Energia eoliană [618138]

3

Cap. 1
Energia eoliană

1.1 RESURSA EOLIANĂ

Datorită încă lzirii diferen țiate de către soare a atmosferei terestre precum și ca urmare
a for ței Coriolis asociate cu mișcarea de rota ție a Pământului, apar mișcări ample ale maselor
de aer,ceea ce conduce la clasificarea energiei eoliene ca fiin d o formă indirectă de energie
solară. Se subînțelege deci că distribu ția energiei eoliene este neuniformă de la o regiune la
alta. Analizând deplasarea curen ților de aer pe verticală, viteza curenților de aer crește
gradual cu înă lțimea, până când se stabilizează la o altitudine ce poate ajunge până la
aproximativ 2000 m.
Datorită for țelor de frecare și a neuniformității geometrice a terenului și diverselor
construcții, în apropierea suprafeței Pământului viteza scade semnificativ. Se ia în calcul
factorul 0z, de rugozitate a terenului, care reprezintă înăl țimea teoretică până la care viteza
vântului este zero.
Tabelul 1. 1 prezintă valori ale factorului de rugozitate pentru diverse tipuri de terenuri și
construcții. De asemenea, 0z , poate fi calculat direct dacă se efectue ază simultan măsurători
ale vitezei vântului la două înă lțimi diferite și se aplic ă următoarea lege [1]:

2 11 2 2 1
0ln lnlnvvz vzvz (1.1.1)
unde 1v și 2v reprezintă vitez ele măsurate ale vântului la înă lțimile z1, respectiv z2.
Pentru valorificarea resursei eoliene, este de interes cunoa șterea variației vitezei
vântului până la o înălțime de maxim 150 m în raport cu suprafa ța terenului. Legea de
varia ție a vitezei este definită de relația:

a
zzvv



21
2 1 (1.1.1)
Constanta a reprezintă exponentul lui Hellman și depinde întrutotul de tipul suprafeței
terenului, stabilitatea aerului, perioada din zi, anotimpul, temperatura și rugozitatea
suprafeței. Câteva exemple de valori ale exponentul lui Hellman sunt prezentate în tabelul
1.2. Valoarea acestuia se poate calcula după următoarea relație logaritmică :

24,0) (ln 016,0 ln 096,02o o z z a (1.1.2)

4
Tabelul 1.1 valorile factorului de rugozitate pentru diverse tipuri de teren [2],[3]
Tipul terenului/ construcțiilor zo [m]
Suprafețe plane umede, turbării, suprafețe plane
arctice 10-53×10-5
Suprafețe plane nisipoase sau înzăpezite 2×10-410-3 (tipic 0,051)
Suprafață oceanică liniștită 23×10-4
Iarbă cosită 0,0010,01
Iarbă de mică înălțime 0,010,04 (tipic 0,032)
Teren agricol nelucrat (pârloagă) 0,020,03
Iarbă cu înălțime mare, culturi agricole joase 0,040,105(tipic 0,103)
Culturi agricole de înălțime mare, suprafețe cu
arbuști 0,254
Teren împădurit 0,11(tipic 0,505)
Teren cu construcții de mică înălțime, suburbia 12
Oraș 14

Tabelul 1.2  Exemple de valori ale exponentului lui Hellman [4]
Locația și starea atmosferei a
Atmosferă instabilă deasupra unei suprafețe de apă 0,06
Atmosferă neutră deasupra unei suprafețe de apă 0,10
Atmosferă instabilă deasupra unei zone plane de coastă 0,11
Atmosferă neutră deasupra unei zone plane de coastă 0,16
Condiții atmosferice constante deasupra unei suprafețe de apă 0,27
Atmosferă instabilă deasupra habitatelor umane 0,27
Atmosferă neutră deasupra habitatelor umane 0,34
Condiții atmosferice constante deasupra unei zone plane de coastă 0,40
Condiții atmosferice constante deasupra habitatelor umane 0,60

Puterea vântului este direct proporțională cu cubul vitezei acestuia. De exemplu ,
puterea disponibilă pentru o viteză de 10m/s este de 8 ori mai mare decât pentru o viteză de
5m/s. Pentru a calcula puterea dezvoltata de o turbină eoliană , se pornește de la ecuația
energiei cinetice cE a masei de aer mcare se deplasează cu viteza v:
2 22 2Vv mvEc (1.1.3)
Masa m a fost exprimată ca produs al densității  și al volumului V de aer. Pentru
a determina volumul, se ia în considerare aria A acoperita de rotorul turbinei eoliene,
perpendiculara pe direcția curgerii aerului. Pentru o turbina cu ax orizontal care are diametrul
rotorului D, aria este :
42DA
(1.1.4 )
iar volumul de aer ce traversează rotorul in timpul t este

