Tubina Eoliana

Cuprins

Energii regenerabile

Utilizarea energiilor regenerabile in tarile din Europa.

Acest proces sa intensificat acum cca. 30 de ani în urma, utilizarea acestor energii regenerabile , dar în special a energiei solare dar si eoliene,energia apelor geotermale si a mareelor,acest lucru a fost provocat de prima criza a petrolului din anul 1972.

In prezent sa ajuns ca aceste energii regenerabile sa reprezinte un procent semnificativ pe plan mondial al furnizarii de a energie electrica în multe tari ce poseda acest potential de producere si folosire a acestor energii in acest domeniu, printre carese afla urmatoarele tarii:

Suedia : hidro 55%,

2) Islanda : hidro 17%, geotermala 55%

3) Elvetia : hidro 43%

4) Turcia : biomasa 9%, geotermala 1%

5) Germania : eoliana 40% din capacitatea mondiala

Aceste tari depasesc foarte mult pragul propus de Directivele UE pâna în anul 2018 în domeniul utilizarii energiilor regenerabile de 12%, legat si de respectarea prevederilor protocolului de la Kyoto.

Principalele pârghii în acest domeniu sunt:

a. Investitiile masive de la 5 miliarde dolari din 1995 pâna la peste 20 miliarde dolari in 2003 pe plan mondial, economiile anuale realizate la energie primara (carbune, hidrocarburi) fiind estimate numai in SUA la cca. 36 miliarde de dolari pe an începand din 2005. Energia verde fiind nepoluanta rezulta ca în plus se economisesc si cheltuielile ascunse cum ar fi cele pentru sanatate publica si cele legate de pierderi de recolte vis-a-vis de ploile acide.Ceea ce este ciudat este faptul ca, pentru producerea energiei electrice cu cele mai poluante tehnologii în centralele pe carbune si cele nucleare, se investesc si in prezent cca. 90% din fondurile disponibile, pe când utilizând tehnologii curate doar câteva procente, desi acestea se implementeaza usor si nu au efecte nocive asupra mediului înconjurator.

b. Subventii importante care ajung pâna la 110 E / m2 de colectori solari folositi pentru incalzirea spatiilor în Germania. În conformitate cu prevederile Cartii albe pentru energii regenerabile (1997) se prevede ca pîna în 2010 sa fie instalati 100 milioane m2 de colectori solari în toata Europa.

Se mentioneaza ca în prezent în Spania sunt instalati mai mult de 500.000 m2 de colectori solari. În Germania se acorda deasemeni subventii importante pentru montarea de celule fotovoltaice integrate în special în acoperisurile si ferestrele cladirilor existente.

c. Îmbunatatirea tehnologiilor de producere a instalatiilor care duce la scaderea pretului de cost (de ex. la celule fotovoltaice de la 30 $/w în urma cu 30 de ani la cca.3-4 E/w, în prezent).

Pe plan mondial la nivelul anului 2003 capacitatile instalate de utilizarea energiilor regenerabile se prezinta astfel:

Aceasta capacitate reprezinta cca. 19% din capacitatea instalatiilor hidro mari si 4 % din capacitatea totala instalata pentru producerea energiei electrice.

Între tarile în curs de dezvoltare se remarca pasii mari facuti în ultimul timp de China care are cca. 55% din numarul total de colectoare solare montate pe plan mondial.

Si in România au existat preocupari în domeniul utilizarii energiei solare (colectoare solare cu serpentina de Cu, pe litoral) energiei vântului (Sf. Gheorghe), energiei geotermale (în special in Ardeal).

În lipsa preocuparii si a intretinerii corespunzatoare, aceste instalatii au fost practic abandonate.

Pentru anul 2005 s-au fixat prin lege, în sarcina producatorilor de energie electrica procente din productia anuala ce urmeaza a fi realizate cu utilizarea energiilor regenerabile (de exemplu 0,7% utilizînd energie solara).

Condiții energetice actuale care impun utilzarea energiilor regenerabile.

Cele mai importante efecte ale dezvoltării tehnologice a întregii societăți umane, din acest secol, este realizat prin faptul ca creșterea tot mai pronunțată a consumurilor de energie la nivel mondial, dar și dependența tot mai mare a omenirii, de consumul combustibililor fosili, în special produse petroliere dar si gaze naturale și cărbuni.

Facand o ampla analiza a acestor estimări, se poate observă că timpul extrem de scurt pe care il mai avem la dispozitie pana la epuizarea totala a resurselor existente, cel puțin în cazul petrolului și a gazelor naturale.

