Energie Eoliana Utilizata la Alimentarea Unei Case Pasive

Politehnica

Energie Eoliana Utilizata la Alimentarea Unei Case Pasive

Byadmin ianuarie 1, 2024

Energie eoliană utilizată la alimentarea unei case pasive

CUPRINS

1 INTRODUCERE

1.1 CONCEPTUL DE CASĂ PASIVĂ ȘI TRENDUL EUROPEAN

1.2 SCOPUL LUCRĂRII

1.3 NECESITATEA LUCRĂRII

1.4 ACTUALITATEA ÎN DOMENIU

1.5 STRUCTURA LUCRĂRII DE GRAD

2 STADIUL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL TEMATICII PROPUSE

2.1 NOȚIUNI GENERALE DESPRE CASA PASIVĂ

2.1.1 Caracteristicile caselor pasive

2.1.2 Consumul de energie pentru o locuință cu consum energetic redus

2.1.3 Ventilația locuinței cu consum energetic redus

2.1.4 Sistem de încălzire și producere apă caldă menajeră (a.c.m.)

2.2 SISTEMUL DE CLIMATIZARE DE TIP “PUȚ CANADIAN”

2.2.1 Descrierea sistemului

2.2.2 Proprietățile termice ale pământului

2.2.3 Amplasarea conductelor de aer în cazul sistemului de tip “PUȚ CANADIAN”

2.3 SITUAȚIA PE PLAN INTERNAȚIONAL ÎN DOMENIUL CASELOR PASIVE

2.4 ANALIZA CRITICĂ A STADIULUI ACTUAL

2.4.1 Comparație între casa standard și casa pasivă – costuri de producție

2.4.2 Comparație între casa standard și casa pasivă – necesar de căldură

2.5 ENERGIEA REGENERABILĂ LA NIVEL GLOBAL – PREZENT ȘI VIITOR

2.6 EXPERIENȚA ȚĂRILOR EUROPENE ÎN PROMOVAREA ȘI UTILIZAREA SRE

2.7 OBIECTIVELE CERCETĂRII

2.8 CONCLUZII PARȚIALE

3 ENERGIA EOLIANĂ. SISTEME DE OBȚINERE

3.1 VÂNTUL CA SURSĂ DE ENERGIE

3.2 SISTEME INTEGRATE DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE

3.3 EVOLUȚIA DEZVOLTĂRII TEHNOLOGIILOR EOLIENE

3.3.1 Tipuri constructive de turbine eoliene

4 ANEXE

TERMINOLOGIE

LISTA PRINCIPALELOR ABREVIERI UTILIZATE ÎN LUCRARE

LISTA PRINCIPALELOR SIMBOLURI UTILIZATE ÎN LUCRARE

INTRODUCERE

CONCEPTUL DE CASĂ PASIVĂ ȘI TRENDUL EUROPEAN

O casă pasivă este o locuință fără sistem de încălzire, energia termică fiind furnizată de către un sistemul de ventilație din locuință. O casă pasivă standard conține o anvelopă exterioară foarte bine izolată termic, ferestre cu tâmplărie din lemn stratificat termoizolat și un sistem de ventilație integrat care elimină aerul viciat din clădire și îl trece printr-un schimbător de căldură ce recuperează o parte a energiei termice transfeâand-o către aerul proaspat ce intră de afară în locuință.

O casă pasivă poate fi construită oriunde în lume deoarece conceptul este foarte simplu dar, în același timp este și inteligent. Conform statisticilor Passivhaus Institut din Germania există câteva mii de case pasive construite în Europa, în mod special în Germania (peste 3500), Austria (peste 1000), Elveția și Suedia.

Există o tendință de dezvoltare rapidă a caselor pasive și în alte țări europene datorită faptului că guvernele acestora oferă recompense serioase celor ce construiesc energetic inteligent, dar mai ales pentru faptul că aceste locuințe sunt deosebit de sănătoase și ecologice.

Uniunea Europeană a elaborat câteva directive, printre care și „The Energy Performance Directive” la care fiecare membru trebuie să adere, deci și Spania. În aceste directive sunt prevăzute obligații pentru o mai bună termoizolare a clădirilor vechi și noi, iar tendința constructorilor este de a adopta tehnologii noi și construirea de case pasive în locul construcțiilor clasice.

Guvernul spaniol a trebuit să se conformeze trendului și legislației europene, astfel încât acesta acordă subvenții pentru energii regenerabile.

În concluzie, a construi o casă pasivă acum este mai mult decat un vis, este o realitate socială de care poate avea parte fiecare cetățean al Europei.

SCOPUL LUCRĂRII

În lucrarea de față se prezintă conceptul de casă pasivă, cu ceea ce implică acest concept, punându-se accent pe consumul de energie redus. Având în vedere consumul energetic, lucrarea de față are drept scop analiza și prezentarea sistemelor de alimentare cu energie electrică obținută din energie eoliană, pe lângă sistemele de climatizare caracteristice caselor pasive.

NECESITATEA LUCRĂRII

Energia este un element esențial pentru funcționarea economiei oricărei țări. Perioada în care Europa beneficia de resurse energetice (RE) sigure și ieftine a luat sfârșit, iar toți membrii UE se confruntă cu provocările ridicate de schimbările climatice, de dependența din ce în ce mai mare de importurile de energie, precum și de prețurile tot mai ridicate ale energiei.

Sectorul energetic, în care este inclus consumul casnic și terțiar, generează 80% din emisiile de gaze cu efect de seră din UE, reprezentând principala cauză a schimbărilor climatice și, în mare măsură, a poluării atmosferice. UE s-a angajat să găsească soluții de atenuare a schimbărilor climatice, în special prin reducerea volumului global al emisiilor de gaze cu efect de seră, atât în cadrul Uniunii cât și pe plan mondial, până la un nivel care să limiteze încălzirea globală la valori doar sensibil superioare celor din era preindustrială.

Studiile și analizele efectuate, apreciază o creștere a nivelului emisiilor de CO2 până în 2030 cu 5% la nivelul UE și cu 55% la nivelul planetei, dacă se continuă politicile actuale în materie de energie și transport.

Documentele UE arată că în clădirile de locuit și în cele din sectorul terțiar, se consumă aproximativ 40% din energia totală și se menționează tendința de creștere a acestuia prin utilizarea de instalații de ventilare și climatizare.

Printre măsurile cheie stabilite în documentul „O politică energetică pentru Europa”, propus de Comisia UE în ianuarie 2007, se înscrie și „îmbunătățirea rapidă a randamentului energetic al clădirilor din UE și luarea unor inițiative astfel încât casele cu consum energetic extrem de redus să devină standardul clădirilor noi”.

Cercetările orientate în direcția identificării unor strategii și mijloace de rezolvare a problemelor energetice și, mai recent, a celor de mediu arată faptul că este pe deplin posibilă obținerea unei bune calități arhitecturale, a unui mediu interior agreabil, confortabil și sănătos și a unui consum de energie redus.

În acest context, preocupările arhitectilor și inginerilor pentru reducerea consumurilor energetice în clădiri au condus la o redescoperire a principiilor de control a mediului interior prin forma clădirilor, orientarea fațadei spre sud și evitarea zonelor umbrite, formă compactă și izolație termică performantă, ferestre eficiente din punct de vedere energetic, prezența unui sistem pentru evitarea infiltrării aerului, evitarea punților termice, improspătarea aerului prin ventilație și un sistem eficient de recuperarea căldurii, utilizarea unor surse regenerabile de energie pentru producerea curentului electric și prepararea apei calde, utilizarea de aparate electrocasnice cu consum energetic redus, utilizarea facultativă a încălzirii sau răcirii pasive a aerului proaspăt.

O concepție strict pasivă nu presupune nici o intervenție mecanică, dar această soluție nu este în general cea optimă, deoarece integrarea unor dispozitive mecanice și electrice este impusă chiar de funcționarea corectă a elementelor pasive. Arhitectura pasivă este deci un termen generic, utilizat pentru a defini un demers care are ca obiectiv reducerea consumurilor de energie primară pentru încălzirea, iluminatul și climatizarea unei cladiri.