5
tvDtvAV 42
(1.1.5)
Astfel ecuația energiei cinetice 1.1.3 devine
83 2tvDEc
(1.1.6)
Energia utilă uE pe care o turbină o recuperează din energia vântului și o convertește
în energie electrica se calculează după relația :
f e i u E EE E  (1.1.7)
În ecua ția 1.1.5, iE și eE, reprezintă energia masei de aer înainte, respectiv după ce
a interac ționat cu turbina, iar fE, este energia pierdută prin frecare în transmisia turbinei și
în generator. În literat ura de specialitate se obișnuieș te ca energia utilă să fie exprimată în
raport cu iE și cu randamentul turbinei cuantificat prin coeficientul aerodinamic de putere al
acesteia pC:
p p i c CtvDCE E 83 2
(1.1.8)
sau, ținând cont de faptul că puterea este energia livrat ă în unitatea de timp, rezultă relația de
calcul a puterii turbinei:
pCvD P 3 2
81 (1.1.9)
Relația anterioară este valabilă pentru turbinele cu ax orizontal. Generalizând pentru orice tip
de turbi nă al cărei rotor aco peră aria A, aceasta devine:
pCvA P 3
81 (1.1.10)
Chiar și în situa ția în care nu ar exista pierderi prin frecare, randamentul maxim al
unei turbine nu ar putea depăși valoar ea 59,3%, deci un coeficientul pC , de maxim 0,593.
Această limită a fost calculată de Albert Betz în baza principiilor de conservare a energiei și
publicată în 1920. Turbinele moderne de mare cap acitate ating randamente de 40  45%. În
figura 1.1 se observă variația coeficientului de putere pC, al diferitelor tipuri de turbine
eoliene în funcție de raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza vântului.

6

Fig. 1.1 — Varia ția coeficientului C, cu raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza
vântului, pentru diferite tipuri de turbine eoliene

Din relațiile 1.1.9 și 1.1.10 se observă că puterea dezvoltată de tu rbina eoliană este
proporțională cu puterea a treia a vitezei vântului, cu pătratul diametrului rotorului și cu
densitatea aerului . Aceasta din urmă depinde de altitudine, temperatură, umiditate și de
coordonatele zonei geografice (latitudine și longitudine).
În majoritatea cazurilor generatorul antrenat de turbina eoliană începe să producă energie
electrică a tunci când puterea vântului depă șește puterea necesară învingeri i forțelor de frecare
din transmisie și pierderile prin frecarea dintre curenț ii de aer și paletele turbinei. Viteza
vântului la care turbina atinge puterea nominală este numită viteză nominală. La viteze ale
vântului care pun în pericol integritatea structurală a turbinei datorită forțelor centrifuge,
rotorul este amplasat pe o direcție care dif eră de direcția vântului iar generatorul este oprit.
În cazul turbinelor cu generatoare sincrone, pentru a extrage maximum de putere și
pentru vit eze ale vântului mai mari decât viteza nominală, se controlează val oarea
coeficientului de putere pC, prin rotirea paletelor sau a vârfurilor lor în jurul axei
longitudinale, modificând astfel unghiul de atac al paletei.
Figura 1.2 arată varia ția coeficientului pC, în funcție de raportul  dintre viteza periferică a
paletei și viteza vântului, pentru unghiuri de atac de până la 15o. Cantitatea de energie pe care
rotorul o poate extrage din energia v ântului depinde de turație. Dacă aceasta este prea mică, o
parte din masa de aer în mișcare va trece printre palete fără a le influența, iar dacă turația este
prea mare turbulențele create de o paletă vor interacționa cu paleta următoare influențându -i
negativ funcționarea. Turația optimă este d efinită în general de raportul  dintre viteza
periferică a paletei pv și viteza vântului vv:

7
vp
vv (1.1.11)

Fig. 1.2 — Variația coeficientului C, cu raportul dintre viteza periferică a paletei și viteza
vântului pentru diferite unghiuri de atac )

8
1.2 CONSTRUCȚIA ȘI FUNC ȚIONAREA TURBINELOR EOLIENE
Indiferent de categoria din care fac parte, în construcția sistemelor de conversie a
energiei eoliene în energie electrică intră rotorul cu palete, multiplicatorul de tura ție (acesta
nu este necesar la unele modele de turbine de putere mică ), frâna și generatorul. La turbinele
cu ax orizontal este de asemenea necesar un sistem de orientare a rotoru lui pe direcția
vântului.
În funcție de orientarea axei rotorului, turbinele pot fi cu ax orizontal și cu ax vertical.
Modelele cu ax orizontal sunt cele mai răspândite, la rândul lor clasificându -se după
amplasarea sistemului în raport cu vântul, în (v ezi. figura 1.3):