Acest lucru ne obliga impunerea găsirea unor noi soluții rapide dar și eficiente de înlocuire a energiei care se va putea produce până atunci cu ajutorul acestor combustibili.

Soluții sunt cu atât mai importante cu cât consumurile de energie ale economiei in plan mondial sunt în continuă creștere și nu poate estima o reducere a acestor consumuri în viitorul apropiat. Rezolvarea acestei probleme are o solutie previzibilă este reprezentată prin folosirea acestor energii regenerabile.

Avantajele utilizării energiilor regenerabile sunt următoarele si anume:

– Sunt ecologice;

– Nu generează emisii de CO2;

– Sunt disponibile în cantități teoretic nelimitate;

– Pot fi utilizate local.

Fig.1. Nivelul emisiilor de CO2 în atmosferă

Utilizarea energiei solare, prin captare sunt legate inca din antichitate. Să amintim că „efectul de seră”a fost descoperit și utilizat de vechii egipteni, că Heron din Alexandria care a construit o instalatie pentru pomparea apei care utilize ca sursă primară energia solară.

Un alt exmplu elocvent este celebra incendiere a flotei romane de către Arhimede din Syracuza a fost un subiect foarte dezbatut și comentat de cercetatori de-a lungul timpului deoarece se crede că sa folosit oglinzi cu ajutorul carora sau reflectat razele soarelui spre aceste corăbii cu pânze.

Puterea furnizată de catre soare depinde de o serie de factori si anume:,

de latitudinea geografică,

de altitudinea locului,

de nebulozitate,

de umiditatea atmosferică,

de numărul orelor de insolație,

de poluarea atmosferică ,

de felul activității Soarelui însuși

In concluzie puterea furnizată de catre soare depinde foarte mult de o serie de condiții geografice și meteorologice, care fie că nu pot fi schimbate, fie că scapă controlului nostru. În plus,energia solară este difuză si discontinuă (zi,noapte,vara,iarna) și extrem de capricioasă, așa că detractorii ei au destule argumente convingătoare pentru a combate utilizarea ei.

Aceste însușiri ale energiei solare, au facut ca omenirea, confruntată cu o criză energetică serioasă, să se întoarcă la sursele primare, să reconsidere utilizările posibile și rentabile ale energiei solare. Soarele este una dintre miliardele de stele, de mărime mijlocie, sursa de energie a tuturor ființelor vii de pe întregul Pământ. Omul utilizează într-o așa măsură combustibilul pe bază de materie fosiliazată (petrol și cărbune) încât rezervele se vor epuiza în a doua parte a secolului următor.

Demersuri pe plan mondial, cu privire la folosirea surselor de energie neconvenționale.

Societatea Internațională de Energie Solară (ISES) cu 35.000 de membrii din peste o sută de țări, pledează pentru folosirea energiei solare încă din 1954. De-a lungul anilor, membrii acestei organizații au inventat tehnologii nucleare foarte eficiente pentru înlocuirea combustibililor.

ISES a inițializat așa numitul program “Școlile solare – un viitor strălucit”. Programul încearcă să arate studenților importanța folosirii și descoperirii de noi metode prin care are loc înlocuirea resurselor convenționale cu cele neconvenționale. În astfel de școli sunt folosite acele sisteme solare nu numai pentru a reduce costurile de energie, ci și pentru a salva planeta.

Pentru asigurarea armoniei dintre climatul din interiorul clădirilor și mediul exterior s-a procedat la elaborarea unor acte normative valabile atât pe plan național, cât și internațional. S-au creat două mari categorii de acte comunitare ce conțin restricții, pentru punerea de acord a conceptelor statelor membre ale CEE și anume: regulamente comunitare (comune) și directive (norme) cu caracter național, cu posibilități de extindere și în țările cooperante.

Problema esențială în realizarea normelor și directivelor vizând armonizarea legăturii construcție–mediu o constituie obținerea unei cât mai mici poluări a mediului ambiant, care este mult mai scăzută decât în cazul folosirii energiilor primare, cât și natura materialelor pentru construcții și instalații. Aceste norme și reglementări, deși elaborate, sunt într-o continuă îmbunătățire vizând, în principal, ca măsuri: economia de energie, reducerea poluanților sub normele admise, eliminarea pericolului de incendiu, securitatea în exploatare, etc.

Pe plan mondial, trebuie menționat că, din anii ’40, țările avansate au luat în studiu utilizarea surselor de energie regenerabilă pentru acoperirea necesităților gospodărești și chiar industriale. SUA se numără printre primele țări care au făcut studii privind utilizarea energiei solare pentru încălzire, climatizare și prepararea apei calde de consum, precum și a energiei vântului pentru producerea de energie electrică.