Fig. 1.1. Eco-tehnologii integrate într-o clădire pasivă

ACTUALITATEA ÎN DOMENIU

În 1991 Wolfgang Feist și Bo Adamson au aplicat conceptul de .arhitectura pasivă la construcția unei case în Darmstat. Aceasta s-a dovedit foarte eficientă, atât din punct de vedere al consumului energetic, cât și din cel al confortului realizat la interior. Experiența s-a reluat patru ani mai târziu cu o altă clădire bazată pe aceleași concepte. Pornind de la rezultatele obținute, W. Feist a definit în 1995 conceptul de “Casă pasivă” (Passivhaus), care abordează trei aspecte esențiale:

limitarea drastică a consumurilor energetice pentru încălzire și climatizare;

realizarea unor exigențe sporite de calitate (confort termic);

definirea unei serii de sisteme pasive privilegiate.

Pe baza acestor principii au fost construite peste 10.000 de case pasive în Germania, Austria, Elveția, Belgia și în alte țări din Europa Centrală.

În acest moment efortul principal în ceea ce privește implementarea proiectelor de case pasive, se concentrează asupra îmbunătățirii tehnologiilor, pentru coborarea costurilor acestora.

Se dorește în special creșterea performanțelor echipamentelor și reducerea energiei consumate în funcționare, dar și alegerea judicioasă a proceselor, în funcție de condițiile geografice și obiceiurile viitorilor utilizatori.

STRUCTURA LUCRĂRII DE GRAD

SE COMPLETEAZĂ LA FINALUL LUCRĂRII

Lucrarea de disertație cuprinde …………………. pagini, ………………….figuri, ………ecuații.

Să expunem succint cele cinci capitole ale lucrării de grad:

În capitolul 1 – Introducere sunt prezentate succind atât scopul și necesitatea lucrării cât și actualitatea în domeniu.

În capitolul 2 – Stadiul cunoașterii în domeniul tematicii propuse sunt prezentate:

conceptul de “casă pasivă” sau “locuință cu consum de energie redus”;

sistemul de ventilare și climatizare “dublu flux”;

sistemul de tip “PUȚ CANADIAN”.

S-a definit conceptul de casă pasivă pentru a se înțelege necesitatea utilizării sistemelor de ventilare și climatizare, ecologice.

În capitolul 3 –

Capitolul 4 -:

În Capitolul 5 -.

Capitolul 6 -.

Bibliografia

se prezintă lista documentației studiate și introdusă parțial, în lucrarea de față.

Anexe

cuprinde.

CUVINTE-CHEIE

casă pasivă;

puț canadian;

ventilare și climatizare cu consum redus de energie;

ventilare mecanică controlată dublu flux;

eco-tehnologii;

aer curat / aer viciat;

GAEA / CASAnova.

STADIUL CUNOAȘTERII ÎN DOMENIUL TEMATICII PROPUSE

NOȚIUNI GENERALE DESPRE CASA PASIVĂ

Consumul energetic pentru a încălzi o casă depinde de factorii: căldura pierdută în mediul înconjurător, căldura câștigată datorită soarelui, căldura câștigată datorită producției interne.

Rezumând, pentru a diminua consumul de energie pentru încălzire, există trei posibilități majore și anume producerea de mai multă energie internă, conservarea și diminuarea pierderilor (căldurii) în mediul înconjurător și captarea energiei solare.

Energia internă este produsă de către locuitorii casei (metabolism), de aparatele electromenajere (aragaz, fier de calcat, computer etc), de sistemul de iluminare (becurile clasice). Obiectivul fiind de a reduce consumul energetic, trebuie sa acționăm asupra celorlalte două posibilități: conservarea căldurii interne sau captarea căldurii externe (soarelui).

Pentru a îndeplini obiectivul „conservarea căldurii și diminuarea pierderilor” trebuie să avem în vedere izolarea pereților și a ferestrelor, într-un cuvânt, etanșeitate bună. Automat, realizarea unei etanșeități bune, impune asigurarea unei ventilații corespunzătoare astfel încât să poată fi realizat confortul persoanelor.

Captarea căldurii este un obiectiv important în situația reducerii consumului de energie pentru încălzire, motiv pentru care, în proiectarea casei se va ține cont de poziționarea casei în raport cu soarele și de poziționarea, mărimea și numărul ferestrelor.

Ultimile două tehnici, teoretic pot fi independente, dar în practică ele trebuie asociate deoarece captarea căldurii solare este inutilă în condițiile etanșietății defectuase. Pe de altă parte, conservarea căldurii poate conduce la supraîncălzire în cazul în care căldura nu este captată după un calcul atent.

Caracteristicile caselor pasive

Printre cele mai importante caracteristici ale caselor pasive, menționăm: formă compactă și izolare bună (toate elementele de construcție opace ale anvelopei trebuie să fie bine termoizolate, coeficientul global de transfer termic k< 0,15 W/m²K), orientare sudică și elemente de umbrire (utilizarea pasivă a energiei solare este un factor important în proiectarea casei pasive), ferestre eficiente energetic (tâmplariea și geamul trebuie să aibă k ≤ 0,80 W/m²K și coeficienții de absorbție a radiației solare ≈ 50%), etanșeitatea la aer a anvelopei (schimbul de aer prin neetanșeități trebuie să fie mai mic de 0,6 ori volumul casei pe oră), preîncor” trebuie să avem în vedere izolarea pereților și a ferestrelor, într-un cuvânt, etanșeitate bună. Automat, realizarea unei etanșeități bune, impune asigurarea unei ventilații corespunzătoare astfel încât să poată fi realizat confortul persoanelor.

Captarea căldurii este un obiectiv important în situația reducerii consumului de energie pentru încălzire, motiv pentru care, în proiectarea casei se va ține cont de poziționarea casei în raport cu soarele și de poziționarea, mărimea și numărul ferestrelor.

Ultimile două tehnici, teoretic pot fi independente, dar în practică ele trebuie asociate deoarece captarea căldurii solare este inutilă în condițiile etanșietății defectuase. Pe de altă parte, conservarea căldurii poate conduce la supraîncălzire în cazul în care căldura nu este captată după un calcul atent.

Caracteristicile caselor pasive

Printre cele mai importante caracteristici ale caselor pasive, menționăm: formă compactă și izolare bună (toate elementele de construcție opace ale anvelopei trebuie să fie bine termoizolate, coeficientul global de transfer termic k< 0,15 W/m²K), orientare sudică și elemente de umbrire (utilizarea pasivă a energiei solare este un factor important în proiectarea casei pasive), ferestre eficiente energetic (tâmplariea și geamul trebuie să aibă k ≤ 0,80 W/m²K și coeficienții de absorbție a radiației solare ≈ 50%), etanșeitatea la aer a anvelopei (schimbul de aer prin neetanșeități trebuie să fie mai mic de 0,6 ori volumul casei pe oră), preîncălzirea pasivă a aerului proaspăt (aerul proaspat poate fi aspirat prin canale subterane care schimbă căldura cu solul și preîncălzesc aerul proaspăt la o temperatură de peste 5 °C, chiar și în zilele reci de iarnă), recuperarea eficientă a căldurii aerului evacuat cu un schimbător de căldură aer-aer (cea mai mare parte a căldurii sensibile din aerul evacuat este transferată aerului proaspăt admis în clădire – rata de recuperare peste 80%), prepararea apei calde de consum prin folosire de surse regenerabile de energie (apa caldă de consum este preparată cu ajutorul panourilor solare sau pompelor de căldură), aparatura electrocasnică și de gătit, eficientă energetic (frigidere, congelatoare, mașini de gătit, lămpi de iluminat, mașini de spalat rufe și vase cu consum redus de energie).

Încercările începute în 1990 în Germania, cu scopul de a găsi o soluție tehnică optimă pentru a construi case cu consum de energie redus, au fost continuate și în cei 10 ani ce au urmat, având rezultatul final, “certificatul PassivHaus”.

Aceste case depind de un sistem activ pentru funcționarea lor. Sunt utilizate sisteme de ventilare mecanică sofisticate cu dublu flux și schimbător de căldură, în scopul de a rezolva problema pierderilor termice datorate ventilării.

Fig. 2.1. Casă pasivă cu ventilare mecanică (VMC) și puț canadian.

