Introducere In Sisteme Eoliene

Vântul este rezultatul activității energetice a Soarelui și se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pământului. Mișcarea maselor de aer se formează datorită temperaturilor diferite a două puncte de pe glob, având direcția de la punctul cald spre cel rece.

Ca sursă energetică primară vântul nu costă nimic. De asemenea, aceasta poate fi utilizată decentralizat – este o alternativă bună pentru localitățile mici aflate departe de sursele tradiționale.

Încă la orizontul civilizației energia vântului se utiliza în navigația maritimă. Se presupune că egiptenii străvechi mergeau sub pânze încă 5.000 ani în urmă. În jurul anului 700 pe teritoriul Afganistanului mașini eoliene cu axa verticală de rotație se utilizau pentru măcinarea grăunțelor. Cunoscutele instalații eoliene (mori cu elicele conectate la turn) asigurau funcționarea unor sisteme de irigare pe insula Creta din Marea Mediterană. Morile pentru măcinarea boabelor, care funcționau pe baza vântului, sunt una din cele mai mari performanțe a secolelor medii. În sec. XIV olandezii au îmbunătățit modelul morilor de vânt, răspândite în Orientul Mijlociu, și au început utilizarea largă a instalațiilor eoliene la măcinarea boabelor.

Figura.1 Moara de vânt

În 1854 în SUA apare o pompa de apă, care funcționa pe baza energiei vântului. Ca construcție, această pompă semăna cu modelul morilor de vânt, dar avea mai multe pale (brațe) și un fluger pentru determinarea direcției vântului.

Către anul 1940 în SUA peste 6 milioane de instalații de acest tip se utilizau pentru pomparea apei și producerea energiei electrice. Este socotită o premiză a cuceririi Vestului sălbatic, datorită posibilității de asigurare cu apă a fermelor zootehnice. Însă la mijlocul secolului XX vine sfârșitul utilizării largi a energiei vântului, venind în schimbul ei o sursă energetică modernă – petrolul.

Interesul către energetica vântului reapare după câteva crize petroliere trăite de omenire timp de câteva decenii. Acest lucru se petrece la începutul anilor '70, datorită creșterii rapide a prețurilor la petrol când SUA a adoptat mai multe programe destinate să încurajeze valorificarea ei. În California, la sfârșitul anului 1984, funcționau deja 8469 de turbine eoliene. Capacitatea totală a acestor unități este de aproximativ 550 MW. Ele erau construite în locuri cu vânt puternic, grupate în așa-numitele wind farms.

Turbinele de vânt pot fi folosite pentru producerea electricității individual sau în grupuri, denumite ferme de vânt. Fermele de vânt, care în prezent sunt complet automatizate, asigură, spre exemplu, 1% din necesarul de energie electrică al Californiei, adică 280 de mii locuințe. Turbinele eoliene aveau însă și câteva probleme: modificările mari ale vitezei vântului provocau variații ale intensității curentului electric, defectând uneori sisteme de transmisie; palele rotorului colectau în timp substanțe străine, particule de praf etc. care reduceau randamentul.

1.2. Stadiul actual in domeniul energiei eoliene

UE și-a fixat drept obiectiv ferm ca un procent de 20 % din producția de energie să provină în anii 2020 din energia eoliană și din alte surse de energie regenerabilă. Ponderea diferitelor surse regenerabile de energie la nivelul anului 2020 se vrea a fi cea prezentată în figura urmatoare.

Pentru a atinge acest obiectiv, mai mult de o treime din cerințele europene în energie electrică trebuie să provină din surse regenerabile, dintre care se așteaptă ca energia eoliană să producă între 12 și 14 % (180 GW) din cererea totală. Astfel energia eoliană va juca un rol semnificativ în alimentarea stabilă cu energie curată, produsă local.

Figura 1.2.1 Capacitatea globală cumulată de energie eoliană

Spre sfârșitul anului 2003, UE-15 a instalat o capacitate de mai mult de 28.000 de megawați (MW) în turbine eoliene. Spre sfârșitul lui 2007, Europa extinsă la 27 a avut o capacitate de peste 56.000 MW. Acești 56.000 MW acoperă 3.7 % din cererea totală de energie electrică din UE, furnizează energia, corespund în medie necesităților a 30 de milioane de familii, evitând totodată emiterea unei cantități de 91 de milioane de tone de bioxid de carbon. Mai mult, miliarde de Euro au fost economisite din costurile combustibilului importat în 2007, iar peste 11 miliarde de Euro a fost investite in instalarea turbinelor eoliene în Europa.