După anii ’70, toate țările industrializate au trecut la cercetări legate de utilizarea altor surse de energie în afara celor clasice. Referitor la țara noastră, este de arătat că, dintre sursele de energie regenerabile, energia solară ar putea fi studiată cu scopul producerii de energie termică pentru prepararea apei calde de consum în perioada caldă. La Câmpina, există, de exemplu, case solare.

Energia hidroelectrică

Utilizarea directă a energiei apei a ajuns să acopere aproape 20% (2650 TWh/an) din necesarul

global de energie electrică. Cel mai ridicat potențial îl deține Asia, după care urmează America Latină, Europa, Africa, America de Nord și Oceania.

Centralele hidroelectrice necesită o investiție mare, contrabalansată de costurile mici de exploatare (având în vedere dispari ția costurilor de achiziționare a combustibilului) și de durata de viață a acestora.

Centralele hidroelectrice de mică putere (mai mică de 10 MW) în ultimii ani au căpătat un avânt subsubstan țial, în UE, la sfâr șitul anului 2000 capacitatea instalată era de 10.260 MW, lideri în domeniu fiind Italia si Franța. La nivel european, puterea instalată în centrale hidroelectrice reprezintă 81% din totalul capacității instalate pe surse regenerabile.

Energia mareelor,valurilor și a gradienților termici ai oceanelor

Puterea grupurilor existente în cazul barajelor în calea mareelor este de aproximativ 240 MW, iar în cazul prelucrării energie marine este de 250-300 kW. Costurile de instalare și producere se mențin ridicate, ceea ce face ca această energie să nu fie competitivă deocamdată pe o piață de electricitate. Potențialul energetic al valurilor pentru Uniunea Europeană a fost estimat la 120-190 TWh/an (în larg) și 34-46 TWh/an (aproape de țărm). Tehnologia de prelucrare a energiei valurilor este o tehnologie relativ nouă, fiind propuse mai multe soluții aflate în diverse stadii de cercetare sau proiectare. Pentru instalațiile aproape de țărm și pentru cele aflate în larg a fost estimat un cost specific al investiției de 1000-1400 €/kW (1998).

Tehnologii de recuperare a energiei valurilor

Energia produsa de apa este cu siguranta, una dintre cele mai valoroase resurse regenerabile de energie – si, de asemenea, putea fi considerata resursa de energie cea mai ignorata, pana nu demult. Energia mareelor regenerabila generata de ciclurile lunii, parcurile de energie bazate pe puterea valurilor au avantajul miscarii naturale repetitive a suprafetei apei, iar centralele hidroelectrice culeg energia cinetica produsa de gravitatie de la schimbarile ce au loc in diferitele niveluri ale apei.

Valurile sunt mișcări ritmice ale particulelor de apă în jurul unui punct imaginar de echilibru. Sub aspect genetic, se cunosc:

valuri eoliene

mareice

anomobarice

navale

staționare

gravitațional

libere

forțate de vânt.

Valurile eoliene sunt cele care apar sub acțiunea frecării tangențiale ale maselor de aer în deplasare, cu presiunea normală față de apa marină. Pentru calculul energi contrabalansată de costurile mici de exploatare (având în vedere dispari ția costurilor de achiziționare a combustibilului) și de durata de viață a acestora.

Centralele hidroelectrice de mică putere (mai mică de 10 MW) în ultimii ani au căpătat un avânt subsubstan țial, în UE, la sfâr șitul anului 2000 capacitatea instalată era de 10.260 MW, lideri în domeniu fiind Italia si Franța. La nivel european, puterea instalată în centrale hidroelectrice reprezintă 81% din totalul capacității instalate pe surse regenerabile.

Energia mareelor,valurilor și a gradienților termici ai oceanelor

Puterea grupurilor existente în cazul barajelor în calea mareelor este de aproximativ 240 MW, iar în cazul prelucrării energie marine este de 250-300 kW. Costurile de instalare și producere se mențin ridicate, ceea ce face ca această energie să nu fie competitivă deocamdată pe o piață de electricitate. Potențialul energetic al valurilor pentru Uniunea Europeană a fost estimat la 120-190 TWh/an (în larg) și 34-46 TWh/an (aproape de țărm). Tehnologia de prelucrare a energiei valurilor este o tehnologie relativ nouă, fiind propuse mai multe soluții aflate în diverse stadii de cercetare sau proiectare. Pentru instalațiile aproape de țărm și pentru cele aflate în larg a fost estimat un cost specific al investiției de 1000-1400 €/kW (1998).