Fig. 1.3 — (a) amplasare în amonte, cu sistem activ de orientare; (b) amplasare în amonte, cu
sistem pasiv de orientare; (c) amplasare în aval [13]
Sisteme cu amplasare în amonte, când primul contact cu vântul îl iau paletele
rotorului. E ste necesar ca rigiditatea paletelor să fie mai mare pentru a evita contactul cu
turnul prin încovoiere sub acțiunea curen ților de aer. De asemenea, se impune existența unui
sistem de orientare după direcția vântului.
Sisteme cu amplasare în aval este considerat sistemul în care turnul și nacela au
primul contact cu vântul, după care rotorul cu palete. Spre deosebire de modelele cu
amplasare în amonte, flexibilitatea paletelor poate fi mai mare și nu este necesar sistemul de
orientare întrucât ansamblul nacelă -rotor se auto -orientează. Aceste avantaje se traduc printr –
o valoare mai mică a investiției ini țiale. Pe de altă parte însă, datorită turbulen țelor și
pierderilor de viteză a vântului la interacțiunea cu nacela și turnul, aceste sisteme au un
randa ment mai scăzut. De asemenea, atât turbulen țele cât și pierderile de presiune din spatele
turnului conduc la varia ții bruște și periodice ale solicitărilor în palete, acestea necesitând o
rezistență sporită la oboseală.

9
Componentele unei turbine e oliene su nt puse în evidență în figura 1.4. Paletele
turbinei pot fi confecționate din fibră de sticla, lemn, oțel, aluminiu sau titan și sunt în număr
de maxim patru, existând și un model cu o singura paletă și o contragreutate în locul paletei
pereche. Această soluție aparte oferă avantajul unui preț mai scăzut. Totuși, între versiunile
comerciale, cea mai ieftină este cea cu două palete însă, la fel ca și modelul cu o paletă,
nivelul lor de zgomot este mai ridicat. Rotoarele cu patru palete sunt bine echilibrate însă au
o masă mare și o eficien ță raportată la cost mai scăzută [6]. De asemenea, datorită numărului
par de palete, construcția manifestă probleme de stabilitate la fiecare rotație atunci când
paleta superioară se află în poziție verticală superioară, dat orită faptului că dezvoltă putere
maximă în timp ce paleta inferioară se află în umbra t urnului de susținere. Figura 1.5 arată o
diferență considerabilă a valorii factorului de putere între rotoarele cu o paletă și cele cu două
palete, creșterile fiind îns ă nesemnificative în raport cu investiția inițială pentru un număr de
palete mai mare de trei.
Soluția de compromis utilizată în prezent pe scară largă este rotorul cu trei palete.
Pentru acest tip de rotor parametrul  are valori optime cuprins: între 6 și 7, ceea ce arată că
turația optimă a turbinei variază cu viteza vântului.

Fig. 1.4Elementele componente ale unui sistem de conversie a energiei eoliene [14]

10

Fig.1.5 Variația coeficientului de putere (C p) cu numărul paletelor rotorului (z)
și raportul  [7]

Butucul rotorului poate fi rigid sau cu o u șoară “bătaie” radială care permite eliberarea
unei părți din solicitările structurale transmise de palete.
Turațiile la care ajung rotoarele turbinelor mode rne de mare capacitate sunt cuprinse
între 5 și 20 rot/min. În același timp, generatoarele funcționează la 800 -3000 rot/min, ceea ce
impune existența unei transmisii între generator și rotor care să multiplice turația acestuia din
urmă.
Transmisiile sunt s upuse unor solicitări mecanice cu varia ții și frecvențe mari datorită
momentului rezistent variab il opus de generator, în tendinț a acestuia de a -și sincroniza
permanent turația cu frecvența fixă la care trebuie să livreze energie electrică, în condiții de
fluctua ții ale vitezei vântului. Este deci necesară o construcție robustă, care trebuie ridicată la
înălțimea nacelei în cazul turbinelor cu ax orizontal și care necesită o întreținere permanentă.
Datorită problemelor ridicate de investiția inițială și de costurile de întreținere, devin
din ce în ce mai populare soluțiile cu conectare directă la generator sau cu generatoare cu
funcționare la turație variabilă. Această din urmă variantă reduce semnificativ so licitările
mecanice asupra transmisiei și crește randamentul global al întregului sistem.
Generatoarele antrenate direct de la rotor elimină transmisia, însă au dimensiuni și
mase semnificativ mai mari decât generatoarele cu antr enare prin intermediul transmisie i,
ceea ce le face dificil de utilizat în s pecial în construcția turbinelo r de mare capacitate (figura
1.6).
Turbinele moderne cu i njectarea energiei direct în rețea necesită sincronizare cu
frecvența rețelei. În trecut, soluția constă în utilizarea generatoarelor asincrone, însă controlul
turației acestora contribuia la destabilizarea rețelei, ceea ce a impus soluții de compensare
reactivă pentru parcurile de turbine de mari dimensiuni.
Utilizarea unui generator sincron convențional presupune o tura ție constantă a
acestuia pentru a furniza energie la frecvența rețelei, ceea ce înseamnă c ă și rotorul turbinei