Distributia pe tari a capacitatilor instalate este redată in tabelul de mai jos

*FYROM=Former Yugoslav Republic of Macedonia

Notă: Din cauza ajustarilor anului precedent, proiect de dezafectare de 70 MW, re-alimentarea și rotunjirea cifrelor sus și în jos, totalul capacităților cumulate la sfârșitul anului 2008 nu este echivalent cu suma dintre totalul capacităților de la sfarsitul anului 2007 și adaosurile din 2008.

Figura 1.2.2 Capacitatea instalată în Europa până în anul 2007

După cum reiese din imaginea 1.2.2 aproximativ 60 % din capacitatea mondială a fost instalată în Europa la sfârșitul lui 2007, iar companiile europene au avut o cotă din piața globală de 66 % in 2007. Rata de integrare în sectorul electroenergetic a înregistrat un procent de 21 % în Danemarca, în jur de 7 % în Germania și respectiv 12 % în Spania. Realizările la nivel regional sunt și mai semnificative: statul Schleswig-Holstein din nordul Germaniei, de exemplu, are o capacitate instalată de energie eoliană de aproximativ 2500 MW, suficient pentru a asigura 36 % din cerința totală de electricitate, în timp ce în Navara – Spania, 70 % din consum este realizat de energia eoliană .

Tendința crescătoare de noi capacități instalate a continuat și-n anul 2008. Ponderea noilor capacități instalate în anul 2008 este redată în figura de mai jos.

Figura 1.2.3 Capacitatea nouă instalată în anul 2008

Principalii producători de turbine eoliene sunt redați mai jos

1.3. Costuri

Cheltuielile financiare ale proiectelor eoliene terestre, sunt dominate de costul turbinei eoliene. Costul specific total al investiției pentru o turbină medie instalată în Europa este în jur de 1,23 milioane de €/MW, cuprinzând toate costurile suplimentare pentru fundații, instalație electrică și consiliere (prețurile în 2006). Costurile principale se impart după cum urmează (niveluri aproximative) :

turbina – 76 la sută,

conectarea la rețea – 9 la sută și

fundațiile – 7 la sută.

Alte componente de preț, cum ar fi sistemele de control și terenul, reprezintă o mică parte din costurile totale. Costul total pe kW la o capacitate generatoare din energie eoliană diferă în mod semnificativ de la o țară la alta, între 1000 €/kW până la 1350 €/kW.

Figura 1.3.1 Structura costurilor unei turbine tipice de 2MW instalată în Europa

În ultimii ani, trei tendințe importante au dominat dezvoltarea turbinelor eoliene racordate la rețea :

1. Turbinele au devenit mai mari si mai înalte ;

2. Eficacitatea producției turbinelor a crescut serios ;

3. În general, costurile investiției pe kW au scăzut, cu toate că a existat o inversare a acestei tendințe în ultimii trei sau patru ani.

În 2007, turbinele de clasa MW (de peste 1 MW) au reprezentat o parte de piața de mai mult de 95 la sută, lăsand mai puțin de 5 la sută pentru instalațiile mai mici. În gama MW, turbinele de capacitate de 2,5 MW sau superioare, devin din ce in ce mai importante, chiar și în cazul aplicațiilor terestre. Viteza vântului la locul ales, înălțimea stâlpului turbinei și eficacitatea producției determină producția de energie. Astfel, simpla creștere a înălțimii turbinelor a permis o producție de energie electrică mai ridicată . De asemenea, metodele de măsură și de evaluare a vitezei vântului într-un loc dat s-au ameliorat în mod semnificativ in ultimii ani, și astfel s-a ameliorat amplasarea și factorii economici ai noilor turbine.

Actualmente, costul de producție al energiei pentru o turbină eoliană din gama de 2 MW este de 5,3 până la 6,1 Eurocenti/kWh în funcție de resursele eoliene și de amplasarea aleasă și se asteaptă ca gama costurilor să se diminueze între 4,3 si 5,5 eurocenti/kW/ora până în 2015.

