin amplasarea turbinei la înălțimi corespunzătoare, cu ajutorul turnului; se știe că în zone cu vânturi propice, la fiecare 10 m, pe direcția verticală, viteza vântului crește cu cca. 20%, iar puterea de ieșire cu cca. 34%;

• Prin lungimea corespunzătoare ale turnurilor, chiar în cazul terenurilor inegale sau a amenajărilor în largul mărilor, turbinele pot fi amplasate la înălțimi optime;

• Pot fi amplasate în păduri, deasupra lizierei pădurii;

• Majoritate turbinelor cu ax orizontal sunt cu autopornire;

• Pot fi financiar avantajoase, de dimensiuni mari, deci cu producția de energie electrică importantă, fără a necesita nici un fel decombustibil.

Ca dezavantaje pot fi menționate următoarele:

• Funcționarea dificilă în apropierea solului unde se pot manifesta frecvent turbulențe; o funcționare sigură și eficientă se realizează în vânturi liniștite cu curgere laminară;

• Turnurile și palele lungi (de peste 55 m) crează dificultăți în transportul acestora; în consecință costul echipamentului de instalare poate crește până la chiar 20 % din costul total;

• Dificultăți de instalare la mare înălțime; sunt necesare macarale speciale și personal corespunzător calificat;

• Pot afecta instalațiile radar din vecinătate;

• Pot determina opoziția localnicilor, privind impactul asupra ariei vizuale;

• Turnurile din amenajările în largul mărilor (off shore) pot constitui o problemă pentru navigație; ca urmare se recomandă ca asemenea ferme eoliene să fie amplasate în mări cu mică adâncime;

• Turbulenbțele pot genera solicitări la oboseală cauzând defectarea structurilor respective.

3.2. Ax vertical

Turbinele eoliene cu axul vertical, seamănă cu turbinele de apă vechi, la care direcția fluxului de aer este perpendiculară pe direcția axului de rotație al captatorului (de exemplu figura de mai sus, punctele b și c). Funcționează pe baza cuplului creat de diferențele dintre forțele aerodinamice exercitate asupra bordului de atac și de fugă ale palelor, expuse pe rând vântului. Prezintă unele avantaje teoretice, cum ar fi: amplasarea generatorului și a cutiei de viteze pe sol, respectiv faptul că nu necesită mecanism de orientare după direcția vântului. În schimb, dezavantajele sunt mai importante: energia vîntului în vecinătatea solului este redusă, unele tipuri constructive nu pornesc singure (necesită un impuls mecanic de pornire – ușor realizabil în cazul conectării generatoarelor la o rețea de distribuție), cuplul este pulsator, necesită ancorarea lagărului superior, eficiența redusă.

Se cunosc diverse subtipuri constructive de turbine eoliene cu ax vertical (Darrieus, Savonius, Flettner, Vortex, cu pânză rotativă etc.).

Schița unei turbine, cu ax vertical, destul de cunoscută și cu oeficiență bună, este prezentată în figura de mai sus, punctul b; posedă două sau trei palete, având aproximativ forma literei C (cunoscută sub denumirea de turbina Darrieus -“eggbeater”).

Ca dezavantaje ale acestui tip se pot menționa: produce un cuplu pulsator și cuplul de pornire este foarte slab, necesitând surse exterioare de pornire. Există variante constructive cu unghi de atac (pitch) variabil, ceea ce permite reducerea pulsațiilor cuplului creat, realizarea de cupluri de pornire mai mari (posibilitatea autopornirii), funcționarea mai eficientă în vânturi turbulente etc.

O construcție recentă de turbină eoliană cu ax vertical și pânză rotativă se află în , la (figura următoare). Turbina are trei pânze, cu suprafețe variabile și cu pornirea la vânturi doar de 2 m/s, ceea ce permite producerea de energie electrică în regim aproape continuu, dar la puteri mai reduse.

O altă construcție întălnită este și turbina Savonius, în diverse forme de realizare. Principial, în loc de palete are niște cupe; funcționează atât pe baza diferenței de rezistență (drag force) cât și datorită impulsului creat de schimbarea direcției fluxului de aer. Ca urmare, crește cuplul de pornire și se aplatizează oscilațiile cuplului dezvoltat. Se cunosc și turbine eoliene cu ax vertical care funcționează pe baza efectului forței portante (lift force) ce se manifestă asupra unor pale din aluminiu, realizate prin procedeul de extrudare. Sunt prezentate sub denumirea de “windstar turbines” și în general posedă mai multe axe verticale, cu generatoare proprii de 50-75 de kW fiecare.

Avantajele utilizării captatoarelor cu ax vertical:

• Întreținere ușoară deoarece majoritatea elementelor componente se află la nivelul solului. Aripile sau palele rotorului sunt legate de un ax, prin intermediul unor brațe, axul respectiv sprijinindu-se pe două lagăre: unul inferior iar altul superior, ancorat corespunzător. Axul rotativ antrenează un generator, prin intermediul unei transmisii cinematice (aflate pe sol);

• Având pale verticale nu necesită dispozitiv de orientare ( yawmechanism –fig.2.4) după direcția vântului; se reduc costurile;

• Posedă un unghi mai mare de atac (pitch) al aripilor, aerodinamica imbunătățită în timp ce scade rezistența la presiuni joase și înalte;

• Pe vârfuri de deal, pe culmi și trecători, puterea vântului este mai mare în vecinătatea solului și în consecință turbinele eoliene cu axul vertical, amplasate în vecinătatea solului, pot produce energie mai multă decât cele cu ax orizontal, amplasate la înălțime;

• Structuri nu prea înalte pot fi realizate acolo unde legile zonei respective nu permit amplasarea unor construcții înalte;

• Transportarea și instalarea nu ridică probleme speciale, deci nici costuri mari;

•  Nu necesită amplasarea pe turnuri înalte costisitoare;

• În general au viteză periferică a palelor mai redusă și ca urmare sunt mai ușor de decuplat în vânturi puternice.