Consumul de energie pentru o locuință cu consum energetic redus

Locuința cu consum energetic redus sau casa pasivă, este o clădire care trebuie să asigure confortul interior atât în perioada de iarnă, cât și în perioada de vară, cu consumuri reduse de energie. Principalele criterii de calitate pentru casa pasivă, definite de Institutul Passivhaus din Darmstadt (Dr. Wolfgang Feist), implică consumul anual pentru încălzire care nu trebuie să depășească valoarea de 15 kWh/m2 an, consumul total de energie primară pentru toți consumatorii din locuință (încălzire, apă caldă menajeră, ventilație, pompe, iluminat, gătit și aparate casnice) nu trebuie să depășească valoarea de 120 kWh/m2 an, temperatura interioară nu va cobori sub 20 °C în timpul iernii, iar în timpul verii va fi menținută sub 26 °C, testul de etanșeitate (la 50 Pa) a anvelopei casei, realizat după normele EN 13829, trebuie să indice un schimb de aer de maxim 0,6 h-1, valorile necesarului de energie se calculează cu programul de calcul întocmit de Passivhaus Institut : « Passive Hause Planning Package » (PHPP).

Pornind de la aceste limitări, eventualele consumuri suplimentare de energie pot fi acoperite cu surse regenerabile de energie.

Toate acestea înseamnă că întregul consum energetic al unei case pasive este mai puțin de un sfert din energia consumată de o clădire nouă care satisface reglementarile naționale în vigoare, și mai puțin decat energia electrică și de preparare a apei calde menajere într-o clădire nouă, medie din Europa.

Pe de altă parte, conceperea unei soluții pentru “Casa cu consum energetic redus” trebuie să fie adaptată condițiilor climatice și geografice specifice amplasamentului. Mai ales detaliile privind izolația clădirii, ferestrele și ventilarea nu pot fi aceleași în oricare parte de pe glob s-ar afla amplasamentul.

Ventilația locuinței cu consum energetic redus

Casa pasivă în Spania trebuie concepută în sensul « conservării energiei » iar în funcție de caracteristicile locului de construcție se va ține cont de câteva elemente suplimentare cum ar fi orientarea ferestrelor sau protecția lor în perioadele estivale.

O locuință cu consum energetic redus implică etanșeitate perfectă, ranforsarea izolației (35cm-40cm), izolație plasată în așa fel încât să reducă la maxim podurile termice, ferestre triplu vitraj (și profilul, nu doar sticla, să respecte U<0,8 w/m2k), reciclarea caloriilor din aer cu ajutorul unei VMC (ventilare mecanică controlată) cu flux dublu și schimbator de căldură + puț canadian.

Toate etapele precedente conduc în final, la realizarea unei cutii izoterme. Pentru a realiza confortul conform standardelor în vigoare, este necesară ventilarea casei, evitând pierderile calorice adunate prin aportul intern (căldura corpului, căldura aparatelor menajere, etc).

O soluție este folosirea ventilării mecanice controlate (VMC) cu flux dublu și schimbător de caldură performant, plus puț canadian.

Fig. 2.2. Ventilare mecanică controlată (VMC) dublu flux.

Alimentarea cu aer proaspat este asigurată prin ventilare mecanică controlată (VMC) în flux dublu. Alimentarea și evacuarea mecanică permite optimizarea ventilației în funcție de necesități, independent de condițiile climatice exterioare.

Ventilația va insufla aerul proaspat în zona de locuit (living, birou, dormitoare) și va aspira din zona bucătăriei și băilor, aerul uzat încărcat cu noxe și umiditate. Pentru a reduce pierderile de căldură prin ventilare, casa pasivă va fi în mod obligatoriu echipată cu un recuperator de caldură (sistem dublu flux). Rata de recuperare a schimbătorului de căldură trebuie să fie ≥80%. Pentru a se respecta obiectivele eficienței energetice este obligatoriu ca energia necesară ventilării să fie < 0 4 Wh/m3 de aer circulat.

Fig. 2.3. Sistem de ventilare „dublu flux” amplasat într-o casă.

Pentru a controla sensul mișcării aerului, alimentarea cu aer proaspăt se va face în încăperile „uscate” (sufragerie, dormitoare) în timp ce evacuarea aerului viciat se va efectua acolo unde poluarea aerului este mai importantă, adică în zonele „umede” (bucătărie, baie, wc) sau de serviciu (holuri). Între încăperile cu dispozitive de introducere și cele cu dispozitive de evacuare, aerul circulă prin intermediul „deschiderilor de transfer” poziționate la nivelul ușilor sau pereților.

Fig. 2.4. Realizarea unui sistem de ventilare „dublu flux”.

Diferența de presiune între zonele „uscate” care se află în suprapresiune și zonele umede (în depresiune) asigură un debit de aer permanent în sensul dorit de circulație al aerului. Se evită astfel ca mirosurile neplăcute să fie preluate din bucătărie sau din baie, către sufragerie sau dormitoare.

Se propune recuperarea de căldură plecând de la sistemul de ventilare „dublu flux” (fig. 6). Randamentul dispozitivului de recuperare a căldurii trebuie să fie cuprins între 75…95%.

Fig. 2.5. Schema de principiu pentru ventilare mecanică

„dublu flux” cu recuperare de căldură.

Recuperatorul de căldură recomandat este de tip schimbător de căldură cu plăci (schimbător de căldură în contracurent) – prezentat în figura 7.

Fig. 2.6. Exemplu de recuperator de căldură în plăci.

Într-o casă obișnuită, pierderea de căldură datorată ventilării poate atinge valori de 20…30 kWh/m2 an. Într-o casă pasivă, datorită recuperării de entalpie, pierderea de căldură atinge valori mult mai reduse (2…7 Kwh/m2,an). Debitul de aer de ventilare trebuie să asigure la nivelul întregii construcții 0,5 h-1 schimburi de aer.

Conductele de aer prin care aerul circulă în interiorul casei vor fi izolate corespunzător astfel încât să se reducă la maxim pierderile de căldură și nivelul de zgomot (între 6-10 cm de izolație). În situația de vară când nu se mai pune problema recuperării de căldură se poate introduce un by-pass (fig. 6).

Sistemul propus permite refularea unui aer la o temperatura de 20°C în condițiile în care aerul interior este la 22°C iar aerul exterior la -10°C.

De asemenea, acest sistem poate fi cuplat cu sistemul de încălzire și apă caldă menajeră sau cu sistemul de „PUȚ CANADIAN” folosit în principal pentru răcire pasivă, așa cum este explicat mai jos.

Sistem de încălzire și producere apă caldă menajeră (a.c.m.)

Necesarul de energie pentru încălzire al unei case pasive este extrem de redus în comparație cu construcțiile obișnuite. Din acest motiv soluțiile de sisteme clasice de încălzire nu pot fi luate în considerare. Printre soluțiile reținute în vederea asigurării încălzirii și producerii de a.c.m. pentru casa pasivă se regăsesc și producere a.c.m. (soluția propusă constă în utilizarea de panouri solare cu un aport, dacă este necesar, de la sistemul de încălzire), panouri solare și gaz: a.c.m. este preîncălzită prin intermediul panourilor solare, iar sursa auxuliară de energie poate fi constituită de un mic cazan în condensație (microcentrala) de maxim 15 kW, funcționând pe gaz natural. Microcentrala poate fi racordată la boiler (randament înalt) sau la sistemul de ventilare pentru a încălzi aerul refulat în casă (randament de funcționare scăzut în acest caz). Se face observația ca o astfel de soluție este viabilă mai degraba în cazul mai multor case care ar fi deservite de acest tip de sistem (minim 5 consumatori), panouri solare și pompa de căldură aer/apă: soluție compactă ce combină producția de a.c.m., ventilarea și încălzirea (preîncălzirea aerului refulat). Principiul de funcționare este următorul: pompa de căldură este cuplată cu sistemul de ventilare cu recuperare de căldură explicat mai sus după care transferă căldura reziduală din aerul viciat către rezervorul de a.c.m. Un schimbător de căldură suplimentar, între a.c.m. și aerul refulat, asigură încălzirea. Se recomandă prevederea unei surse suplimentare de energie pentru situațiile în care pompa de căldură nu satisface în totalitate necesarul de încălzire și a.c.m. (panouri solare sau rezistență electrică, de preferat prima variantă).

Panourile solare și pompa de caldură aer/aer: în această situație, cele două funcții (încălzire și a.c.m) sunt distincte. Pentru a.c.m. se folosesc panourile solare care asigură încălzirea apei într-un boiler iar pentru încălzire o pompă de căldură aer/aer racordată la sistemul de ventilare cu recuperare de căldură. Aceasta va transfera căldura reziduală din aerul viciat direct aerului refulat în casă în loc de a comunica cu boilerul de a.c.m. ca în situația precedentă.