11
trebuie să aibă o turație constantă. Se utilizează astfel doar parțial potențialul energetic al
curenților de aer, care au viteze variabile în timp.
O soluție care rezolvă parțial problema, impl ementată de unii producători, constă în
utilizarea a două generatoare, fiecare cu câte o tura ție nominală, pentru vânt cu viteză mică
respectiv mare. Rămâne însă nerezolvată problema momentului rezistent variabil cu care
generatorul acționează asupra trans misiei în încercarea de a -și menține constantă turația. În
prezent există două tipuri de generatoare pentru turbine eoliene care pot funcționa la turații
variabile:
(1) cu conversie parțială, care permit variații ale turației între 10 și 20%;
(2) cu conv ersie totală, mai costisitoare din punct de vedere al prețului însă mult mai
flexibile la varia țiile vitezei vântului.

Fig. 1.6 — Generator cu antrenare directă de la arborele rotorului; dimensiunea este
de 10 ori mai mare decât a unui generator antrenat prin intermediul transmisiei [7]
Turnurile utilizate în prezent la turbinele de mare capacitate sunt în general din beton
sau oțel și sunt fixate pe o fundație solidă, cu un diametru mai mare decât cel al turnului. Cea
mai întâlnită soluție o constituie î nsă turnurile din secțiuni cilindrice metalice îmbinate între
ele.
Elementele în funcție de care se stabilește diametrul turnului sunt înălțimea turbinei și
diametrul rotorului, ambele fiind influen țate de capacitatea nominală a sistemului și de
necesitate a de a ridica rotorul la o înălțime suficientă pentru a -l feri de turbulențele din
apropierea solului și pentru a beneficia de viteze mai mari ale vântului. Pentru fiecare 10 m
câștigați pe înălțime este posibilă o creștere a puterii cu până la 36% [7]. Di n punct de vedere
estetic, se consideră optimă varianta în ca re înălțimea turnului este egală cu diametrul
rotorului.

12
Un aspect important luat în considerare în procesul de proiectare al turnului îl
constituie frecven țele de rezonanță ale acestuia, care nu trebuie să se suprapună ca valoare cu
turația rotorului. Acest fenomen este cu atât mai probabil cu cât înălțimea turnului este mai
mare. De asemenea, turnul este supus la solicitări semnificative de încovoiere (figura 1.8) și
torsiune generate de amplasa rea unei mase mari (nacela și rotorul cu palete) la partea
superioară și de forțele pe care le exercită vântul asupra rotorului.
Variabilitatea acestor solicitări trebuie luat ă în considerare în procesul de proiectare
atunci când se calculează rezisten ța la oboseală. Turnul servește și ca incintă pentru sistemele
de comandă și control, pentru cablurile electrice și pentru l iftul și scările de acces ale
personalului de întreținere la nacelă.

Fig. 1.8  Depășirea limitei la încovoiere a turnului unei turbine eoliene din districtul
Lincoln (USA), în condiții de furtună[16]
Pentru o ori entare precisă pe direcția vântului a turbinelor cu ax orizontal , sistemele
active de orientare sunt comandate de un co ntroler. În general se utilizează motoare pas -cu-
pas (elementul 14 din figura 14) sau motoar e hidraulice . Aceste sisteme contribuie de
asemenea la împiedicarea răsucirii cabluril or electrice care pornesc din nacelă, prin alternarea
direcției în care este rotită nacela, spre deosebire de sistemele pasive, cu auto -orientare, care
nu au capacitatea de a înregistra numărul și sensul rotirilor.

13
1.3 TIPURI DE TURBINE EOLIENE
În rândurile anterioare au fost prezentate deja principalele caracteristici constructive în
funcție de care sunt clasificate turbinele eoliene: orientarea axei de rota ție, amplasarea
rotorului în raport cu turnul de susținere și direcția vântului, posibilitatea reglării unghiului de
atac, tipul de generator electric utilizat. Para graful curent va trece în revista aspecte legate de
conceptul principal care stă la baza clasificării turbinelor, respectiv orientarea axei rotorului.
Din acest punct de vedere, figura 1.9 prezintă cele mai răspândite concepte existente la ora
actuală.

Fig.1.9 Tipuri de turbine eoliene, după orientarea axei rotorului: rândul superior – cu
ax orizontal; rândul inferior – cu ax vertical [3]
1.3.1 TURBINE CU AX VERTICAL
Construcția turbinelor din această categorie este mai simplă, având în vedere faptul că
atât transmisia cât și generatorul pot fi amplasate la nivelul solului. De asemenea majoritatea
variantelor constructive presupun amplasarea unui rulment de susținere a rotorului la nivelul
solului. A ceste caracteristici se reflectă într-o întreținere m ai ușoară în comparație cu
turbinele cu ax orizontal. Un alt avantaj constă în faptul că nu este necesar un sistem de
orientare în vânt, întrucâ t funcționează indiferent de direcția acestuia, ceea ce le recomandă
utilizării în Zone cu variații frecvente al e direcției vântului.
Turbina Darrieus , inventată de inginerul francez Georges Darrieus în 1931, este
caracterizată de paletele de forma literei C, care au capetele prinse de ax la partea superioara
și inferioară a acestuia (figura 1.10 a). Ca variante al e acestui concept pot fi întâlnite turbine
cu rotor în H cu paletele dispuse vertical (turbinel e Gyromill), drepte (figura 1.10 b)) sau
elicoidale (cicloturbine ) (figura 1.10 c ). Versiunile constructive includ două, trei sau patru
palete, uniformitatea în funcționare crescând cu numărul acestora. Un avantaj propriu acestor