Ca dezavantaje se pot menționa:

• Cele mai multe aerogeneratoare cu ax vertical au o eficență doar de 50% față de cele cu ax orizontal, datorită forței rezistente suplimentare a palelor în rotație; procentul se mai poate îmbunătăți prin construcții speciale;

• Pot exista limitări serioase privind înălțimea și aria măturată de pale;

• În general se cer amplasate pe arii relativ plane;

• Cele mai multe tipuri posedă cupluri de pornire reduse;

• Cablurile de ancorare a lagărului superior pot provoca oscilații; toată greutatea construcției cade pe lagărul de jos; în rafale de vânt această încărcare crește considerabil. În vederea diminuării acestor efecte sunt necesare structuri de ancorare mai complicate și mai costisitoare.

În ultimii ani, se încearcă găsirea unui nou dispozitiv de captare a energiei eoliene, astfel, s-a studiat o soluție tehnologică nouă, bazată pe amplasarea turbinelor la mare înalțime, unde curenții sunt puternici și relativ constanți. Nici problema terenurilor nu se pune acolo așa cum se pune la sol. O astfel de turbină trebuie sa produca de 27 ori mai multa energie decât una obișnuită.

Studiile și experimentele efectuale până în prezent privesc două soluții: una din ele se bazează pe principiul "zmeului", respectiv un planșeu plutitor dirijat de la sol, iar cea de a doua are în vedere instalarea de turbine pe un balon gonflabil de tipul vechiului "zeppelin". Problemele complexe de ordin tehnologic pe care le implica acest nou concept de captare a energiei eoliene au determinat experții să apeleze la serviciile NASA, organizație de asemenea interesată în obținerea unei energii neconvenționale.
Potrivit NASA, există două dificultăți majore care trebuie rezolvate, pentru ca studiile și experimentele să poată evolua. Prima derivă din faptul că aerodinamica acestor instalații nu este, încă, suficient pusă la punct pentru a obține o funționare autonomă și eficientă. A doua problemă este legată de aparatura pretențioasă și scumpă care trebuie instalată pe o asemenea turbină, pentru a putea avea o bună monitorizare de la sol.
NASA s-a implicat activ în rezolvarea acestor probleme, ceea ce a creat optimism în rândurile specialiștilor. În luna martie 2012, s-a experimentat chiar o instalație, cu control digital. Prototipul realizat de NASA are la bază aerodinamică avionului Boeing-707, dar cu o anvergură a aripilor de numai trei metri. Urmează ca, în funcție de rezultate, să fie construit și prototipul definitiv, cu aceeași anvergură ca a avionului Boeing.
În prima etapă, prototipul de trei metri a fost experimentat la altitudini mici, rezultatele fiind satisfăcătoare. Este probabil ca, în curand, se va testa și la altitudinea optimă de lucru, apreciata a se situa la circa 600 metri. Testarea se face în spațiul rezervat al NASA, în [NUME_REDACTAT], Virginia, SUA.

Ceea ce încearcă să realizeze cercetătorii americani este un proiect îndrăzneț, care ar aduce numeroase beneficii în domeniul energiei ecologice, în special pe plan economic.

3.3. Alegerea tipului de ax potrivit pentru proiect

Analizând cele de mai sus am tras concluzia ca un sistem cu ax orizontal, deși mai dificil de construit are capacitatea de a avea o putere instalată mai mare. Pentru proiectul prezentat în această lucrarea, am ales un sistem eolian cu ax orizontal.

4. Turnul eolienei

Un turn este o componentă crucială a unui sistem eolian. Fără un turn, eoliana nu poate să ajungă să capteze vântul care o pune în mișcare. Cel mai important aspect la alegerea turnului potrivit, e înălțimea acestuia. Ca aspect general întâlnit pe tot globul, vântul are o viteză mai mare începând de la o înălțime de 15 metri deasupra solului, iar la 200 – 400 metri înălțime are viteză optimă și stabilă pe perioada unui an.

4.1. Clasificarea tipurilor de turnuri

La alegerea turnului, după cum ziceam, primul lucru important e înălțimea acestuia. Al doilea aspect de care trebuie ținut cont e tipul de turn folosit. Variantele sunt: ridicat prin înlinare, ancorat și de sine stătător.

Din motive de siguranță, dar și pentru o întreținere mai accesibilă, se pot folosi turnurile care sunt ridicate prin înclinare. Acest tip de turn e proiectat să poată să fie ridicat și coborât la fiecare lucrare care se efectuează la eoliană. Ridicarea și coborârea se poate face folosind o manivelă, macara sau o mașină.