Panouri solare și pompa de căldură sol/apă: în această situație pompa de căldură va „extrage” căldura din sol (prin sonde verticale) și o va transfera unui boiler bivalent alimentat și de panouri solare. Boilerul bivalent va produce a.c.m. și agentul termic necesar pentru un sistem de pardoseală radiantă (încălzire în pardoseală). În aceste condiții se dispune de sisteme separate de încălzire și ventilare. Avantajul sistemului consta în posibilitatea utilizării și ca răcire pasivă pe perioada estivală a pardoselii radiante.

Fig. 2.7. Sistem de încălzire/răcire cu pompa de căldură sol/apă

și pardoseală radiantă.

Indiferent de soluția reținută, toate conductele de a.c.m. vor fi izolate pentru a reduce pierderile de căldură (grosimea izolație: aproximativ jumatate din diametrul conductei).

SISTEMUL DE CLIMATIZARE DE TIP “PUȚ CANADIAN”

Descrierea sistemului

În afara variantei de răcire pasivă în cazul folosirii sistemului cu pompă de căldură sol/apa și încălzire în pardoseală, se propune și studierea eficacității sistemului bazat pe tehnica de tip „PUT CANADIAN” care poate fi cuplat la sistemul de ventilare. Avantajul acestui sistem constă în faptul că poate fi utilizat și iarna pentru preîncălzirea aerului de ventilare.

Solul la 2 metri adâncime prezintă o temperatură practic constantă tot timpul anului, variațiile fiind între 13…15°C în funcție de sezon, în timp ce temperatura aerului exterior poate varia de la -15°C la +35°C în majoritatea regiunilor din țară. „Puțul canadian” exploatează această temperatură constantă: aerul, în loc să fie preluat direct din exterior, va circula într-un canal îngropat, în contact cu solul pentru a avea loc un transfer de căldură.

Principiul de funcționare constă astfel, în a vehicula aerul în conducte îngropate înainte de a fi introdus în clădiri (figura 9).

Fig. 2.8. Schema de principiu a sistemului de tip „PUȚ CANADIAN”

Iarna, temperatura solului este mai ridicată decât temperatura aerului, deci aerul rece este preîncălzit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate. Vara, temperatura solului este mai coborâtă decât cea a aerului, de această dată aerul este răcit în momentul trecerii sale prin conductele îngropate. Primăvara și toamna, sistemul cu „puț canadian” prezintă mai puțin interes deoarece temperatura aerului se apropie de cea de confort, cuprinsă între 18 și 22°C. Sistemul va fi deconectat dacă este nevoie prin intermediul unui by-pass pentru a nu se ajunge la un efect „invers” în aceste perioade.

Fig.2.9. Schema de funcționare a unui

sistem de puțuri canadiene în timpul verii.

Dimensionarea sistemului cu puț canadian trebuie corelată cu sistemul de ventilare al casei. Dimensionarea trebuie să țină cont de parametrii câțiva parametri importanți printre care se regăsesc: debit de aer necesar, lungime (de regula între 40…50 m), diametru (de regula 20 cm), viteza de curgere a aerului (maxim 3 m/s), caracteristici sol (nisipos, argilos, prezența pânzei de apa freatică care îmbunătățește schimbul de căldură, etc.), adâncime (în general este necesară o adâncime de minim 1,5 m).

Fig. 2.10. Ventilare cu recuperator de căldură.

Evoluția aerului la trecerea printr-un sistem de tip “Puț Canadian” într-o iarnă, este redată în figura 11. Sistemul de tip “puț canadian” are avantaje evidente față de ventilarea mecanică controlată (VMC) cu recuperator de căldură prezentat în figura 11.

Deoarece temperatura aerului iarna este foarte scăzută, sistemul “puț canadian” trebuie combinat cu un recuperator de căldură care, în vară va fi ocolit (figura 12).

Fig. 2.11. Ventilare cu „Puț Canadian” combinat cu recuperator de căldură.

În figura 2.12 sunt prezentate evoluțiile temperaturilor zilnice, extreme și medii. Aceste temperaturi sunt foarte importante în proiectarea sistemului de ventilație.

Fig. 2.12. Evoluția temperaturilor extreme și medii, zilnice.

Proprietățile termice ale pământului

Schimbul de căldură între aer și pământ depinde direct de proprietățile termice ale acestuia. Printre caracteristicile principale care influențează schimbul de căldură aer-pământ sunt regăsite: conductibilitatea (l), căldura specifică (cp) și temperatura pământului.

Principalele proprietăți termice ale pământului sunt condiționate de structura lui și variază, pentru același tip de pământ funcție de umiditatea acestuia.

Temperatura pământului este variabilă atât în timp cât și în spațiu și variația ei depinde de diverși factori precum condițiile meteorologice, vegetația, etc.

Radiația solară ce atinge suprafața pământului este compusă din radiația solară directă, transmisă prin atmosferă și radiația solară difuză, reflectată de atmosferă.

Radiația globală este parțial reflectată de pământ, în funcție de înclinarea, natura, culoarea și de rugozitatea suprafeței.

Fig. 2.13. Energia solară absorbită de pământ.

Coeficientul de reflexie a, al pământului, variază de la 0,10 la 0,30 pentru câmpii și prerii, de la 0,05 la 0,20 pentru păduri, de la 0,15 la 0,4 pentru un pământ gol, poate atinge 0,95 pentru zăpada proaspăță care este puternic reflectorizantă.

Se estimează că, în medie, 46% din energia solară care ajunge în atmosfera terestră, este absorbită de pământ.

Temperatura pământului la o adâncime de 2 m, este aproximativ de 17 oC în timpul verii și de 4 oC în timpul iernii (figura 15)

Fig. 2.14. Temperatura pământului de-a lungul unui an la diferite adâncimi.

Amplasarea conductelor de aer în cazul sistemului de tip “PUȚ CANADIAN”

Sistemul prezentat în figura 10 poate avea diverse forme de realizare funcție de debitul de aer ce trebuie vehiculat.

În situația în care debitul de aer ce poate fi vehiculat printr-o conductă nu este suficient pentru clădirea ventilată, se poate mări numărul de conducte, păstrând o distanță de aproximativ 1,5 m între ele. În figura 16 a), b), c), d) și e), sunt prezentate posibilitățile de amplasare ale conductelor, într-un sistem de tip “PUȚ CANADIAN”

Fig. 2.15. Posibilitățile de amplasare ale conductelor, într-un sistem de tip “PUȚ CANADIAN”.

sistem cu conductă dreaptă.

sistem cu o serpentină cu intrarea și ieșirea prin centru cu lungime diferită a circuitelor.

sistem cu o serpentină cu circulație inelară cu lungime egală a circuitelor.

sistem cu o conductă ce înconjoară locuința.

sistem cu două conducte ce înconjoară locuința.

În cazul țărilor în care temperaturile aerului exterior, sunt excesiv de ridicate (tc>32oC și fc>50%), la trecerea aerului prin sistemul de tip “PUȚ CANADIAN”, în interiorul conductei se atinge temperatura punctului de rouă și se produce condens.

În figura 17 sunt prezentate posibilitățile de eliminarea condensului.

Fig. 2.16. Posibilitățile de eliminarea condensului în cazul sistemului de tip “PUȚ CANADIAN”.

Cu ajutorul unui sifon plasat în interiorul locuinței unde va fi prevăzută o instalație de scurgere pentru sifon

Într-un spațiu de vizitare plasat la cel mai jos nivel;

Prin amplasarea conductei pe un strat de pietriș care să permită infiltrarea condensului în sol.

Pentru eleiminarea condensului conducta sistemului va avea o pantă de 2 – 3 % spre zona în care se realizează evacuarea condensului.

SITUAȚIA PE PLAN INTERNAȚIONAL ÎN DOMENIUL CASELOR PASIVE

Conform studiilor prezentate, situația actuală privind locuințele cu consum de energie redus, în Uniunea Europeană, este:

Case pasive adecvate condițiilor climatice din Europa

Observație:

În SONNENPLATZ AUSTRIA a fost construit primul sat cu case pasive, din Europa:

Etapa I – 2006-2007 – 5 case pasive

Etapa II – 2008-2010 – 15 case pasive

ANALIZA CRITICĂ A STADIULUI ACTUAL

Comparație între casa standard și casa pasivă – costuri de producție

Comparație între casa standard și casa pasivă – necesar de căldură

Fig. 2.17. Pierderi de căldură la o casă construită cu tehnici clasice.