Tehnologii de recuperare a energiei valurilor

Energia produsa de apa este cu siguranta, una dintre cele mai valoroase resurse regenerabile de energie – si, de asemenea, putea fi considerata resursa de energie cea mai ignorata, pana nu demult. Energia mareelor regenerabila generata de ciclurile lunii, parcurile de energie bazate pe puterea valurilor au avantajul miscarii naturale repetitive a suprafetei apei, iar centralele hidroelectrice culeg energia cinetica produsa de gravitatie de la schimbarile ce au loc in diferitele niveluri ale apei.

Valurile sunt mișcări ritmice ale particulelor de apă în jurul unui punct imaginar de echilibru. Sub aspect genetic, se cunosc:

valuri eoliene

mareice

anomobarice

navale

staționare

gravitațional

libere

forțate de vânt.

Valurile eoliene sunt cele care apar sub acțiunea frecării tangențiale ale maselor de aer în deplasare, cu presiunea normală față de apa marină. Pentru calculul energiei valurilor se folosesc diferite modele de val. Un model de val, utilizat in mod frecvent, este cel a lui Gerstner, care presupune respectarea urmatoarelor legi:

-moleculele de apa descriu orbite circulare, mascandu-se cu viteza uniforma si in aceeasi perioada de timp

-razele orbitelor descresc exponential cu adancimea

-fiecareparticula fluida, in timpul miscarii, suporta presiunea din pozitia de repaus

-curbele de egala presiune (izobarele ) descriu trohoide circulare

Se cunosc mai multe sisteme de captare a energiei valurilor, dintre care:

Sistemul de conducte sub presiune (se aseamănă cu sistemul de frânare al unuiautovehicul). Astfel presiunea exercitată pe o suprafață mare este transmisă prin intermediul unui

lichid, prin conducte, unei suprafețe mai mici, multiplicându-se astfel forța pe unitate de suprafață. Printr-un sistem mecanic, această forță realizează rotirea generatorul electric.

2. Sistemul bazat pe ascensiunea lichidului. Sistemul se bazează pe ascensiunea apeisub formă de val pe o pantă artificială și preluată mai apoi prin cădere de paletele unui generator

electric.

3. Sistemul pistonului lichid. Într-o incintă, prin mișcarea sa de urcare și coborâre, valulmarin acționează ca un piston, pompând și aspirând aerul, cu rezultat direct asupra unei turbine (în multe dintre aplicații se folosește turbina Wells).

În nordul Scoției (Nigg), specialiștii scoțieni au gândit o platformă specială care să utilizeze la maximum forța valurilor, fără să monteze generatoare hidroelectrice plutitoare. Așa a apărut Oyster, o invenție care promite multe –figura 2 și 3. Platforma are o componentă montată în apă, care basculează atunci când este lovită de valurile uriașe. De ea sunt prinse două pistoane, care prin compresie împing apa cu viteză printr-o conductă, până într-o unitate aflată în apropriere. Acolo, apa sub presiune acționează o serie de palete, tot mecanismul fiind identic cu cel prezent în centralele hidroelectrice. Totul diferă prin metoda inovativă

de a transporta apa sub presiune. Producătorii spun ca Oyster poate genera între 300 și 600 kW, însă la configurații multiple, se poate ajunge la valori suficient de mari cât să alimenteze orașele din apropriere. Se speră că noua industrie ar revitalize economia scoțiană, mai ales în zonele rurale și ar crea peste 7000 de noi locuri de muncă în diversele domenii colaterale implicate.

Platforma scoțiană OYSTER care poate genera 300-600 kW

Energia din biogaz

Biogazul este un rezultat în urma fermentării materiei organice sub acțiunea bacteriilor anaerobe, conține 65% metan și are o putere calorifică între 17-25 MJ/m3. Este utilizat preponderent pentru producerea energiei termice, dar și a energiei electrice. Dimensiunile grupurilor de producere a energiei electrice nu depașesc 1MW, fiind caracterizate prin costuri investiționale și de exploatare relativ ridicate. Pentru Europa, capacitatea instalată în 2001 era de 1.505 Mw, se prognozează să ajungă în 2010 la 4.500 MW. Deși s-au realizat aplicații în domeniu, piața biogazului continuă să fie slab dezvoltată.

ENERGIE SOLARA

In evoluția tehnică a planetei, constatăm că jumătate din populația lumii trăiește fără a avea acces la rețelede energie electrica, adică nu beneficieaza de utilizarea energiei electrice.