Operația se realizează folosind un stâlp adițional pe post de punct de sprijin pentru a forma o pârghie. Stâlpul adițional are poziția la 90° față de turnul propriu zis. Astfel, când turnul e la pământ, stâlpul adițtional se află în poziție verticală, iar în timpul înălțării turnului, stălpul se înclină spre pământ (în direcția dinspre care se trage cablul care ridică turnul). Stâlpul adițional trebuie să aibe aproximativ 33% din înălțimea totală a turnului.

Turnul trebuie ancorat la baza lui în beton, dar trebuie să stea pe o articulație blocabilă care să îi permită să poată să fie ridicat sau coborât la nevoie. De asemenea, turnul trebuie prins cu 4 seturi cabluri. Fiecare set de cabluri poate conține un număr de 1 până la 5 cabluri care prind turnul la diferite înălțimi, asigurându-i poziția fixă. Fiecare set de cabluri se află ancorat în beton în colțurile descrise de un romb precum se vede în Fig. 4.1, care arată și amprenta mare pe pământ de care are nevoie un astfel de turn. Acesta este unul dintre marile dezavantaje ale acestui tip de turn. Fig. 4.2. prezintă turnul în poziție ridicată.

Fig. 4.1. Amprenta pe pământ Fig. 4.2. Turnul cu ridicare prin înclinare

a turnului cu ridicare prin înclinare

Turnul fix ancorat reprezintă alegerea mediană când vine vorba de turnuri. Are o amprentă pe pământ mai mică decât turnul cu ridicare prin înclinare, dar mai mare decât turnul fix, dar în acelați timp e mai sigur decât turnul fix și mai ușor de construit.

Turnul fix ancorat poate fi construit atât tubular cât și în zig-zag. Se ancorează în 3 sau 4 puncte pe sol, Fig. 4.3. și fiecare punct poate avea unul sau mai multe cabluri de susținere aflate la diferite înălțimi, Fig. 4.4. Se poate construi pe loc, segment după segment pe verticală.

Acest tip de turn e frecvent utilizat în diferite aplicații, de la stâlpi de curent, la relee de telefonie mobilă. Reprezintă de obicei o variantă de cost redus în construcție. Un alt avantaj e siguranța sporită dată de ancore. Acest tip de turn se poate urca (trebuie prevăzut cu o scara interioară sau exterioară, fiind posibil să se pună platforme la diferite înălțimi).

Fig. 4.3. Amprenta pe pământ Fig. 4.4. Turnul fix ancorat

a turnului fix ancorat

Turnul de sine stătător reprezintă cea mai elegantă formă de construire a unui turn, în special dacă acesta e tubular, cum se întălnește în marile parcuri de centrale eoliene. Pentru un astfel de turn, fie tubular, fie construit în zig zag, Fig. 4.6. e nevoie însă de mult beton și oțel, astfel costul unui astfel de turn crește mult peste costul unui turn ancorat.

[NUME_REDACTAT]. 4.5. e reprezentată amprenta pe sol a unui turn de sine stătător. Acest turn are cea mai mică amprentă, ceea ce îl face util atunci când se construiește în locuri mici sau cu relief variabil.

Fig. 4.5. Amprenta pe pământ Fig. 4.4. Turnul de sine stătător

a turnului de sine stătător

4.2. Construcția turnului pentru proiect

Pentru proiect am ales să construiesc un turn fix ancorat de o înălțime de 12 metri pe care va veni montată nacela cu generatorul eolian. Astfel, înălțimea finală va ajunge la 15 metri în cel mai înalt punct.

Turnul va fi ancorat în 3 puncte pe sol. Fiecare punct va conține 2 cabluri de ancorare, unul la 7 metri înălțime, iar al doilea la 12 metri, la baza nacelei. Turnul va fi construit în zig zag sub formă de piramidă cu 3 laturi ca în Fig. 4.4. de mai sus.

Turnul reprezintă un element foarte important din punct de vedere al siguranței construcției. Acesta trebuie proiectat și executat cu ajutorul unui inginer constructor. Responsabilitatea unei astfel de construcții este foarte mare, deoarece turnul trebuie să reziste la capriciile vremii și ale timpului. Turnul nu poate reprezenta un experiment, la fel cum pot reprezenta alte elemente ale generatorului eolian. De aceea el trebuie construit cu ajutorul unui inginer constructor care a studiat ani de zile și înțelege forțele la care e supus un asfel de turn.

De asemenea, pentru construcția turnului e nevoie de autorizație de construcție de la primăria pe raza căreia se ridică turnul.

5. Generatorul electric axial cu magneți permanenți

5.1. Magneți permanenți

Magnetul natural sau magnetitul este un magnet permanent natural. Prin permanent se înțelege faptul că materialul poate menține câmpul magnetic fără niciun ajutor extern. Proprietatea oricărui material de a realiza acest lucru se numește remanență.

Spre deosebire de sarcinile electrice, materialele magnetice posedă doi poli cu efecte opuse, denumite nord și sud după modul lor de orientare față de pământ. După cum a descoperit și Maricourt, este imposibilă separarea celor doi poli unul de altul prin secționarea magnetului în două: fiecare nouă bucată de material posedă propriul sau set de poli nord și sud.

[NUME_REDACTAT] a fost cel care a făcut observația conform căreia câmpul magnetic „invizibil” poate fi observant plasând un magnet sub o bucată de hârtie/lemn și presărând deasupra pilitură de fier.

Bucățile de fier se vor alinia de-a lungul câmpului magnetic, „desenându-i” practice forma. Rezultatul experimentului arată faptul că liniile de camp continuă neîntrerupte de la un pol al magnetului spre celălalt.