14
turbine constă în faptul că viteza periferică a paletelor este mai mare decât viteza vântului,
chiar comparativ cu turbinele cu ax orizontal, ceea ce le face adecvate aplicațiilor de gene rare
a energiei electrice.

Fig.1.10 Tipuri de turbine , după orientarea axei rotorului: rândul superior – cu ax
orizontal; rândul inferior – cu ax vertical [3]
Turbinele Darrieus prezintă însă și unele dezavantaje care le -au limitat aplicabilitatea
practică , cum ar fi :
– fluctuații le semnificative ale cuplului motor la fiecare rota ție, datorită faptului că
paletele din aval (opuse direcției din care bate vântu l ) vor fi influen țate de turbulențele create
de paletele aflate în amonte și de turnul de susținere. Prin urmare, asupra lor se e xercită for țe
de torsiune cu un caracter asimetric și eratic, care sunt transmise și către turnul de susținere.
Mai mult decât atât, partea inferioară a paletelor funcțio nează într -o zonă mai turbulentă ,
specifică proximită ții terenului, ceea ce are ca efect o distribuție inegală a încărcării paletelor
pe lungimea lor. Însumate, toate aceste solicitări conduc la un fenomen accentuat d e oboseală
a întregii structuri;
– coeficient de putere ceva mai mic decât cel al unei turbine similare cu ax orizontal;
– capacitate limitată de reglare a turației la viteze mari ale vântului, majoritatea
modelelor fiind prevăzute cu sisteme de frânare prin fricțiune. Unele modele sunt prevăzute
însă cu frâne aerodinamice (voleți amplasa ți pe palete) cu declanșare automată a tunci când
turația depă șește o anumită limită;
– capacitate redusă de auto -pornire. De obicei este necesară utilizarea unei surse
externe, cel mai adesea cu generatorul funcționând pe post de motor, până când rotorul
turbinei atinge turația la care forțele aerodinamice care acționează asupra paletelor pot
asigura funcționarea independentă a turbinei. O alternativă constructivă presupune montarea
pe același ax atât a paletelor Darrieus cât și a unei turbine Savonius (v. mai jos), cunoscută
pentru capacitatea de a intra în funcțiune la viteze scăzute ale vântului. Există însă și situații
în care aceste turbine pornesc singure, fapt care a condus în unele cazuri la autodistrugerea
sistemelor respective.
)a )b )c

15

Fig.1.11 Principiul constructiv al turbinelor Savonius [10]
Turbina Savonius a fost inventată de inginerul finlandez Sigurd Johannes Savonius în
1922.Versiunea clasică are o construcție foarte simplă care constă în două jumătăți de
cilindru dispuse în forma literei S, cu un spațiu de trecere a aerului între ele. În figura 1.11 a
se observă principiul constructiv al acestor turbine și principalele dimensiuni, între care
suprapunerea S dintre cei doi semicilindri și diametrul d al acest ora, precum și unghiul de
atac . Spre deosebire de celelalte tipuri, funcționarea turbinelor Savonius nu se bazează pe
forța portantă care se manifestă asupra unui profil aerodinamic, ci pe forța rezistentă generată
la deplasarea unui corp într -un curent de aer. Diferența de tracțiune dintre cei doi semici lindri
orientați diferit față de direcția de deplasarea a aerului dă naștere unui cuplu motor, care însă
variază semnificativ cu unghiul de atac, existând o poziție în care sistemul se află în echilibru
(cuplu motor zero). De aceea, pentru a menține mișcar ea de rota ție, este necesară dispunerea
a minim două etaje (figura 1.12 a) sau “spiralarea” semicilindrilor (figura 1.12 b).

16

Fig. 1.12  (a) Turbina Savonius cu 3 etaje, fiecare cu cate 3 cupe
(b) Uniformizarea cuplului turbinei Savoni us prin spiralarea cupelor [3]

Figura 1.12 prezintă o schemă de utilizare a turbinei TS1 cu puterea nominală de 1
kW la viteza nominală de 10 ms și cu plaja de funcți onare între 3 și 25 m/s, produsă de
ICSITMUA Braș ov.
Varianta din urmă are și avantajul unui cuplu motor uniform pe parcursul unei rota ții. Au o
eficiență scăzută, de doar 12 -15%, surclasată însă de simplitatea constructivă, de valoarea
ridicată a cuplului la pornire (pornesc singure), de caracterul omnidirecțional al funcționării și
de faptu l că se comportă bine în condiții de vânt turbulent. De a semenea, silențiozitatea,
rezilien ța și rezisten ța la viteze mari ale vântului constituie avantaje suplimentare.