ENERGIEA REGENERABILĂ LA NIVEL GLOBAL – PREZENT ȘI VIITOR

Energia regenerabilă a fost folosită de om începând din cele mai vechi timpuri. Arderea biomasei pentru încălzire și iluminare a fost practicată încă de la începuturile istoriei, fără a menționa utilizarea alimentelor organice ca energie pentru supraviețuire. Morile de vânt și cele de apă au exploatat resursele naturale pe parcursul deceniilor, fiind cea mai timpurie sursă de obținere a energiei pentru agricultură și procesele industriale la scară mică.

Tehnologiile modeme de conversie a surselor regenerabile au istorii diferite. Începuturile dezvoltării tehnologiilor eoliene pot fi atribuite sfârșitului sec. al XIX-lea, în Danemarca. Interesul față de aceste tehnologii a atins nivelul optim pe parcursul celor două războaie mondiale, din cauza limitării accesului la combustibilii fosili. Începând cu anii 1950, celulele fotovoltaice (solare) au cunoscut investiții datorită utilizării lor fulminante în sistemele spațiale de zbor, cu rezultate aplicabile în tehnologia și știința materialelor, urmate de reducerea prețurilor până la nivelul acceptat de consumatori. Motivația de bază pentru expansiunea energiilor regenerabile vine o dată cu crizele petrolului din 1973 și 1979 – 1980. Beneficiind de susținerea liderilor politici, în diferite țări a crescut suportul cercetărilor și dezvoltării unor noi tehnologii. Jimmy Carter a fost primul politician care s-a orientat către utilizarea energiei solare ca răspuns la criza energetică din 1973. Tehnologiile eoliană, a valurilor mării și solară au beneficiat de investiții o dată cu creșterea nivelului lor de aplicare.

Uniunea Europeană este, de asemenea, într-o situație dificilă, deoarece prin importurile de 82% de petrol și 57% de gaz, este lider mondial în acest plan. Cu o valoare a raportului „rezerve/consum ” (R/C) egal cu 3,0 (un coeficient foarte redus conform standardelor mondiale), Uniunea Europeană este expusă unei vulnerabilități energetice, fapt ce o determină să caute căi de ameliorare a securității energetice.

Energia regenerabilă este energia derivată din surse care sunt regenerative și pentru toate aplicațiile practice nu poate fi epuizate. Actualmente, sursele regenerabile de energie contribuie cu aproximativ 18,4% la consumul uman global de energie. Sursa primară de energie regenerabilă este radiația solară, adică energia solară.

Energiile solară, eoliană și hidraulică sunt utilizate tradițional pe larg în țările dezvoltate și în curs de dezvoltare. însă, producerea în masă a electricității, folosind sursele regenerabile de energie, a început relativ recent, reflectând tratatele majore privind schimbarea climei și poluarea, epuizarea combustibililor fosili și riscurile sociale, politice și de mediu ale combustibililor fosili și ale energiei nucleare. Mai multe țări și organizații promovează energiile regenerabile prin subsidiere și reduceri de taxe.

Trecerea la tehnologiile bazate pe energii regenerabile este dictată atât de creșterea continuă a prețurilor la petrol și gaz (fără șanse de a se micșora în viitor), cât și de conștientizarea problemelor legate de schimbarea climei globale. în ultimii 30 de ani, sistemele energetice solare și eoliene s-au dezvoltat rapid, reducând substanțial costurile capitale și ale energiei generate, continuând îmbunătățirea performanțelor sistemelor. De fapt, prețurile combustibililor fosili și ale energiei regenerabile, precum și costurile sociale și de mediu mereu crescânde au favorizat evoluția rapidă și pe scară largă a diseminării și dezvoltării piețelor pentru energiile regenerabile.

Dezvoltarea și utilizarea surselor regenerabile de energie introduce o diversitate a piețelor de consum ale energiei, contribuie la securizarea pe termen lung a satisfacerii energetice durabile, contribuie la reducerea emisiilor atmosferice locale și globale și propune opțiuni comerciale atractive pentru promovarea serviciilor specifice în satisfacerea necesităților energetice, în particular, în țările în curs de dezvoltare și mediul rural, ajutând la crearea unor noi oportunități privind deschiderea locurilor de muncă.

Distribuția energiei regenerabile pe tipuri de surse regenerabile este prezentată în diagrama din figura 1.7.

Fig. 2.18. Energia regenerabilă globală în anul 2005.

În prezent, energiile regenerabile sunt dominate de macrohidroenergetică și biomasă, utilizată în calitate de combustibil pentru pregătirea hrănii și încălzire, în special în țările în curs de dezvoltare din Africa, Asia și America Latină. Sursele de energie regenerabile noi (solară, eoliană, geotermală și microhidroenergetică) contribuie doar cu aproximativ 2%. Un număr important de studii și de scenarii au investigat contribuția surselor regenerabile de energie la satisfacerea necesităților globale în energie, indicând că în prima jumătate a secolului XXI contribuția ei va crește de la 20 până la 50%.

80% din cerințele energetice în societățile industriale vestice sunt concentrate pe încălzirea și deservirea clădirilor și acționarea vehiculelor (automobile, trenuri, avioane). Majoritatea surselor regenerabile sunt orientate spre generarea electricității. Islanda este lider mondial în energii regenerabile datorită abundenței surselor de energie hidraulice și termale. Aproximativ 99% din energia electrică produsă în această țară este obținută din surse regenerabile, iar încălzirea casnică urbană se face în mjoritatea cazurilor cu energie geotermală.

O primă resursă energetică ce poate fi luată în discuție este cea eoliană, adică folosirea vântului, care este deja reprezentată printr-o tehnică de rutină, constituită de morile de vânt și o tehnică de vârf constituită de sistemele puse la dispoziție de noua tehnologie care ne permite să realizăm minicentrale eoliene de 1-10 MW. Aceste sisteme pot fi construite în număr mare.

Este una din cele mai vechi surse de energie nepoluantă, o sursã de energie reînnoibilă, generată din puterea vântului. Vântul este rezultatul activității energetice a soarelui și se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pamântului. În fiecare oră pamântul primește 1014 kWh de energie solară. Circa 1-2% din energia solară se transforma în energie eoliana.

Energia cinetică a vântului poate fi folosită la pornirea turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine au productivitate 5 MW de energie în condițiile în care necesită o viteză de vânt de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 kilometri pe oră. Puține zone pe pamânt au aceste viteze de vânt. Vânturile mai puternice sunt regăsite la altitudini mari și în zonele oceanice.

Energie eolianã este destul de extensiv utilizată în ziua de astazi. turbinele noi de vânt construindu-se în toată lumea. Poate fi considerată ca fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creștere în ultimii ani. Capacitatea totală mondială a turbinelor de vânt este 47.317 MW. Majoritatea 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 asigura de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum. Acest nivel de utilizare a acestei surse ar necesita 12,7% din suprafața Pamântului (excluzând oceanele) să fie acoperită de parcuri de turbine.

Energia eoliană reprezintă 7% din totalul de energie consumată în UE, potrivit datelor furnizate de European Wind Energy Association (EWEA) din Bruxelles. Acesta menționează că "Le-a luat 20 de ani statelor europene ca să producă 10 GW de energie eoliană și alți 13 ani, pentru încă 90 GW", a precizat Christian Kjaer, CEO al organizației, care a adaugat că aceasta cantitate este suficientă pentru a alimenta 57 milioane de gospodării.

Din analizele efectuate se menționează că Germania, Spania și Marea Britanie sunt liderii europeni în materie de energie eoliană.

Prin actele normative adoptate la nivelul UE, statele membre sunt obligate ca până în anul 2020, 20% din alimentarea cu energie să fie din surse regenerabile precum și că ele sunt nevoite să reducă emisiile de carbon și cantitatea de energie consumată tot cu 20%.

EXPERIENȚA ȚĂRILOR EUROPENE ÎN PROMOVAREA ȘI UTILIZAREA SRE

Unele țări, precum Danemarca, Olanda, Franța, Germania, au vechi tradiții în conversia energiilor regenerabile, în special a celor eoliene și hidraulice. Luată în ansamblu, Uniunea Europeană pune, de asemenea, accent pe utilizarea energiilor regenerabile, ca o alternativă a energiilor convenționale. Lansarea unei Strategii globale pentru țările UE cu privire la dezvoltarea, promovarea și implementarea SRE a avut loc în perioada anilor ’90 ai secolului trecut. Lipsa unei Strategii coerente și transparente cu obiective bine definite și ambițioase prezintă un obstacol serios în calea pătrunderii SRE; ele nu puteau să influențeze câtuși de puțin balanța energetică a Comunității.