Precum este cazul oricărui tip de câmp (electric, magnetic, gravitațional), cantitatea totală, sau efectul câmpului, este desemnată prin noțiunea de flux, iar „împingerea” ce dă naștere fluxului în spațiu poartă numele de forță. Termenul de „tub” a fost folosit initial de [NUME_REDACTAT] pentru desemnarea a ceea ce acum sunt denumite linii de câmp, și anume, succesiunea fluxului magnetic în spațiu, sau mai bine spus, forma sa.

Din punct de vedere al proprietăților magnetice (natura permeabilității magnetice relative , la rândul ei dependență de structura de material) materialele se împart în:

Materiale diamagnetice și paramagnetice (materiale nemagnetice) – se caracterizează printr-o magnetizație slabă. Materialele diamagnetice se caracterizează printr-o valoare a lui ușor sub valoarea 1 și printr-o relație liniară între inducția magnetică și intensitatea câmpului magnetic ,

Unde , iar este o constantă universală numită permeabilitatea magnetică a vidului și are valoarea de

Materialele feromagnetice si ferimagnetice (materiale magnetice) – corpurile feromagnetice sunt neliniare și se caracterizează printr-o valoare ridicată pentru susceptivitatea lor magnetică și permeabilitatea relativă (de ordinul sutelor, miilor chiar zecilor sau sutelor de mii)

Materialele antiferomagnetice – pentru anumite intervale ale temperaturii sunt asemănătoare cu corpurile paramagnetice.

În grupa materialelor magnetice se includ îndeosebi materialele feromagnetice și ferimagnetice, sau mai nou caracterizate prin valori mari ale energiei magnetice înmagazinate.

Mai nou, au apărut magneții de tip neodim-fier-bor (NdFeB), cunoscut și sub numele de neodymium sau supermagneți este unul dintre magneții care contine un metal din categoria pamânturilor rare care depășește forța coercitivă și produsul energetic al oricarui magnet cunoscut pana acum. Din acest motiv, acest produs reprezintă generația nouă a magneților ce au la bază metale rare.

Magneții din neodim sunt foarte stabili. Sunt puțin sensibili la câmpurile magnetice externe, dar sunt predispuși la corodare și în cazul temperaturilor înalte își pot pierde magnetismul.

Avantajul net al magneților tip NdFeB este funcționarea sigură și caracteristici magnetice excelente raportate la o masă mai mică. Magneții neodim sunt protejați la suprafață cu zinc (Zn), nichel (Ni) sau rășini epoxidice. Acest tip de magnet trebuie protejat la suprafață, fiindcă în lipsa acestuia se corodeaza rapid.

În figura 5.1. se prezintă dependența dintre inducția magnetică B și intensitatea câmpului magnetic H prin curba de primă magnetizare OP și prin ciclul de histerezis PBrQHcP în cazul unui material feromagnetic.

Fig. 5.1. Curba de primă magnetizare și ciclul de histerezis în cazul

unui material feromagnetic.

Există un număr de proprietăți magnetice generale ale materialelor magnetice:

Inducția magnetică de saturație (maximă) – este valoarea pe care o ia inducția magnetică atunci când magnetizația corpului M ajunge la valoarea de saturație (Fig. 5.1.), =0,2…2,5 [T];

Inducția magnetică remanentă – este valoarea inducției magnetice care rămâne în corpul magnetizat în prealabil la saturație, după anularea câmpului magnetizat (Fig. 5.1.)

Câmpul coercitiv – este valoarea intensității câmpului magnetic pentru care inducția magnetică a unui corp magnetizat în prealabil se anulează (Fig 5.1.), =0,1[A/m]…30[MA/m];

Indicele de calitate – reprezintă valoarea maximă a produsului dintre inducția magnetică și intensitatea câmpului magnetic, fiind o măsură a energiei magnetice înmagazinată de corp în cursul procesului de magnetizare. Materialele caracterizate de valori mari pentru sunt utilizate la fabricarea magneților permanenți.

Pentru acest proiect folosim 24 bucăți de magneți permanenți ferite de strontiu (SrFe) dimensiunile 50x50x25mm.

Acești magneți au următoarele caracteristici:

= 410~430 mT

= 220~250 KA/m = 2.77~3.14 KOe

= 31.5~35.0 Kj/ = 4.0~4.4 MGOe

5.2. Generatorul electric axial cu magneți permanenți

Acest capitol prezintă metoda de construcție a unui generator cu magneți permanenți. Se poate numi și alternator, deoarece generează current alternativ. Însă nu produce tensiune specifică rețelei de electricitate. El generează tensiune mică, trifazată, care este apoi redresată pentru a încărca o baterie de 12 Volți.

Un astfel de generator se compune din: un șasiu de fier cu bolț central, un stator cu bobine, 2 rotoare cu magneți permanenți și un redresor, vezi Fig. 5.2.

Fig. 5.2. Componentele generatorului trifazic cu magneți permanenți

Alternatorul e format dintr-un stator aflat între două discuri cu magneți permanenți care formează rotorul. Acesta se învârte odata cu palele, fiind poziționate pe același butuc. Magneții de pe cele două discuri sunt astfel puși încat să fie cu polii opuși unul în fața celuilalt. Astfel, fluxul magnetic puternic trece între cele doua rotoare prin bobinele din stator. Mișcarea respectivă face ca fluxul în bobine să varieze, producându-se curent electric altenativ în bobine, Fig. 5.3.