Eolienele din larg (offshore) reprezintă doar în jur de unu la sută din capacitatea eoliană totală instalată în lume, iar implantarea s-a facut in principal în jurul Mării Nordului și a Mării Baltice. La sfârșitul lui 2007, exista o capacitate de mai mult de 1000 MW situată în largul a cinci țări : Danemarca, Irlanda, Olanda, Suedia și Marea Britanie. Majoritatea instalațiilor au fost efectuate în ape nu prea adânci (in jur de 20 m) și nu mai departe de 20 de km de țărm, pentru a reduce la minimum costurile fundațiilor și ale cablurilor submarine. Costurile unei unităti eoliene maritime, ca și cel al turbinelor terestre, a crescut în ultimii ani. Costul investiției pentru o nouă centrală eoliană în larg este estimat in medie la 2,0 pana la 2,2 milioane de €/MW pentru o unitate nu prea îndepartată de țărm și în apa nu prea adancă. In comparatie cu turbinele terestre, principalele diferențe în structura costurilor sunt legate de fundațiile mai scumpe, transformatoarele și cablurile submarine. Costul energiei electrice generate în larg se situează între aproximativ șase și opt centi/kWh și se datorează in principal diferențelor de adâncime a mării, distanței de la țărm și costului investiției.

Figura 1.3.2 Costul de producție calculat pentru centralele eoliene maritime

inclusiv costurile de echilibrare

Evoluția costurilor de producție a diferitelor surse de energie pentru perioada 2015-2030 este redată în figura următoare.

1.4. Potențialul eolian

Potențialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicături și în munți. Dar există multe alte teritorii cu un potențial eolian necesar pentru utilizare. Ca sursă energetică vântul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar în anumite perioade prezența vântului se observă pe parcursul întregii zile. Asupra resurselor eoliene influențează relieful pămantului și prezența barierelor (obstacolelor) plasate la înălțimi de pană la 100 metri. De aceea vântul, într-o mai mare masură, depinde de condițiile locale (relief) decat de soare. În localitățile montane, spre exemplu, două suprafețe pot avea potențial solar egal, însă potențialul vântului poate fi diferit datorită diferenței în relief și direcțiile curentilor maselor de aer.

Evaluarea resurselor eoliene pentru zone vaste, se face pentru stabilirea atât a resurselor regionale disponibile cât și în depistarea celor mai bune teritorii din regiunea respectivă. Evaluarea include totodată și estimarea producției de energie pentru amplasamentele specifice.

Energia vântului de asemenea este supusă schimbărilor sezoniere a timpului. Lucrul unei asemenea instalații este mai efectiv iarna și mai puțin efectiv în lunile de vară (în cazul sistemelor solare situația este inversă). În condițiile climaterice din Danemarca sistemele fotoelectrice sunt efective la 18% în ianuarie și la 100% în iulie. Eficacitatea lucrului stației eoliene este de 55% în iulie și 100% în ianuarie. Astfel, varianta optimă este combinarea într-un sistem a instalațiilor eoliene și solare. Asemenea sisteme simbiotice asigură o productivitate a energiei electrice mai înaltă în comparație cu instalațiile eoliene sau fotoelectrice, luate în parte.

La nivelul Europei vestice o hartă a potențialului eolian este redată în figura de mai jos

Figura 1.4.1 Atlas eolian european terestru

O hartă a potențialului eolian a fost publicată de ICEMENERG în anul 1993, din care se pot trage unele concluzii privind eventualele amplasamente ale turbinelor eoliene:

În zonele muntoase înalte viteza medie a vântului este de peste 8,5 m/s;

În zona Mării Negre cât și a litoralului viteza medie a vântului este de peste 7-8 m/s.

Figura 1.4.2 Potențialul eolian în Romania

O hartă a intensitătii și direcției vântului la nivelul României este redată mai jos

Figura 1.4.3 Potențialul eolian în România

Pentru măsurarea vitezei vântului și a temperaturii se poate utiliza Data Logger care este un instrument electronic ce înregistrează datele, în timp și în corelație cu locația sensorilor și a traductorilor dintr-o locație dată , prelucrează cu microprocesor pe baza logicii programabile și afisează pe display sau transmite într-un PC aceste date.

Data Logger este utilizată în achiziția datelor în cazul mărimilor lent variabile, avand fecvența maximă de achiziție de 1Hz motiv pentru care nu-i considerată o achiziție de date în timp real. Datele prelucrate de Data Logger sunt stocate pe o memorie flash sau EEPROM Principalele aplicații ale acestui sistem sunt pentru înregistrarea vitezei vântului, a temperaturii și umiditătii.

Blocurile principale și logica sistemului Data Logger, pentru măsurarea și prelucrarea datelor privind viteza vântului cu utilizarea soft-ului de programare HyperWare sunt indicate în figura 1.4.4.

Figura 1.4.4 Măsurarea vitezei

Implementarea hardware a sistemului de masură a vitezei vântului și temperaturii include conectarea intrărilor de la senzorii în microprocesorul PIC18F452 ce poate prelucra 10MIPS , are 8 canale de intrare pentru conversia analog-numerica. Infornația prelucrată de procesor este vizualizată la un display unde pot fi selectate mărimile ce se vizualizează. Datele prelucrate de procesor pot fi stocate pe un card de memorie sau printr-o conexiune cu RS 232 transferate într-un calculator.