O soluție corecta si reală pentru a reusi electrificarea acestor zoneizolate constă in folosirea instalațiilor de convertire a energiei solare în energie electrică. S-a dovedit că aceasta metoda este una din cele mai bune soluții tehnico-economice pentru a extinde si beneficiade serviciile electricitații și în aceste situații.

O compania franceză TENESOL, firmă specializată în producerea de electricitațe în sistem solar-fotovoltaic ,primul proiect de acest gen a fost realizat in anul 1983 șia fost recunoscut internațional ca un lider al producerii energiei fotovoltaice.Aceasta companie propune soluții constructive pentru aceste situații si anume: generatoarele solare fiabile și ecologice care corespund acestor cerințe.

Se prezintă scopurile care trebuie realizate prin modernizarea si automatizarea acestor instalațiide producere a energiei solare și regimurile acestora de funcționare automată , aceste instalatii sunt dependente de cantitatea de energie solară pe care acestea sunt capabile sa o capteze la un moment dat.

Funcționarea automată a acestei instalații de producere a curectului electric are la baza încălzirea, sidispune de existența unui sistem automatizat al instalației solare și de unu sistem de automatizat al cazanului.

Aceste două sisteme automatizate sunt diferite dar functionează cuplate prin intermediul unor mărimi măsurate din aceste procese de încălzire conduse.care au loc in instalatie.

Se arata posibilitațile de funcționare automată a acestor instalații solare pentru diferite variante constructive de scheme hidraulice adoptate de aceste sisteme.

Se prezintă aceste cerințe impuse pentru funcționarea corecta si precisa a acestor instalatii automate a instalațiilor solare pentru obtinerea de a.c.c. și se arata funcționarea automată a acestei pompe din circuitul captatoarelor solare.

În final sunt aratate recomandări pentru cablarea electrică a acestor echipamente de automatizare a instalațiilor de producer a energiei solare.

Principiul de functionare al transformarii acestei energii solare în energie electrică se bazează fenomenul numit “efect fotoelectric“, adică pe posibilitatea unor metale de a emite electroni atunci cand aceste metale sunt supuse unui flux luminos.

Aceste aparate construite după acest principiu “ celule fotoelectrice”,sunt expuse unui flux de lumină si asigură la borne o diferență de potențial datorită acestei emisii de electroni a acestui strat fotoelectric către stratul metalic, care este foarte bun conducător al energiei

Aceste instalatii de producer a energiei ne arata noi oportunitati sinoi posibilități de producre economică de energie electrică cu ajutorul unor forme de producere energie mai puțin utilizate pe plan mondial în prezent, cum ar fi energia nucleară, eoliană, solară, geotermică.

Centrale solare

O centrală solară reprezinta o centrală electrică care are principul de funcționare ce se bazeaza pe ajutorul energiei termice produsa prin intermediul procesului de absorbție a energiei din radiația solara. Aceste centrale solare termice,functioneaza în funcție de modul in care au fost construite si pot atinge randamente foarte bune iar costurile de investiții sunt mai mici decat la instalatiile de producere a energiei electrice a instalațiilor pe bază de panouri solare fotovoltaice,in schimb aceste instalatii necesită cheltuieli pentru întreținerea acestei centrale solare mai mari dar sunt posibile doar pentru puteri instalate care depaseste un anumit prag minim. Aceste instalatii se pot exploata corect din punct de vedere economic doar în zonele care dispun de foarte multe zile însorite in decursul unui an.

Pentru exploatarea corecta a energiei conținute în radiația solară pentru producerea de energie electrică s-au realizat mai multe metode.Aceste tehnologii concepute se clasifica în două mari grupe si anume în funcție de utilizarea energiei radiației concentrate într-un spațiu restrâns, sau utilizare fără concentrare aenergiei radiatiei energiei solare.

Centrale solare termice cu concentrarea radiației solare directe.

In aceasta imagine se prezintă prin dimensiuneaacestor pătratede culoare roșie in suprafața deșertică.Suprafata acestot patrate rosii reprezinta o suprafata suficienta pentru acoperirea necesarului de energie electrica Globală, a Europei, a Germaniei