Fig. 5.3. Fluxul magnetic între cele două rotoare

(statorul cu bobine se afla între cele două rotoare, dar nu e reprezentat)

Orice schimbare în fluxul magnetic care trece printr-o bobină va produce o diferență de potential. Sunt trei factori care determină voltajul produs de bobină: viteza de rotație, fluxul și numărul spirelor din bobină.

Fluxul e dat de cei 2 magneți care se afla de o parte și de alta a statorului împreună cu discurile de fier pe care sunt fiecare asezați. Fluxul magnetic e mai mare cu cât distanța e mai mica între cei doi magneți. Dar în distanța respectivă trebuie așezat statorul, deci nu se poate micșora foarte mult această distanță. Se poate lăsa aproximativ cate un milimentru de o parte și de cealalta a statorului, pentru ca sa nu se atingă magneții de stator în timpul funcționării. După montarea generatorului, fluxul nu mai poate fi modificat.

Numarul de spire din bobină e un alt element care influențează diferența de potențial la bornele bobinei. Astfel, cu cât sunt mai multe spire care trec prin câmpul magnetic cu atât va fi mai mare curentul prin bobină. Dar, spațiul dintre magneți (spațiu care trebuie să fie cât mai mic pentru a asigura un flux magnetic puternic) e limitat, astfel se folosesc mai multe bobine înseriate în acelați stator. De asemenea, ca ți fluxul, odată ce s-au montat bobinele în stator nu se mai poate modifica acest factor.

Singurul factor care ramane variabil în crearea curentului prin bobine rămâne viteza de rotație a rotorului (și în același timp a palelor de care rotorul e prins). Atâta vreme cât rotorul se învarte, în bobinele statorului se va produce curent. Problema e că acest curent poate să fie atât de mic, încât (dupa rectificare) nu atinge nivelul de 12V pentru a putea încărca bateria. Astfel, rotația eolianei la o viteză mai mica decât viteza la care generatorul produce 12V e inutilă, deoarece nu produce curent electric care să încarce bateria. Dar nici odată ce aceasta viteză e atinsă sau depașită generatorul nu produce putere mare care să încarce bateria, deoarece intensitatea curentului e foarte mică. Doar la viteze mai mari se poate atinge un nivel de putere satisfăcător și care să corespundă cu puterea nominală la care e proiectată eoliana.

5.3. Bobinajul generatorului și redresorul

Când generatorul e conectat la un circuit (inclusiv bateria pe care o încarcă), curentul produs de el actionează în bobină ca un cuplu, opunându-se mișcării de rotație a palelor. O parte din energia mecanică (dată de rotația palelor) se pierde în procesul de transformare în energie electrică. Această pierdere se reflectă prin caldura degajată în corpul statorului. Cum rezistența crește odată cu temperatura și rezistența firelor bobinelor va crește la încalzirea statorului ducând până la urmă la o supraîncălzire a acestuia și la topirea firelor. Acest lucru se poate întampla la vânturi puternice. De aceea eoliana trebuie să vină cu un sistem de protecție la vânturi prea mari. Despre aceasta se va discuta în Capitolul 7.

După cum am precizat mai sus, se vor folosi mai multe bobine legate în serie pentru a folosi cât mai util spațiul limitat din stator. Există posibilitatea să se conceapă statorul și sistemul care rectifică curentul și apoi încarcă bateria astfel încât să poată sa fie fiecare bobină legată individual, sau în paralel. Dar am ales sistemul bobinelor legate în serie pentru că vreau să profit de aspectul ce urmează a fi detaliat.

Pentru trei bobine puse în paralel, tensiunea totală e aceeași ca și tensiunea pe fiecare dintre bobine, dar curentul va fi triplu. Tensiunea va avea o formă alternativ – sinusoidală (dar care nu poate fi folosită direct în rețea deoarece frecvența e variabilă odată cu viteza de rotație a palelor). Această tensiune poate fi rectificată la o tensiune continuă cu un redresor monofazat, monoalternață.

Acest ansamblu nu e suficient pentru a construi un sistem eficient care să încarce bateria, deoarece tensiunea va fi 0V, pe semialternanța negativă a tensiunii alternative, iar pe semialternanța pozitivă tensiunea va urca de la 0V la maxim după care va coborâ la 0V, neputând să țină o tensiune constantă de 12V necesară încărcării bateriei.

Ansamblu poate fi însă triplat, construindu-se un sistem trifazic. Astfel, fiecare fază având redresorul sau, la bornele de ieșire ale redresoarelor (legate în serie) va fi prezentă o tensiune qvasiconstantă aproapiată de tensiunea maximă, tensiune care (considerând că viteza de rotație a eolianei e suficientă) va putea încărca bateria. Cele trei grupări de bobine vor fi conectate în stea, apoi pentru transformarea in curent continuu vor fi conectate la un redresor trifazat în punte, Fig. 5.4.

Fig. 5.4. Redresorul trifazat în punte și forma de undă a tensiunii la ieșire

5.4. Construirea statorului generatorului

6. Elicea turbinei eoliene

6.1. Palele (elicele)

După cum s-a precizat mai sus, captatorul eolian (numit și rotor), este compus dintr-un sistem de pale (elice), încastrate într-un butuc, care se poate roti în jurul unui ax propriu. Se poate pune întrebarea: care este fenomenul care pune în mișcare rotorul?