1.5. Elemente constructive

Un sistem eolian din punct de vedere energetic transformă energia cinetică a vântului în energie electrică.

Figura 1.5 Componentele sistemului eolian

Pentru a realiza aceasta conversie sistemul eolian contine urmatoarele componente (figura 1.5) :

Elicea turbinei alcatuită din :

Pale ce sunt realizate dintr-un amestec de fibră de sticlă și materiale compozite. Ele au rolul de a capta energia vântului și de a o transfera rotorului turbinei..

Butuc ce este prevăzut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotație a turbinei eoliene ;

Arborele primar este arborele rotorului turbinei eoliene. Se mai numește arborele lent,

deoarece el se rotește cu viteze de ordinul a 20 – 40 rot/min. Prin intermediul multiplicatorului, el transmite mișcarea, arborelui secundar;

Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice, caracterizată de cuplu mare și viteze mici specifice turbinei eoliene, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului electric. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) și arborele secundar (al generatorului);

Arborele generatorului sau arborele secundar antrenează generatorul electric. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotație în cazul unui vânt violent;

Generatorul electric asigură producerea energiei electrice. Generatoarele de curent alternativ sincrone pot fi în construcție clasică sau cu magneți permanenți, funcționând la viteza fixă sau variabilă.

1.6. Variante constructive de sisteme eoliene

Variantele constructive de sisteme eoliene astfel obținute pot fi date de următoarele combinații:

Turbina cu pas fix sau reglabil:

Prezența sau nu a multiplicatorului mecanic

Variantele constructive de generatoare electrice

Turbinele eoliene par a fi mașini simple, dar în realitate trebuie să satisfacă niște cerințe fundamentale, ceea ce conferă acestei ramuri de inginerie un caracter cu totul special, deosebind-o de toate celelalte.

Mașina trebuie să funcționeze ca o centrală electrică nesupravegheată și să furnizeze rețelelor electrice mai mult decât simpla energie.

Vântul variază pe scara timpului de la secunde la ani, ceeea ce introduce un factor de incertitudine în orice aspect, de la sarcina mecanică la producția de energie ;

Această tehnologie trebuie să fie competititvă în privința costurilor, în comparație cu celelelate energii regenerabile și modului de producție convențional.

Principalele elemente care determină în prezent designul sunt:

Compatibilitatea cu rețelele electrice,

costul energiei (care include și fiabilitatea),

emisiile acustice,

impactul vizual și compatibilitatea cu condițiile amplasamentului.

Cu toate acestea, multe probleme tehnice rămân încă nerezolvate. De exemplu, turbinele mari, aflate actualmente în producție, includ :

Concepte cu diametru rotoric mare, generatoare cu turație joasă

Concepte referitoare la generatoare de turație mare și multiplicatoare de turație și

Soluții intermediare cu generatoare de turație medie și o treaptă redusă de multiplicare.

Designul centralei eoliene este o problemă critică atât în ceea ce privește reducerile de costuri, cât și gradul de acceptare de către public, indiferent că este vorba de mare sau de uscat, mai cu seama în cazul celor care depășesc prin dimensiunile lor marile centrale electrice convenționale.

Eoliene cu ax vertical – pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălțimea de 0,1 – 0,5 din înăltimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operațiunile de întreținere. În plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuși, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă și turbulențelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal.

Cele mai răspândite se bazează pe principiul tracțiunii diferențiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din fețele uni corp curbat au intensități diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Rotorul lui Savonius în cazul căruia, funcționarea se bazează pe principiul tracțiunii diferențiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din fețele uni corp curbat au intensități diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variației periodice a incidentei. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcție de diferitele unghiuri, este supus unor forte ale caror intensitate și directie sunt diferite. Rezultanta acestor forțe determină aparitia unui cuplu motor care rotește dispozitivul.

Schema rotorului lui Darrieus

Eoliene cu ax orizontal- funcționarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obține un bun compromis între coeficientul de putere, cost și viteza de rotație a captorului eolian, ca și o ameliorare a aspectului estetic, față de rotorul cu două pale.

Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai puțin supuse unor solicitări mecanice importante și au un cost mai scăzut.

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă și dă cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafețe de direcționare, eforturile de manevrare sunt mai reduse și are o stabilitate mai bună.
Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în funcție de direcția și forța vântului. Pentru aceasta, există dipozitive de orientare a nacelei pe direcția vântului și de orientare a palelor, în funcție de intensitatea acestuia.