Aceste centrale solare folosesc oglinzi concave cu ajutorul lor se realizeaza concentrarea eficienta a razele solare pe aceasta suprafața absorbantă. Aceasta oglinda sau suprafața absorbantă își poate schimba orientarea în funcție de poziția soarelui. Centralele solare care prezinta jgheaburi parabolice cu ajutorul lor se colectează energia solara prin oglinzi care sunt asezate pe suprafețe foarte mari ce concentrează radiația solara pe suprafețele absorbante situate în acest centrul focal al fiecărei oglinzi.Cu precizarea ca la centralele solare prevazute cu turn, toate aceste suprafața absorbante(oglinzi) prezinta același punct focal situat în turn centralei solare termice.Dupa realizarea diverselor studii la Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt|Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) și Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation (TREC) sa ajuns la concluzia ca prezinta un mare potențial si o mare importanta aceste modalități de obținere a energiei electrice intr-un mod economic, dar si obtinerea de energie în zone deșertice din Africa de Nord și din Orientul Mijlociudar precum și în transportul cu pierderi foarte reduse (HVDC) spre Europa. Aceste Sisteme de generare a aburului se pot compatibiliza cu cele ale sistemelor cu panouri solare pentru realizarea unei bune compensari reciproce dar si o buna economisire din punct de vedere alconsumului la nivel mondial al combustibililor convenționali din termocentrale. Un avantaj prezinta centralele solare independente deoarece aceste, oscilațiiproduse de condițiile atmosferice pot fi compensate cu ajutorul unor rezervoare de înmagazinare a căldurii, sau se poate utiliza anumiti purtători de energie alternativă.

Centrale solare cu câmpuri de colectoare

Centrale solare cu câmpuri de colectoare prezinta câmpul de colectoare ale centralei care este compus din o serie de mai multe jgheburi parabolice sau colectoare Fresnel .Aceste colectoare sunt conectate în paralel șunt numite concentratoare liniare. Construirea câmpuri de colectoare paraboloide este posibilădeasemenea, dar trebuie situate vizavi de concentratoarele liniare iar acest procedeu este foarte costisitor. În ceea ce privește aceste instalații cu jgheburi parabolice acestea exista deja pentru exploatare comercială.

În acest câmp de colectoare se realizeaza încălzirea unui agent termic care poate fi ulei mineral sau abur supraîncălzit. La aceste instalații cu ulei se poate realiza o temperatură de până la 390°C dupa care într-un schimbător de căldură se va putea genera aburi.In cazul in care agentul termic este abur(instalații de tip DISS = Direct Solar Steam), atunci in cazut acestui sistem nu este nevoie de un schimbător de căldură,acest abur fiind generat direct în conductele de absorbție a sistemului. În acest caz este posibilă atingerea unei temperaturi de peste 500°C fata deinstalația cu ulei care poate realiza numai o temperatură de până la 390°C. Acest abur astfel generat este colectat și poate alimenta o turbină cu aburi la care este cuplat un generator de energie electrică.

Aceaste tipuri centrale au avantajul ce constă în faptul că utilizează tehnologie convențională disponibilă.

Centrale solare cu jgheaburi parabolic

Colectoarele cu jgheaburi parabolice la Kramer Junction in California

Aceste colectoare cu jgheaburi parabolice sunt alcatuite din aceste oglinzi lungi curbate transversal pe un profil cu forma de parabolă acesta concentrând fluxul radiațiilor solare pe un tub absorbant asezat în linia focală. Lungimea acestui tip de colectoare solare este în funcție de tipul colectorului între 20 și 150m. Tubul absorbant este alcatuit din țeavă de metal captusita în exterior cu un strat cu proprietati absorbante și prin care curge agentul termic și care se afla în interiorul unui alt tub, de astă dată acest tub este realizat din sticla de borosilicat rezistent la acțiuni mecanice și chimice deoarece el este acoperit de un strat cu proprietati antireflectorizante. Între aceste două tuburi este creat vid pentru a reduce pierderile prin convecție. Astfel energia radiației solare este transformată într -o energie calorică și apoi este cedată agentului termic.Aceste oglinzii parabolice sunt așezate de obicei în rânduri una după alta pe direcția N-S.,acestea având un singur grad de libertate, acest grad de libertate este rotația în jurul axei focale.

Deja în anul 1912 s-a realizat si s-a utilizat colectoare cu jgheaburi parabolice de firma Shumann und Boys cu scopul de a genera aburi necesari acționării unei pompe de 45kW în Meadi/Egipt. Aceste Colectoare aveau o lungime totala de 62m și acopereau aproximativ o suprafață de 1200m².

Între anii 1977 și 1982 au fost realizate si puse în funcțiune în SUA astfel instalații pilot utilizând colectoare cu jgheaburi parabolice.

În 1981 a fost pusă în funcțiune o instalație pilot de producere energie electrică de 500kW la European Test Centre for Solar Energy Applications din Plataforma Solar de Almería situat la marginea deșertului desierto de Tabernas.