Elicele rotoarelor turbinelor eoliene moderne împrumută destul de mult de la tehnicile de realizare a aripilor avioanelor, elicelor turbinelor cu gaz sau elicopterelor, dar prezintă și particulăți esențiale față de acestea. Au fost observate două fenomene importante care sunt luate în considerație atât la proiectarea aparatelor de zbor cât și în timpul zborurilor efectuate de acestea. Aceste fenomene, așa cum se va arăta, sunt luate în considerare atât la proiectarea și realizarea captatoarelor eoliene cât și pe durata funcționării acestora, în vederea unei siguranțe sporite în timpul funcționării și a unei exploatări eficiente. În vederea explicării acestor fenomene, în Fig. 6.1, se prezintă secțiunea transversală a elicei unui generator eolian.

Fig. 6.1. Secțiunea transversală a unei elice, vântul și forțele care acționează

Turbinele eoliene cu acest tip de elice au avantajul că elicea prinde viteză mai mare decât viteza vântului. Pentru construirea eolianei se vor proiecta și construi palele astfel încât rata vitezei vârfului palelor să fie de 7 ori mai mare decât viteza vântului. Acest tip de elice e bazat într-o mare măsură pe principiul de funcționare al aripei unui avion, cunoscut sub denumirea de NACA 4412.

6.2. Numărul de pale

Primele turbine eoliene realizate au avut mai multe pale, cu suprafața totală mare. La scara redusă, asemenea turbine mai sunt utilizate în domeniul pompelor eoliene și a unor mori eoliene, având o eficiență aerodinamică redusă. În schimb, suprafața mare a paletelor asigură cupluri mari de pornire, chiar la vânturi slabe, capabile să pună în mișcare rotorul.

Întrucât, probabilitatea de apariție a unor vânturi slabe este mai mare decât a celora puternice, rezultă o funcționare aproape continuu, pe durata unui an, a unor asemenea construcții. În acest fel, devin foarte eficiente pentru gospodării izolate, rezolvând adesea atât problema apei necesare cât și a energiei electrice necesare.

În general, numărul de pale rotorice este o opțiune deschisă, urmând ca adaptarea să se facă după o serie de cerințe cum ar fi stabilitatea structurii, greutatea, eficiența aerodinamică, zgomote generate, costul etc.

Practica exploatării centralelor eoliene arată că aceea concepție potrivit căreia dublarea numărului de palete conduce la dublarea puterii furnizate de turbine, este greșită. Mai mult, este posibil ca puterea furnizată să scadă simțitor. La proiectarea unei turbine eoliene se pornește, obișnuit, de la viteza de rotație sau a gamei vitezelor de rotație acceptabile, după care se adoptă aria totală a palelor, în raport cu aria “măturată” de palele în rotație (o proporție fixată din aceasta din urmă; fiind invers proporțională cu viteza adoptată), în vederea realizării unei eficiențe maxime. Având aria totală adoptată, se determină numărul, forma și dimensiunile palelor.

Turbinele moderne, actuale, sunt proiectate și realizate cu un număr impar de pale ale rotorului, în scopul realizării unui subansamblu stabil și operațional, pentru condițiile de funcționare particulare ale locului concret de utilizare. Calculele și încercările experimentale, mai vechi sau chiar recente, arată că rotoarele cu un număr impar de pale (cel puțin trei) posedă o dinamică apropiată cu al unui disc, o dinamică stabilă, ceea ce cumpănește în dinamica întregului sistem. Problemele de instabilitate ale rotoarelor cu un număr par de palete se datoresc faptului că palele care se află, chiar în același moment, unul în cel mai înalt punct, după direcția verticalei care trece prin centrul de rotație al axului elicei (al butucului), iar celălalt în dreptul turnului, sunt supuse unor forțe mult diferite. Anume, pala superioară primește forța maximă, iar pala inferioară este supusă unei forțe sensibil diminuate, atât datorită diferenței de nivel, la care se află cele două pale, cât și datorită efectului de reacție al turnului la vânt.

Prima turbină eoliană cu trei palete, cu un impact puternic asupra evoluției și dezvoltării acestora, a fost proiectată și construită în Danemarca, între anii 1956- 1957, fiind cunoscută sub denumirea de turbina Gedser. Rotorul turbinei a fost cuplat cu un generator asincron de 200 kW și a fost prevăzut cu un mecanism de menținere a turbinei (nacelei) pe direcția vântului, cu ajutorul unui motor electric ( yaw mechanism). Această turbină a stat la baza proiectării și realizării turbinelor moderne cu trei palete, după ce în 1975, NASA a cerut modernizarea acestor turbine în vederea utilizării lor în SUA.

Mai sunt folosite construcții, ceva mai vechi, cu una sau două pale rotorice, dar care, deși oferă avantaje teoretice privind reducerea costului și a greutății, prin reducerea numărului de pale, prezintă o serie de dezavantaje care elimină de pe piața concurențială, față de cele cu trei pale. În primul rând, în vederea realizării unei puteri echivalente cu puterea furnizată de o turbină cu trei pale, se cer realizate turații superioare, și sunt generatoare de zgomote mai supărătoare. Apoi se cer luate în evidență problemele de instabilitate ale unor asemenea structuri, menționate mai sus. De subliniat că, la turbinele cu o singură pală, se impune utilizarea unei contragreutăți, pe un braț opus palei, în scopul unei echilibrări statice și dinamice mai bune.