Primul pas spre elaborarea Strategiei a fost lansarea în 1996 a primei versiuni a Strategiei în așa-numita Carte Verde [6]: “Energie pour l’avenir: les sources d’energie renouvelables”, care a fost expusă unei largi dezbateri publice, începând cu anul 1997. Cartea Verde a provocat reacții numeroase din partea instituțiilor comunitare, guverne și organisme naționale, a întreprinderilor și asociațiilor interesate cu privire la SRE. Pe parcursul acestei perioade de consultații. Comisia Europeană a organizat două conferințe, la care au fost discutate o serie de probleme formulate și propuneri elaborate.

După dezbaterile publice asupra Cărții Verzi a fost redactată Strategia finală expusă în Cartea Albă [7]: Livre Blanc: “Energie pour 1’avenir: les sources d'energie renouvelables. Une strategie et un plan d ’action communautaires”.

În Cartea Albă a UE au fost prezentate viziunile cu privire la obiectivele și politica comunitară în ceea ce privește energetica și mijloacele necesare atingerii acestora. Se preconizează trei obiective principale pentru politica energetică: consolidarea competitivității, securitatea aprovizionării cu surse energetice, protecția mediului.

Promovarea SRE este specificată ca unul din factorii determinanți pentru atingerea obiectivelor menționate. Fiind indigene, SRE vor avea un rol important în micșorarea nivelului dependenței de import, vor avea un efect pozitiv în creșterea securității aprovizionării.

Nu puțini sunt cei care consideră că energiile regenerabile nu sunt eficiente din punct de vedere al costului. Aceasta este din cauză că prețurile combustibililor fosili nu includ costurile actuale și de viitor ale schimbărilor ecologice globale [8], De asemenea, eforturile depuse pentru extragerea petrolului de la mari adâncimi sunt în creștere, iar costurile tehnologiilor energiilor regenerabile se vor reduce o dată cu creșterea investițiilor și expansiunea capacităților [9].

OBIECTIVELE CERCETĂRII

În această lucrare se prezintă o locuință cu consum de energie redus denumită în literatura de specialitate casă pasivă, punându-se accent pe alimentarea acesteia cu energie electrică obținută din energia eoliană.

Un prim obiectiv principal abordat în această lucrare este prezentarea sistemului de tip „puț canadian” conceput pentru climatizarea (răcirea/încălzirea aerului proaspăt introdus în clădiri) locuințeor cu consum de energie redus, utilizând căldura și inerția termică a pământului. Dimensionarea sistemului. Se prezintă sistemul de conversie a energiei electrice din energie eoliană iar la final se va proiecta un sistem eolian de la care se va alimenta cu energie electrică, casa pasivă.

CONCLUZII PARȚIALE

În continuare sunt prezentate câteva argumente pro construirii și utilizării unei case pasive: Un prim argument este cel economic.

Când e vorba de construit casa pasivă se pune în primul rând această întrebare: este aceasta cu mult mai scumpă decât o casă clasică? Experiența germană și austriacă în domeniul construcțiilor de case pasive arată că acestea nu sunt cu mult mai scumpe decât o casă convențională.

Pe de o parte, există niște costuri suplimentare (termoizolație în plus, rame termoizolate pentru ferestre, geam triplu, sistemul de ventilație special și implementarea etanșării perfecte a anvelopei locuinței), care de fapt sunt compensate de economiile obținute prin eliminarea sistemului de încălzire. Pe de altă parte, costul facturii la energie va fi de 5 (cinci) până la 10 (zece) ori mai mic decât la o casă convențională.

Germanii și austriecii construiesc case pasive cu costuri de numai 0-15% mai mari în comparație cu o casă convențională, în funcție de complexitatea design-ului locuinței. Dacă însă comparăm aceste costuri cu beneficiile unui consum foarte redus de energie (electrică) ulterior, avantajul este net în favoarea casei pasive.

La acestea ar trebui să adăugăm și alte avantale vitale, cum ar fi reducerea substanțială a emisiilor de carbon confortul excepțional dat de aerul permanent proaspăt din casă, lipsa dușumelelor și a pereților reci iarna, lipsa excesului de căldură vara, lipsa prafului generator de alergii, etc.

Un alt avantaj incontestabil al construirii unei case pasive independente energetic este calitatea materialelor, lipsa condensului și igrasiei, factori care prelungesc durata de viață a construcției cu câteva zeci de ani comparativ cu o locuință clasică. Este dificil de cuantificat acești factori, dar este evident că au un un impact important în viața celor ce locuiesc într-o casă pasivă.

Un al doilea argument este cel în favoarea utilizării sistemul de climatizare de tip “puț canadian” care conduce la o climatizare cu economie de energie, zgomot redus, aerul respirat este natural, durată de viață foarte mare datorită materialelor utilizate (aproximativ 100 ani), tehnologie cu eficiență mărită atăt vara cât și iarna, etc.

ENERGIA EOLIANĂ. SISTEME DE OBȚINERE

VÂNTUL CA SURSĂ DE ENERGIE

Energia eoliană a fost folosită de om pe parcursul a mii de ani. De peste 3000 de ani, morile de vânt sunt folosite pentru măcinat sau pentru pomparea apei. Astăzi, în secolul informaticii, al energiei nucieare și electricității, mii de mori de vânt sunt folosite pe diferite continente în diverse aplicații cum ar fi pomparea apei și a petrolului, irigare, etc.

Electricitatea poate fi obținută folosind diferite metode, dar absolut toate necesită combustibil, în cele mai multe cazuri de origine fosilă (cărbune, gaz natural, petrol sau uranium 235 și plutoniu 239 la centralele termonucleare).

Vântul are avantaje esențiale precum că este gratuit și nu poluează mediul înconjurător.

Actual, expresia utilizarea energiei eoliene semnifică, în primul rând, energia electrică nonpoluantă produsă la o scară semnificativă de "morile de vânt" moderne numite turbine eoliene, termen des întâlnit în acest domeniu tehnic și în această lucrare

Pe parcursul a 20 de ani, la nivel mondial, s-a creat o nouă tehnologie, o nouă industrie precum și o nouă piață de desfacere numită piața Sistemelor de Conversie a Energiei Eoliene (SCEE) – Wind Energy Convertion Systems (WECS).

Dacă în anul 1973 principalul stimulent de dezvoltare a SCEE l-a constituit prețul petrolului, astăzi s-a adaugat un al doilea: tendința omenirii să producă energie electrică "curată" sau "verde" fără sau cu mici emisii de oxid de carbon.

Se preconizează ca la nivel global, către anul 2020, cca 12% din energia electrică produsă să fie obținută din energie eoliană. În tabelul 3.1 este prezentat topul primelor 5 țări și companii în domeniul energiei eoliene, pe plan mondial.

Tabelul 3.1. Erarhizarea primelor 5 țări și companii în domeniul

energiei eoliene

Vântul servește în calitate de combustibil centralelor eoliene. Având în vedere că densitatea puterii eoliene este proporțională cu cubul vitezei vântului, este foarte important să cunoaștem resursele energetice eoliene ale întregii țări, a unei regiuni sau a zonei de amplasament a centralei eoliene. De obicei resursele energetice eoliene sunt exprimate prin două caracteristici principale ale vântului – viteza și densitatea de putere eoliană care determină potențialul energetic eolian a zonei de amplasare studiată.

Țările cu un înalt grad de utilizare a energiei vântului practică frecvent modelarea pe calculator pentru suprafețe mari, a vitezei vântului, utilizând programe (software) specializate. Aceste modele lucrează cu așa numitele date istorice ale vântului, obținute de la stațiile meteorologice din regiune și din întreaga țară.

Ca urmare, a fost alcătuit atlasul vântului care conține informații despre viteza și densitatea de putere a vântului sub formă de contur sau gradată.

În figura 3.1 este prezentată harta potențialului energiei vântului în Spania.

Fig. 3.1. Potențialul energiei vântului în Spania – pe uscat [18]

Fig. 3.2. Potențialul energiei vântului în Spania – pe coasta marină [19]

Viteza și direcția sunt două dintre caracteristicile cele mai importante ale vântului pentru oricare dintre amplasamentele centralelor eoliene.

Chiar daca Europa se confruntă cu o criză economică dură, industria energiei eoliene a reușit să înregistreze un avans serios în ultimii ani.