Exploatarea comercială a acestor tipuri de centrale a început în anul 1984 în SUA în deșertul Mojave din California. Cele 9 centrale SEGS' = Solar Electricity Generation System au o putere instalată totală de 354 MW. În colectoarele cu jgheaburi parabolice cu o lățime de 6m și o lungime de până la 180m se poate atinge o temperatură de aproximativ 400°C. Randamentul acestor centrale este de 14% și asigură energia necesară pentru cca 200000 locuințe. În luna iunie 2007 s-a pus în funcțiune centrala de la Nevada Solar One [1] de lângă Boulder City/Nevada cu o putere instalată de aproximativ 64MW cu o posibilitatea de extensie până la 200MW. Aceasta energie temică este produsă cu ajutorul a 19.300 oglinzi cu o suprafata de 4m lungime înzestrate cu conducte absorbante de tip (PTR70 Receiver) fabricate de către firma SCHOTT AG [2]. Se vor construii astfel de centrale similare în Maroc, Algeria, Mexic și Egipt.

Din anul 2006 se află în stadiu de construcție centrala Andasol 1 de 50MW, în prezent cea mai mare din Europa, proiectată de firma Solar Millennium[3]

Instalații solare de tip Fresnel

O dezvoltare a acestor tehnologii cu jgheaburi parabolice o reprezintă aceste colectoare cu oglinzi Fresnel. În aceste cazuri în locul unei oglinzi parabolice se folosesc mai multe fâșii de oglinzi plane asezate toate la nivelul solului și care au proprietatea de a se putea roti în jurul axei longitudinale pentru a putea fi orientate cu usurinta una câte una astfel ca să se poata reflecta radiația solară în direcția corecta a tubului absorbant, în spatele acestui tub absorbant se află o altă oglidă liniară aceasta oglinda avand rolul de a concetrare a fascicolelor primite de la oglinzi într-o linie cât mai subțire. Acest concept este în faza de testare.

Acest modalitate de construcție îmbină acest principiu de funcționare al colectoarelor cu jgheaburi parabolice cu cu cel al centralelor solare cu turn, dar acest lucru inseamna renuntarea atât la oglinzile curbate cât și la aceste dispozitive cu ajutorul carora se obtine orientarea acestot oglinzi cu mai multe grade de libertate rămânând doar aceasta construcția modulară. Utilizarea acestor oglinzi plate care sunt ușor de construit cu un preț scăzut. Utilizarea conductelor absorbante este necesară în continuare.

Dar exista posibilitatea utilizării de conducte mai lungi , aceste conducte nu prezinta coturi, ceea ce reduce considerabil pierderile datorită rezistenței lor hidraulice, în schimb apar pierderi de radiație solară datorită umbririi reciproce a oglinzilor.

Insa din anul 2004 o astfel de instalație este testată pe lângă o centrala termică pe bază de cărbune din Australia de către Universitatea din New South Wales și Sydney [4].

După terminare acesteia instalația va produce cca 15 MWth energie pentru încălzirea apei de alimentare a centralei din Lidell/Hunter Valley și va contribui la economisirea de combustibil fosili.Acest modul este constituit din 12 oglinzi ce acoperă o suprafață de cca 1350m² și are o putere ce concentrează radiația solară pe o conductă absorbantă aflată la o distanță de 10m deasupra lor. Se produce abur în mod direct la o temperatură de 285°C.

Centrale cu turn solar

1.5 Cuptorul solar de la Odeillo

Turnul de la Solar Two

Centrala pilot Solar Two

(Centrale cu receiver central)

În cazul acestor centrale cu turn solar este vorba de obicei despre centrale care functioneaza pe bază de aburi care sunt generați cu ajutorul energiei solare.Acest focar este ocamera de combustie care era pana acum încălzita cu păcură, gaz natural sau cărbune, este înlocuit in acest caz de un focar solar asezat în vârful unui turn. Radiația solară produsa de catre sute, chiar mii de oglinzi ,aceste oglinzi avand un mecanism de orientare automată după poziția soarelui.Aceste oglinzi reflectă energia solara către o suprafață absorbantă centrală numită receiver. Aceste centrale au o puternica concentrare a radiație,deoarece în turn apar temperaturi mari de ordinul a mii de grade. Aceasta temperatura este exploatabilă rațional este în jurul temperaturi de 1300°C.

Nivelele de temperaturi, randamentele termice posibil de atins, sunt mai bune si mult mai mari decât cele de la centralele solare cu câmpuri de colectoare.