17
Datorită curbei de putere similare cu cea a pompelor de apă, turbinele Savonius sunt
adecvate aplicațiilor de pompare a apei, dar pot fi utilizate și pentru producerea de energie
electrică.

Fig. 1.13  Utilizarea turbinei Savonius pentru pomparea apei (adaptare după [11])
1.3.2 TURBINE CU AX ORIZONTAL
Detalii le constructive și funcționale privind turbinele cu ax orizontal au fost deja
prezentate pe parcursul paragrafului 1.2. Rotorul, nacela cuprinzând transmisia și generatorul,
precum și sistemul de orientare a turbinelor cu ax orizontal după direcția vântului, sunt
amplasate l a partea superioară a turnului de susținere (figura 1.4), ceea ce ridică gradul de
complexitate al constru cției și al procesului de mentenanță în raport cu turbinele cu ax
vertical. Dezvoltă un cuplu redus la pornire iar viteza nominală a vântului se încad rează de
obicei între 10 și 13 m/s. În ciuda acestor neajunsuri, datorită eficienței superioare modelelor
cu ax vertical, acestea sunt predominante pe piața producției de energie electrică utilizând

18
resursa eoliană, atingând capacități individuale de peste 3 MW și diametre ale rotorului ce pot
depăși 100 m. Soluția cu ax orizontal este de asemenea preferată și pentru aplicații
reziden țiale de câțiva kilow ati. Indiferent de capacitatea nominală, din punct de vedere al
amplasării în raport cu direcția vântulu i predomină turbinele cu rotorul dispus în amonte
(figura 1.3 a).
Tabelul 1.3 prez intă în mod centralizat principalel e avantaje și dezavantaje ale celor două
tipuri de turbine .
Tabelul 1.3 — Avantajele și dezavantajele t urbinelor cu ax orizontal și vertical
Caracteristica Turbine cu ax orizontal Turbine cu ax vertical
Viteza vântului
la pornire Turbinele cu ax vertical pornesc în general la viteze mai mici ale vântului
decât turbinele tipice cu ax orizontal
Eficiența Întrucât paletele sunt antrenate de
vânt pe parcursul întregii rota ții au
eficien ță ridicată . Turnurile
susținere înalte plasează rotorul în
zonele cu turbulență redusă și
viteză mare a vântului. . În
anumite zone, pentru fiecare l0m
câștigați în înălțime viteza vântului
crește cu 20% iar eficiența turbinei
cu 34%. Paletele turbinelor cu ax vertical
valorifică energia vântului doar pe o
porțiune din traiectoria
corespunzătoare unei rotații , pe
cealaltă porțiune generând un cuplu
rezistent care se opune cup lului
motor util. Paletele sau porțiuni ale
lor sunt amplasate la înălțimi mici (
zone turbulente și cu viteze mici ale
vântului). Pentru sporirea eficienței
există proiecte prin care fluxul de
aer este canalizat in zona rotorului.
Amplasarea Trebuie amplasate în spații
deschise, în care nu există alte
structuri sau formațiuni înalte.
Sunt preferate zonele în care
direcția vântului și amplitudinea
vitezei acestuia sunt relativ
constante pe parcursul anului. Fiind amplasate la înăl țimi reduse,
turbinele de mică putere pot
valorifica spațiile libere de pe
acoperi șuri, dealuri,pasaje și alte
locații care canalizează vântul
sporindu -i viteza. În caz contrar
trebuie amplasate în spa ții deschise,
în care nu există alte structuri sau
formațiuni înalte.

Elemente
tehnice Amplasarea rotorului în aval în
raport cu direcția vântului induce
solicitări la oboseală în palete
datorită turbulențelor și scăderii
bruște de presiune la trecerea prin
dreptul turnului de susținere .
Necesită mecanism de orientare a
rotorului.
Nu necesită mecanism de orientare.
Generatorul și transmisia sunt
amplasate la nivelul solului.

Instalarea
În cazul turbinelor de mare putere
este necesară construirea/ ridicarea
unui tur masiv, urmată de ridicarea Amplasarea generatorului și a
transmisiei la nivelul solului
simplifică montajul și întreținerea

19
și montarea la partea superioară a
acestuia a rotorului cu palete și a
nacelei cuprinzând transmisia,
generatorul și mecanismul de
orientare.
turbinei.