Succesul acestei ramuri a fost determinat, în mare parte, de reglementările impuse de Comisia Europeană precum și de planurile fiecărei națiuni în parte de a reduce dependența de combustibilii clasici [17].

SISTEME INTEGRATE DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE

Tehnologiile legate de producerea energiei electrice joacă un rol important în dezvoltarea economică și socială la toate nivelurile, începând de la gospodăriile individuale, structurile comunitare și regionale, naționale și internaționale. În ciuda efectelor benefice evidente pentru dezvoltarea economică și creșterea nivelului de trai, producerea energiei este strâns legată de poluarea și degradarea mediului înconjurător. În prezent, producerea energiei electrice este dependentă de combustibilii fosili neregenerabili, a căror utilizare intensivă a fost și va fi în continuare cauza majoră a poluării și a modificărilor climaterice. Datorită acestor consecințe negative și a epuizării rezervelor mondiale de combustibili fosili, amplifcarea cercetărilor pentru găsirea unor alternative durabile devine o cerință tot mai urgentă. Există posibilitatea de marea provocare pentru găsirea unor surse de energie, alternative durabile, și constă în dezvoltarea tehnologilor destinate integrării și controlului surselor de energie regenerabilă în sistemele integrate de producere a energiei electrice.

Sistemele de producere a energiei electrice și rețelele de distribuție integrate (“inteligente” – smart power grid [4,5]) vor constitui platformele care vor permite utilizarea surselor de energie regenerabilă și asigurarea suplimentării urgente a necesarului de energie pentru marile metropole. Prin acesta vor preveni căderile de tensiune provocate de erorile umane și de calamitățile naturale în sistemele energetice interconectate. Pe lângă aceasta, rețelele inteligente vor permite separarea marilor rețele interconectate în grupuri de rețele zonale mai mici.

În figurile 3.3 și 3.4 se prezintă arhitecturile unor sisteme de producere și distribuție a energiei electrice de curent continuu (figura 3.3) și respectiv de curent alternativ (figura 3.4) din surse regenerabile.

Fig. 3.3. Arhitectura unui sistem de producere și distribuție a energiei electrice

sub formă de curent continuu, din surse regenerabile.

Sistemele de producere și distribuție a energiei au în componență unități de producere a energiei electrice (numite DG – distribution and generation) care utilizează pile de combustie (FC), energie eoliană (wind – turbine), panouri fotovoltaice (PV), generatoare cu turbine de mare viteză (MTG – micro-turbine generator) și sisteme de înmagazinare a energiei. La ieșirea sistemelor bazate pe pile de combustie și panouri fotovoltaice se obține o tensiune de curent continuu de mică valoare. Acestă tensiune se transformă în înaltă tensiune de curent continuu, prin utilizarea unor convertoare CC/CC.

Generatoarele eoliene oferă la ieșire în unele cazuri tensiune alternativă de frecvență variabilă, iar turbinele de mare viteză – tensiune de înaltă frecvență. În cazul acestor două surse se impune utilizarea convertoarelor CA/CC sau CA/CA.

În configurația prezentată în figura 3.3, sistemele de producere a energiei electrice sunt conectate la o magistrală de curent continuu de tensiune constantă care include și sistemul de înmagazinare a energiei. Prin aceasta se asigură posibilitatea de alimentare și funcționare imediată a consumatorilor prin simpla conectare la magistrală. Bineînțeles că aceasta implică capacitatea sistemului de a stoca energia produsă și utilizarea convertoarelor CC/AC, pentru obținerea energiei electrice sub formă de curent alternativ.

În prezent, dispozitivele de înmagazinare oferite de către firmele producătoare constau în baterii sau sisteme baterie – volant, care pot asigura o cantitate de energie începând de la 700 kW timp de 5 secunde până la 2 MW timp de 5 minute sau 1 MW timp de 30 de minute, iar o baterie de 28 ultra-condensatori poate asigura 12,5 kW timp de câteva secunde.

Fig. 3.4. Arhitectura unei stații de producere a energiei electrice sub formă de

curent continuu, de 2 MVA.cu panouri fotovoltaice.

Sistemele de producere și distribuție a energiei de joasă tensiune reprezentate în figura 3.3, pot conține unul sau chiar toate tipurile de sisteme de producere a energiei prezentate în figurile 3.3 și 3.4.

Fig. 3.5. Arhitectura unei stații de producere a energiei electrice de

curent continuu de joasă tensiune, cu magistrală de CA.

Ansamblul de unități de producere a energiei electrice poate funcționa ca un sistem izolat sau în paralel cu rețeaua locală de alimentare. În cazul în care funcționează ca sistem izolat, va folosi rețeaua locală de alimentare ca rezervă de putere. În funcție de disponibilitatea resurselor de energie regenerabilă, sistemul de producere a energiei electrice va fi utilizat în primul rând pentru a susține integral sau parțial cererea consumatorilor, iar surplusul de energie este utilizat pentru a regla tensiunea și puterea în sistem. Rețeaua care funcționează ca sistem izolat împreună cu unitățile sale de producere a energiei trebuie să fie proiectate în așa fel încât să asigure ciclul zilnic de sarcină plus pierderile care se produc în cea mai mare unitate de generare din sistem. Aceasta înseamnă că după un deranjament major, dispozitivele de stocare împreună cu unitățile de reglare trebuie să verifice și să stabilizeze oscilațiile joasei tensiunii și a puterii. În regim de sistem izolat, stabilizarea se poate realiza utilizând informații despre scăderea frecvenței.

În funcție de valoarea acesteia, se controlează puterea electrică de curent continuu care este transmisă magistralei de CC, măsurând tensiunea și curentul acestei magistrale. După ce perturbația a trecut, se încarcă unitățile de stocare a energiei (baterie, volant).

Pentru a înțelege mai bine această problemă, este esențial să se studieze modul de cooperare a surselor de energie electrică din cadrul sistemului de producere și distribuție a energiei electrice, ținând cont de pierderile care se produc în cea mai mare unitate de generare. Conlucrarea adecvată dintre sistemele de reglare ale unităților de producere a energiei, cum ar fi cele ale unitățillor MTG (cu o constantă de timp de ordinul fracțiunilor de secundă), cu cele ale unităților de pile de combustie (constantă de timp de ordinul minutelor) și dispozitivele de stocare (intrare în funcție instantanee) se poate proiecta astfel încât fiecare sistem să aibă contribuția sa la obținerea puterii totele necesare în scopul menținetii constante a frecvenței, reglarea și stabilizarea tensiunii în rețea.

În prezent, majoritatea comsumatorilor din spitale (imagistica magneto-rezonantă – MRI, tomografele computerizate – CAT, aparatura radiologică, etc) și sistemele de comunicare (prelucrarea digitală a semnalelor – DSP , microcontrolerele) constituie consumatori care sunt alimentați prin utilizarea tehnologiei factorului de putere corectat (PFC). Aplicarea acestei tehnologii este justificată prin forma curentului de alimentare care este sinusoidală, ceea ce însemnă că injecția de armonici superioare de curent în linie este foarte redusă în timpul funcționării în regim stationar, prin situația în care factorul de putere al acestor consumatori se apropie de unitate – convertoarele funcționează la temperatura minimă, sau când toți producătorii de convertoare de putere trebuie să respecte reglementări internaționale cum ar fi IEC 61000-3-2 și IEEE 519.

Totuși, în timpul regimurilor tranzitorii de funcționare în care sistemul de alimentare este supus unor perturbări cum ar fi căderile de tensiune, sarcini suplimentare sau deranjamente temporare, consumatorii dotați cu sisteme de corectare a factorului de putere (consumatorii PFC) nu funcționează ca sarcini pur rezistive după cum se întâmplă în regim staționar de funcționare. De fapt acești consumatori constituie sarcini puternic neliniare și în timpul perturbațiilor pot funcționa ca sarcini cu un pronunțat caracter inductiv sau capacitiv. Acest mod de funcționare este denumit “bifurcare”. Este motivul pentru care studiul stabilității sistemului de distribuție și generare în cazul în care aceste alimentează consumatori PFC este esențial pentru asigurarea unui regim dinamic de funcționare corespunzător.