Palele turbinelor eoliene funcționează în condiții dificile, cu variații aleatorii ale vitezei, puterii și direcției vântului precum și în condiții climaterice variabile (soare puternic, ploaie, zăpadă, geruri etc.).Ca urmare, ele sunt supuse la solicitări complexe de încovoiere, întindere, răsucire și, nu în ultimul rând, la solicitări de oboseală ale materialului din care sunt confecționate. În consecință, la realizarea palelor turbinelor moderne se folosesc, ca materiale, fibre de sticlă sau fibre de carbon armate în rășini epoxidice sau poliesterice; la unele construcții, pentru realizarea structurii de rezistență, se folosește chiar lemnul impregnat cu rășini și îmbrăcat cu fibre de sticlă armată în rășini. Nu se folosesc metale, deoarece rezistența la oboseală a acestora este redusă și în plus au o greutate specifică mai mare.

În vederea limitării efectelor vânturilor extreme, constructorii de turbine eoliene au adoptat soluția cu elice lungi, subțiri și în număr redus. Mai mult, în vederea protejării rotoarelor, respectiv în vederea reglării puterii preluate de turbină de la fluxul de aer în mișcare (vezi 2.5), palele acestora, ancorate într-un butuc (vezi fig.2.4), au o secțiune variabilă (profilată), de-a lungul lungimii palei. Anume, în vecinătatea butucului secțiunea este mare, aproape circulară, iar îngustarea secțiunii este accentuată. Spre extremități, suprafața secțiunii scade, iar îngustarea secțiunii este mai puțin pronunțată (ca în fig.2.4).

Ca urmare, fenomenul de blocare (stall) pornește de la baza elicelor, unde secțiune aripei se îngustează mai repede decât fluxul de aer, care trece pe lângă suprafața elicei. Datorită formei profilate, ca mai sus, la vânturi puternice, în vecinătatea butucului, fenomenele de vortex în spatele elicei vor fi mai puternice, deoarece fluxul de aer se desprinde mai puternic de suprafața paletelor, rezultând un efect de frânare benefic, atât pentru reglarea puterii aerogeneratoarelor, cât și pentru protejarea mecanică a captatoarelor. Mai mult, pentru a asigura unghiuri de atac constante, pe toată lungimea palelor, acestea sunt ușor răsucite, de la bază spre extremitate (o formă ușor elicoidală). La unele construcții palele pot efectua deplasări unghiulare controlate, în zonele de încastrare în butuc (14 din fig.2.4), cu ajutorul unui mecanism specializat (pitch mechanism), în jurul axelor longitudinale (se modifică pasul elicei), în vederea asigurării unui unghi de atac convenabil, de-a lungul palelor, indiferent de viteza vântului (se acționează asupra forței portante). Suprafețele elicelor, expuse vântului, sunt netede și foarte bine lustruite.

În cazul turbinelor eoliene moderne, lungimea palelor acestora sunt considerabile (cu lungimi de până la zeci de metri: 60 – 80 m); ca urmare transportul acestora de la local de fabricare și până la locul demontare, poate constitui o problemă, atât financiară cât și tehnică.

6.3. Construirea palelor

Palele pentru eoliană vor fi construite din lemn. Acesta se alege astfel încât să aibe o textură cât mai lipsită de proeminențe (noduri, cioturi), iar liniile naturale ale lemnului să fie cât mai drepte. Aceste linii de creștere ale lemnului sunt cele care oferă atât rezistență cât și flexibilitate.

Baza palei, cea care se află în apropierea centrului rotorului, se mișcă cu o viteză mai mică și nu are atât de mult vânt de precesat în comparație cu vârful palei. Baza palei va trebui proiectată ținându-se cont mai mult de problemele practice cum ar fi dimensiunea lemnului cu care se lucrează și metoda aleasă de a prinde pala de rotor, decât de forma aerodinamică.

Forma palei va fi definită prin niște stații aflate pe lungimea palei. La fiecare stație pala are o lățime, un unghi și o grosime. Când se construiește pala dintr-o bucată paralelipipedică de lemn, aceasta trebuie să fie drept. Prin măsurarea corectă a coborârii nivelului (dimensiunea dintre marginea lemnului și coada palei) se pot controla lățimea palei și unghiul acesteia. Fig. 6.2.

Fig. 6.2. Stațiile palei și forma și dimensiunile palei la una dintre stații

Pala e mai groasă la baza cercului pe care îl va descrie în mișcarea de rotație a rotorului și se va îngusta tot mai mult spre marginea acestui cerc, Fig. 6.3.

Fig. 6.3. Forma palei

Pala se va construi la dimensiunea de 1800mm, adică diametrul eolianei va avea 3600mm. Dimensiunile paralelipipedului de lemn din care se va construi pala va avea lungimea de 1800mm, lățimea de 240mm și grosimea de 50mm.

Primul pas în construirea palelor reprezintă marcarea stațiilor și tăierea pe lățime a bucății de lemn folosite. Cele 6 stații pe lungimea palei se consideră la următoarele lungimi de la bază și lemnul se taie la lățimile specificate, conform următorului tabel și a Fig. 6.4.