1.4 PROBLEME SOCIALE ȘI DE MEDIU
Problemele sociale și de mediu sunt proprii parcurilor de turbine de mare capacitate
distribuite pe suprafe țe vaste, eventual aflate în apropierea zonelor populate sau protejate. În
scurta istorie a acestor parcuri au fost raportate și analizate următoarele categorii de
probleme: impactul vizual, zgomotul, impactul ecologic local, utilizarea terenului, efectele
asupra semnalelor electromagnetice (semnale radio, TV, radar).

1.4.1 Impactul vi zual
Locul de amplasare al turbinelor eoliene și mărimea acestora reprezintă un factor
cheie în ceea ce privește acceptarea lor de către public în unele țări europene. În anii de
început al dezvoltării parcurilor eoliene au existat numeroase proteste ale comunităților locale
atunci când, în vecinătate, s -a încercat amplasarea de turbine eoliene. Acesta a fost unul
dintre motivele pentru care s -au căutat cu precădere locuri de amplasare izolate și/sau care să
nu afecteze vizual anumite peisaje naturale deosebite. De asemenea, sub același pretext s -a
începu t dezvoltarea de parcuri eoliene offshore (în largul coastelor), dove dindu -se ulterior că
în aceste z one există avantaje legate de uniformitatea, intensitatea și direc ția vântului.
Estetica acestor parcuri și impresia lăsată de rotoarele de mari dimensiuni în funcționare
constituie în prezent un punct de atrac ție turistică. Mai mult decât atât, datorită factorului
educativ cu privire la sursele regenerabile de energie propagat prin mijloacele media și
datorită semnalelor permanente ale oamenilor de știință pe aceea și temă, un număr redus de
turbine de vânt (de ex. până în 30) este perceput ca benefic de diversele comunitățile locale,
cu condiția ca acestea să nu se afle prea aproape de zonele rezidențiale.
Există câ țiva factori care influențează în sens pozi tiv acceptul publicului. Cel mai
important este proprietatea par țială sau chiar totală asupra sistemelor eoliene, cu efecte
precum costuri mai reduse și/sau livrarea preferen țială a energiei pe plan local. Un alt aspect
care trebuie luat în considerare con stă în colaborarea reală dintre constructori și liderii
comunităților în faza de inițiere și planificare a parcului eolian.
1.4.2 Zgomo tul
În procesul de proiectare al paletelor turbinelor, nivelul zgomotului produs în timpul
funcționării este totdeauna luat în considerare, încercându -se minimizarea lui. De -a lungul
timpului au fost raportate efecte datorate zgomotului funcționării turbinelor, precum
amețeala, anxietatea, durerile de cap și întreruperi ale somnului. În acest scop, unele țări au
luat măsu ri. De exemplu, în Ontario, Canada nivelul de zgomot produs la o distan ță de 30 m
de locuințe sau de spațiile de campare nu trebuie să depă șească 40 dB. Alte țări au stabilit
distanțe minime între turbine și zonele locuite, distan ța tipică fiind de doi km.

20
S-a constatat ca zgomotul dominant, caracteristic funcționării turbinelor, este continuu
și are frecven țe de peste 100 Hz, datorându -se în principal interac țiunii paletelor cu
turbulențele atmosferice. În cazul turbinelor cu rotor în aval este generat zgo mot cu frecven țe
de 20 -100 Hz și impulsuri sonore, provocate la intrarea paletelor în zonele cu curgere
deficitară a curentului de aer în dreptul turnului de susținere. La toate acestea se adaugă
zgomotul de origine mecanică provocat de funcționarea transm isiei, generatorului,
echipamentelor hidraulice și auxiliare etc. Printre tehnicile și metodele de reducere a
zgomotului cu frecvențe de peste 100 Hz se află reducerea vitezei la vârf a paletei, valori mai
mici ale unghiului de atac, amplasarea configurați ilor cu rotoare în amonte, implementarea
soluțiilor cu funcționare la turații variabile ale rotorului, forme speciale pentru bordul de fugă
(muchia din spatele paletei) și pentru vârful paletei. Zgomotul de natură mecanică poate fi
redus prin optimizarea c omponentelor mecanice și a parametrilor de funcționare ai acestora,
utilizarea deflectoarelor și izolarea fonică a nacelei, utilizarea amortizoarelor de vibra ții [12].
1.4.3 Emisiile de gaze de seră

Întrucât nu există consum de combustibil pe parcursul funcționării turbinelor eoliene,
nu pot fi asociate emisii de gaze de seră procesului de producție a energiei electrice. Cu toate
acestea, amprenta de carbon poate fi asociată fabricației componentelor turbinelor și
construcției acestora, pe parcursul cărora sunt utilizate și transportate materiale precum
oțelul, cuprul, betonul, aluminiul, polimerii etc. Conform rapoartelor firmei Vestas, aceste
emisii de gaze de seră sunt compensate după aproximativ nouă luni de funcționare a unei
turbine de 2 MW în condiții de vânt cu intensitate scăzută, prin compara ție cu o centrală
standard pe bază de cărbune. Într-un studiu al Irish National Grid se raportează faptul că
reducerile de CO, sunt cuprinse între 330 și 590 t pentru fiecare GWh de energie produsă de o
turbină eoliană.