Turbinele eoliene moderne se mai pot diferenția și după alte criterii cum ar fi după puterea eolienei cât și după posibilitatea conectării sau nu la rețea:

după puterea turbinelor:

după posibilitatea conectarii la rețea:

cu posibilitate de conectare la rețea (grid connect) – în general turbine de capacitate mare;

izolate – fără posibilitatea de conectare la rețea (no grid connect) – turbinele mici folosite la încărcarea acumulatorilor sau pentru consumatorii mici.

Două tipuri de rețele pot fi utilizate:

Rețele izolate în care puterea generatoarelor eoliene este cuprinsă între 10KW și 200KW

Rețele izolate se regăsesc în zonele în care costul este ridicat pentru transportul combustibilului diesel. Aceste tipuri de rețele sunt hibride utilizând cuplajul eoliană-diesel. Energia vântului este utilizată ca sursă primară având rolul de reducere a consumului de combustilil diesel. Un astfel de sistem este redat în figura 1.6.1 a si b.

Rețele naționale în care puterea generatoarelor eoliene este cuprinsă între 200KW și 2MW. Cele mai multe aplicații ale eolienelor le regăsim conectate în rețeaua națională în care turbinele sunt conectate în ferme de vânt. O astfel de fermă este alcatuită dintr-un număr de turbine plasate perpendicular pe direcția vântului, interconectate în substații.

Două mari tipuri de generatoare electrice sunt utilizate: sincrone și asincrone.La rândul lor pot fi :

Generatoarele sincrone

cu excitație electromagnetică

cu magneți permanenți

Generatoarele asincrone pot fi:

Cu rotor în scurtcircuit

Cu rotor bobinat

Generatoarele sincrone

Generatoarele sincrone sunt utilizate în sistemele eoliene pentru obținerea de tensiune și frecvență constantă. Combinațiile dintre modul de acționare a turbinei eoliene, a cuplării la axul generatorului sincron și a modurilor de excitație conduc la șapte metode de folosire a generatoarelor sincrone în sistemele eoliene.

Primele trei sisteme au viteza constantă și diferă numai modul de reglaj al unghiului elicei și detaliile cutiei de viteză. Sistemele cu unghi variabil sunt capabile să lucreze la un bun coeficient de performanță peste o valoare a vitezei vântului la viteza unghiulară fixă a turbinei. În acest mod densitatea de putere la ieșire este mai mare decât în sistemele cu unghi fix. Extinderea intervalului de viteză, la sistemele cu unghi variabil se realizează prin utilizarea a doua rapoarte de transmisie.

Sistemele de la patru la șapte funcționează la viteză variabilă și sunt completate pentru obținerea frecvenței constante de una din metodele redate în coloana a patra a tabelului. Astfel în sistemul al patrulea axul turbinei antrenează un generator de curent continuu care la rândul său alimentează un motor de curent continuu cuplat mecanic cu generatorul sincron, reglajul turației a generatorului sincron se face prin reglajul curentului rotoric al motorului de curent continuu.. Dezavantajul sistemului patru față de trei este că necesită două mașini electrice adiționale, ceea ce duce la costuri mai ridicate și totodată mai puțin performante din punct de vedere al mentenanței.

Sistemul cinci este similar sistemului patru și constă în cuplarea la axul turbinei a unui generator sincron. Tensiunea de frecvență variabilă este redresată și aplicată motorului de curent continuu ce antrenează al doilea generator sincron. Sistemul generator sincron –redresor se amplasează în turnul eolienei, iar grupul motorul de curent continuu –generator sincron la baza acestuia.

Al șaselea sistem presupune redresarea tensiunii de frecvență variabilă a generatorului și obținerea tensiunii de frecvență industrială cu ajutorul invertorului.

Ultimul sistem conține o cutie de viteză automată ce poate menține turația constantă a mașinii sincrone.

Generatoarele asincrone

Generatoarele asincrone utilizate sunt cu rotor în scurtcircuit sau cu rotor bobinat. Generatorul asincron cu rotor în scurtcircuit prezintă avantajul conectării directe în rețea și funcționează aproximativ la vitează constantă. Din cauza caracteristicii cuplu-alunecare (cuplu-turație ) variația turației pentru a funcționa economic (alunecare mică) variațiile de viteză sunt acceptate într-o gamă foarte redusă.

Acest tip de generator se poate utiliza la eolienele de mare putere deoarece momentul de inerție al mașinii atenuează variațiile vitezei vantului. Sistemul nu se pretează la eolinele cu inertie mică .