Funcționarea sistemelor de producere și distribuție a energiei în paralel cu o rețea locală asigură avantajul creșterii siguranței în funcționare, fiind o problemă de care trebuie să se țină cont în exploatarea acestor sisteme. Standardul IEEE 1547 precizează condițiile de funcționare ale acestor sisteme din punctul de vedere al siguranței în funcționare. Rămân totuși de rezolvat problemele ivite în cazul căderilor bruște de tensiune ale rețelei locale [4].

EVOLUȚIA DEZVOLTĂRII TEHNOLOGIILOR EOLIENE

Cea mai mare turbină eoliană pentru producerea electricității a fost construită în localitatea Grandpa Knob, Vermont, SUA [M15]. Turbina cu puterea de 1250 kW, diametrul rotorului 53 m a fost rezultatul final al colaborării inginerilor Smith Putnam, von Karman și den Hartog. Aceasta a fost prima turbină cu putere mai mare de un megawatt și a servit ca platformă pentru studii experimentale ale efectelor de oboseală a materialelor pentru pale și turn, a dinamicii SCEE și verificării datelor impuse prin proiect. Totuși, anul reper de demarare a tehnologiei modern eoliene este considerat anul 1957, când inginerul danez Johannes Juul realizează prima turbină eoliană cu puterea de 200 kW, construită în nordul Danemarcei, localitatea Gedster, reprezentată în figura 3.5.

El a fost primul care a preluat teoria aripei de avion și a transpus-o în construcția turbinelor eoliene. Turbina era instalată pe un turn de 25 m înălțime și avea un rotor cu 3 pale. Era dotată cu sistem de autoreglare și stopare automată la depășirea limitei admisibile a vitezei vântului, cu acționare electromecanică pentru orientare și generator asincron. A funcționat până în anul 1967 cu un factor mediu de putere de circa 20%. Ulterior, turbina respectivă a intrat în istorie ca “turbina Gedser” sau “Conceptul Danez”.

În prezent, peste 75% din turbinele eoliene de putere medie și mare au la bază “Conceptul Danez” [M16], caracterizat prin rotor cu trei pale subțiri cu profil aerodinamic direcționat spre vânt și care rotește cu o viteză relativ mare – zeci sau sute de turații per minut în funcție de diametrul elicei. Conceptul inovativ și caracteristicile nivelului tehnic ale acestui model au fost curând recunoscute la scară mondială, Danemarca devenind principalul exportator de turbine eoliene și deținând peste 33% din piața mondială.

Fig. 3.6. Prima turbină construită conform conceptului danez de J. Juul

în localitatea Gedster, Danemarca.

Perioada anilor 1970-1990. Rezultatele experimentelor cu diverse materiale pentru pale au condus la abandonarea oțelului, considerat un material prea greu, cât și a aluminiului care nu făcea față solicitărilor dinamice. Frații Gougeon din SUA propun un material pe bază de lemn și rășină de epoxid care a fost folosit în construcția turbinelor de putere mică și medie.

Perioada 1990 – prezent. Dezvoltarea energeticii eoliene în California nu a fost durabilă. După anularea aproape completă a facilităților a început o perioadă de stagnare. în schimb, s-au dezvoltat rapid piețele europene. În Germania, la începutul anilor ’90, rata de creștere a puterii eoliene atinge cifra de 200 MW/an. Au apărut noi producători în Germania, Spania, SUA. Se dezvoltă noi concepții tehnologice: remarcabila schemă inovațională a generatorului eolian cu cuplare directă (direct drive generator), turbina cu viteză variabilă de rotație, sisteme de comandă cu fluxul de putere furnizat în rețea, materiale compozite pentru pale etc.

Tipuri constructive de turbine eoliene

Turbinele eoliene pot fi clasificate în patru grupe mari, în funcție de puterea dezvoltată la viteza de calcul a vântului, care este cuprinsă între 11 și 15 m/s. Micro-turbinele acoperă puterile cuprinse între 0,05 și 3,0 kW. Turbinele de putere mică au puteri cuprinse între 3 și 30 kW, iar de putere medie – 30-1000 kW. Atât microturbinele, cât și turbinele de putere mică sunt proiectate pentru a funcționa în regim autonom și alimentează cu energie electrică consumatorii dispersați teritorial și neconectați la rețelele electrice publice. în acest scop, turbinele sunt dotate cu acumulatoare de energie electrică și dispozitive de condiționare a energiei: regulatoare și convertoare de frecvență. În a patra grupă sunt incluse turbinele cu puterea mai mare de 1000 kW, numite turbine de mare putere sau turbine multimegawatt. Tendința actuală este majorarea puterii per unitate, majoritatea absolută a turbinelor funcționează în paralel cu rețeaua electrică publică, dându-se prioritate turbinelor cu puterea mai mare de 1 MW.

Pe parcursul anilor au fost propuse și patentate sute de scheme constructive ale turbinelor eoliene, însă doar câteva zeci au fost testate, din care doar câteva au penetrat piața turbinelor eoliene. În figura 3.7 sunt prezentate cele mai semnificative scheme constructive ale turbinelor eoliene.

Fig. 3.7. Scheme constructive ale turbinelor eoliene: a), b), c) – cu una, două și trei pale;

d) – cu multe pale; e) – cu mai multe rotoare; f) – cu două rotoare, care rotesc în diferite direcții;

g) – cu rotor în fața turnului și giruetă (up-wind); h) – cu rotor în spatele turnului cu

autoreglare (down – wind); i) – Savonius; j) – Darrieus; k) – Evence;

1) – combinată Darrieus – Savonius.

ANEXE

TERMINOLOGIE

Terminologia și notațiile utilizate în această reglementare tehnică sunt în concordanță cu termenii și definițiile folosite în normele UE din domeniul de activitate:

O serie de termeni și definiții sunt reluați și explicați cu scopul de a clarifica mărimile, conceptele etc., la care se face referință în diferitele părți ale acestei reglementări tehnice.

LISTA PRINCIPALELOR ABREVIERI UTILIZATE ÎN LUCRARE

LISTA PRINCIPALELOR SIMBOLURI UTILIZATE ÎN LUCRARE

SIMBOLURI CU CARACTERE LATINE

SIMBOLURI CU CARACTERE GRECEȘTI

BIBLIOGRAFIE

[1]. TPA HORWATH, SCHOENHERR ȘI ASOCIATII SCA /Schoenherr attorneys at law, „Wind Energy and other renewable energy sources in Romania 2013”

[2]. Dr. GUȘĂ D.N, Drd. MAFTEI D, Dr. GHIURCĂ D.Ș, Conf. Univ. Dr. RANG C, Dr. POP O. – Raport de mediu puz parc eolian: „SC WIND ENERGY POWER SERVICE”?,juu

[3]. D. Das, “Electrical Power Systems”, New Age International Limited Publishers, New Delhi, 2006.

[4]. A. Keyhany, M. N. Marwali, M. Dai, “Integration of Green and Renewable Energy in Electric Power Systems”, John Wiley & Sons, Inc., New Jersey, 2010.

[5]. M. Crappe, “Electric power Systems”, ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc., 2008.

[6]. Livre vert: “Énergie pour l’avenir: les sources d’énergie renouvelables”, COM(96)576 du 20.11.1996.

[7]. Livre blanc: “Énergie pour l’avenir: les sources d’énergie renouvelables. Une stratééet un plan d’action communautaires” COM(97)599 du 26.11.1997.

[8]. R. E. Babe, “Culture of Ecology: reconciling economics and environement”, University of Toronto Press, 2006.

[9]. “The economics of solar Power for California: A white Paper”, Akeena Solar Inc., 2005.

[10]. www.nrel.gov/docs, “Trough Solar Thermal electric Plants”.

[11]. Powerfromthesun.net. Solar energy Design.

[12]. “Concentrating Solar Power: Energy Mirrors”, DOE/GO-102001-1147, FS 128, March, 2001.

[13]. “Solar Two central Receiver. Consultant report”, october, 1999, California Energy Comission.

[14]. O. Russell, “Light sensitive device”, Patent 2402662 U.S., 1946.

[15]. “Wind Energy. The facts”, European Wind Energy Associassion, Luxembourg, 1999.

[16]. I. Bostan, V. Dulgheru, I. Sobor, V. Bostan, A. Sochirean, “Sisteme de conversie a energiilor regenerabile”, Editura Tehnica-Info, 2007.

[17]. aol.com

[18]. http://www.mityc.es/NR/rdonlyres/BD255F82-2DFF-4C85-AF1E-0E6F5D318696/0/Resumen Renovables2050.pdf

[19]. http://www.canyonsdelmaresme.cat/custodia-marina/