Fig. 6.4. Se marchează stațiile și se taie lemnul pe lățime la formă îngustată

Baza palei se taie la 120° pentru a permite potrivirea a 3 astfel de pale pe rotor.

Pasul al doilea a construcției palelor reprezintă tăierea coborârii, dimensiune care va da unghiul palei. Coborârea este reprezentată în Fig 6.2 de mai sus.

Partea palei care se află în fața vântului e dreaptă la fel ca partea inferioară a palelor elicei unui avion, dar se afla la un unghi. Acest unghi e mai mare spre baza și e minim la cealaltă extremitate. Unghiul trebuie să difere de-a lungul palei deoarece și rata dintre viteza vântului față de viteza palei diferă de la o parte a palei la cealaltă (la bază viteza de rotație e mai mică). [NUME_REDACTAT]. 6.3. e reprezentată o pală cu secțiunile transversale la nivelul fiecărei stații; din această figură se poate observa diferența de unghi.

În tabelul de mai jos sunt reprezentate dimensiuile coborârii în raport cu cele 6 stații ale palei.

Fig. 6.5. Tăierea coborârii palei

După marcharea coborârii pe lemn, se trece la tăiere, Fig. 6.5. Această tăiere se face astfel încât pe lățimea palei se taie de la marcajul de coborâre (în dreapta pe figură) în linie dreaptă până la vârful palei (marginea în direcția căreia se va mișca pala în rotație, partea stângă pe figură), din care nu se va îndepărta nimic prin tăiere.

Rezultatul acestei tăieri trebuie să fie identic cu cel reprezentat în Fig. 6.6. Se va măsura corectitudinea tăierii, aceasta fiind critică în forma aerodinamică a palei.

Fig. 6.6. Verificarea unghiului palei pe toată lungimea

Pasul al treilea în construcția palei de lemn reprezintă tăierea grosimii palei, pe toată lungimea acesteia. Grosimea palei este reprezentată și în Fig. 6.2. de mai sus. Pala e mai groasă la bază și foarte subțire la cealaltă extremitate. În tabelul următor se prezintă grosimea la care trebuie tăiată pala la cele 6 stații.

Fig. 6.7. Tăierea palei la grosime

[NUME_REDACTAT]. 6.7. se prezintă tăierea palei la grosime. Această tăiere trebuie să fie paralelă cu tăierea la coborâre care s-a făcut la pasul anterior.

Pasul al patrulea al construcției palei e pregătirea părții din spate a palei. Această parte e importantă deoarece în spatele palei se formează o zonă de turbulențe care poate chiar să împiedice elicea să se rotească în vânt dacă nu e construită corect, Fig. 6.8.

Fig. 6.8. Zonă de turbulențe în spatele elicei

Pala e aproape finalizată în acest moment. Dimensiunile precum lățimea palei, unghiul și grosimea sunt realizate, mai trebuie finalizată partea din spate a palei.

În acest moment, grosimea palei e uniformă pe toată secțiunea transversală a palei. Trebuie îndepărtate colțurile din partea din spate a palei pentru a creea forma finală a acesteia. Se împarte lățimea palei la 30% față de vârful acesteia. În acest loc, grosimea va rămâne neschimbată (cum a fost tăiată la punctul precedent). În partea spre vârful palei se rotunjește până la limita de 30%, cum s-a precizat mai sus, unde se păstrează grosimea neschimbată. În partea spre coada palei, se taie mai drept, rotunjirea fiind mai puțin proeminentă (deoarece se face pe 70% din lățimea palei), Fig. 6.9.

Fig. 6.9. Finalizarea părții din spate a palei

După finalizarea palelor acestea se montează cu ajutorul unor discuri de susținere pe rotor. Trebuie verificată să fie exactă distanța dintre extremitățile celor 3 pale, aceste distanțe trebuie să formeze un triunghi echilateral, Fig. 6.10.

Fig. 6.10. Montarea palelor cu ajutorul a două discuri de susținere

7. Nacela

7.1. Mecanismul de întoarcere în vânt

7.2. Coada turbinei eoliene

7.3. Mecanismul de evitare a vânturilor puternice

7.4. Construirea nacelei

8. Unitatea de control al curentului electric

8.1. Legarea bobinelor și curentul electric produs de generator

8.2. Redresarea curentului electric

8.3. [NUME_REDACTAT] să avem curent de la o instalație eoliană, atât stabil cât și atunci când vântul nu bate trebuie să montăm baterii unde curentul va fi stocat.

8.4. Inversorul și legarea la rețeaua națională

Scopul inițial al invertoarelor a fost obținerea, dintr-o baterie sau o sursă de tensiune continuă (de 12, 24 sau chiar 48 V) a unei tensiuni alternative, de regulă de 230 V și 50 Hz care se poate folosi la aparatele uzuale.

Un invertor normal nu se poate conecta direct la rețeaua de curent electric. Pentru aceasta e nevoie de un invertor care prima data identifică și măsoară tensiunea și frecvența din rețea pentru ca tensiunea pe care o dă să corespundă cu cea din rețea. Acesta se numește invertor de rețea. E mai scump decat un invertor normal, dar nu numai ca permite legarea la rețea dar vine și cu o pretecție suplimentară, de exemplu, invertorul nu va da tensiune în momentul în care este oprit curentul pentru a se efectua o reparație, nefiind pusă în pericol viața celui care face reparația.

Capitolul III – Concluzii și îmbunătățiri viitoare ale proiectului