1.4.4. Utilizarea terenului

Necesarul de teren pentru fiecare megawatt al capacității unei turbine este de 0,1 km”,
ceea ce înseamnă că un parc eolian de 1 GW poate ocupa o suprafa ță de 100 km”. Distanța
dintre două turbine alăturate treb uie să fie suficient de mare pentru ca acestea să nu se
influențeze reciproc prin turbulențele pe care le creează. Raportând suprafa ța respe ctivă la
capacitate, rezultă că se pot obține 10 W pentru fiecare m2 de teren, în ipoteza în care vântul
bate perma nent cu viteză constantă. Luând în considerare faptul că factorul de capacitate al
turbinelor moderne este de 20 -30%, capacitatea specifică se reduce la 2 -3 W/m2.
În zonele favorabile din punct de vedere al capacită ții eoliene puterea specifică totală
a vântului este de aproximativ 500 W/m'. Deși la prima vedere terenul este impropriu utilizat
întrucât turbinele eoliene valorifică doar 0,4 -0,6% din această energie, trebuie luat în calcul și
faptul că mai puțin de 1% din suprafa ța ocupată de parcul eolian es te scoasă efectiv din uz
prin construcția de fundații și drumuri de acces. Restul de 99% poate fi destinat altor activități
generatoare de venituri, în general activități agricole cum ar fi pășunatul și înființarea de
culturi.
De asemenea, proprietarii de terenuri pot beneficia de chirii stabilite în funcție de
numărul turbinelor și capacitatea acestora. De exemp lu, în Statele Unite chiria era de 3000 —
5000 $/an pentru fiecare turbină, iar densitatea medie este de o turbină de mare capacitate la
fiecare 1 7 ha.

21
Trebuie avut în vedere însă că turbinele pot interfera cu anumite lucrări agricole, cum
ar fi de exemplu tratamentele ef ectuate cu avioane și elicoptere utilitare, fiind stabilite
distanțe limită până la care acestora le este permis să se apropie de turbine.
1.4.3 Efecte asupra faunei
Încă de la apari ția turbinelor e oliene de mare capacitate s -a manifestat îngrijorare cu
privire la impactul pe care îl au asupra păsărilor. Cercetările au demonstrat faptul că rata de
mortalitate a păsărilor este de ap roximativ 0,4 pentru fiecare GWh de electricitate produsă,
valoarea fiind de fapt comparabilă cu cele raportate pentru orice altă structura artificială cu
dimensiuni similare. Cifra este neglijabilă în compara ție cu rata de mortalitate cauzată de
traficul auto, vânătoare,clădirile înalte și liniile de înaltă tensiune. Pe de altă parte s -a
constatat că păsările preferă să evite spațiile ocupate de parcurile eoliene, ceea ce a condus la
o scădere a popula ției acestora în zonele respective. Acest aspect a fost semnalat de diverse
organizații de profil, recomandându -se evitarea înființării de parcuri eoliene în proximitatea
ariilor importante pentru anumite specii cum ar fi: habitatele speciilor periclitate menționate
în International Union for Conservation of Nature and Natural Resources Red List; traseele
speciilor migratoare; habitatele preferate de popula țiile de păsări; în apropierea elementelor
geografice care atrag speciile de răpitori. Alte recomandări men ționează evitarea amplasării
turbinelor în configu rații care ar putea favoriza creșterea ratei mortalită ții păsărilor, sau în
zone care ar conduce la fragmentarea unor habitate de mari dimensiuni populate de orice tip
de faună.
Ca urmare a acestor recomandări și a susținerii lor de către societățile de pr ofil și de
ONG -uri, au fost luate măsuri specifice inclusiv pentru parcurile eoliene existente la data
elaborării regulilor mai sus menționate. De exemplu, parcul eolian Penascal Wind Power din
Texas, amplasat pe trase ul păsărilor migratoare, a implementa t un sistem radar care are
capacitatea de a detecta păsările de la o distanță de 6 km și care poate determina dacă există
posibilitatea ca păsările să intre în zona de acțiune a palelor. În această eventualitate sistemul
oprește automat turbinele și le repornește după ce condițiile de siguran ță pentru păsări se
restabilesc. Turbinele eoliene prezintă însă un pericol deosebit pentru speciile de lilieci. În
cadrul unui studiu efectuat în 2004 în Statele Unite, numărul liliecilor uciși de cele 63 de
turbine al e unui parc eolian într -o perioadă de șase săptămâni a fost de 2200. S -a recomandat
ca turbinele eoliene să fie dotate cu emi țătoare de microunde, care creează zone ce sunt
evitate de lilieci ca urmare a faptului că undele emise interferează cu sistemul lor de
orientare.