In cazul acestor centrale agentul termic folosit este alcatuit din nitrați fluizi, aburi sau aer cald. Acest principiu de functionare este utilizat și la cuptorul de topire solar din Odeillo.

Prin acest procedeu se pot genera temperaturi cu niste valori adapate necesităților proceselor tehnologice, sau ceerințelor accelerării proceselor chimice.

De obicei, aceasta căldura generată este folosita totuși prin intermediul turbinelor de gaz sau de aburi pentru generarea de curent electric. În acest receiver central agentul termic este încălzit pînă la o temperatura de aproximativ 1000°C, și în final utilizat pentru generarea de aburi. Curentul electric generat este astfel livrat în rețea.

Aceste centrale cu turn solar o altă modalitate foarte buna , pusă la punct pentru a putea genera cu sprijinul programelor de încurajare , se produce energie electrică la preț competitiv. Cea mai importata si cea mai mare instalație de acest fel care există la ora actuală sunt „Solar Two“ de 10MW, aceste instalatii având o temperatură de lucru de 290-570°C în California și Instalațiile de cercetare din Almeria/Spania. În anul 2006 s-a proiectat si sa început construcția unei noi centrale termice experimentale de putere 1,5MW în Jülich/NRW cu termen de finalizare a constructiei si predare a acestei centrale in anul 2008.

Aceste variații ale acestei intensități a radiației solare vor putea fi compensate cu ajutorul unui nou tip de instalație de înmagazinare. Prin acest proces de generare a energiei electrice se pot regla independent de intensitatea de radiație solară, acest lucru se face în funcție de cererea de consum. Într-un viitor apropiat acesta centrală, va putea functiona si în lipsa radiației solare deoarece va putea fi folosita utilizînd biomasă.

Insa pe termen lung exista posibilitatea reala a generării de hidrogen cu acest tip de tehnologie. In oraselul Sanlucar la Mayor, la o distanta de 25 km deorasul Sevilia se construiește un parc solar care la terminare în 2013 va produce energie electrica de aproximativ 300MW aceasta energie electrică se va produce prin utilizarea a mai multor tehnologii.

La sfârșitul lunii martie 2007 s-a da in folosinta la rețea prima centrală de tip – PS10 – aceasta a fost construită între 1 iulie 2001 și 31 decembrie 2005 aceasta centrala prezista o putere instalată de 11MW și are o producție anuală de circa 23GWh.

Cheltuielile acestei centrale si investițiileau fost calculate la 35 milioane € dar si cu contribuție de 5 milioane € din fondurileprogramelor de cercetare ale EU. În faza următoare se va putea construi o centrală cu turn solar de putere 20M W de tip (PS20) iar apoi o instalație tot de 20MW dar de tip (AZ20) iar apoi se vor construi alte 5 centrale a de putere 50MW.

Centrale cu oglinzi parabolice

Figură 1.1 instalație solar dish cu motor SOLO 161

Aceste oglinzi parabolice sunt foarte eficiente din punct de vedere constructiv deoarece acestea prezinta două grade de libertate astfel incat ele putând urmări permanent poziția soarelui pe cer. Aceste oglinzi sunt montate pe un stativ și cu ajutorul acestui stativ cu oglinzi razele solarese concentrează într-un punct focal propriu fiecărei oglinzi unde exista montat un receptorde energie termică. Acest modalitate de construcție este foarte compacta. Aceste oglinzi sunt fabricate cu diametru între 3 și 25m rezultând o putere instalată de aproximativ 50kW pe modul.

La aceste instalații de acest tip acest receptorde energie termică este apoi conectat la un motor Stirling acest motorStirling are poprietatea de a transforma energia termică direct în energie mecanică acest motorStirlingputând acționa unul sau mai multe generatoare electrice. Instalațiile acestea putand atinger uneori un randament foarte înalt în procesul transformarii energiei solare în energie electrică ( cu un randament de peste 30%).

Aceste centrale au fost bine proiectate astfel incat modularitatea acestor instalații permitand atât utilizarea lor în zone izolate dar se pot folosi si in zone independente dar se poate folosi si conectarea mai multor centrale astfel ele sa formeze o centrală virtuală în cadrul generării distribuite a energiei electrice. O soluție mai rar intalnita o constituie parcurile sau (fermele) de oglinzi parabolice. În punctul focal comun tuturor oglinzilor se va gasi o suprafață absorbantă cu ajutorul căreia se realizeaza încălzirea unui agent termic utilizat în continuare pentru generare de aburi. Conectarea în grup a mai multor oglinzi parabolice este solutie constructiva ce constituie o abordare mai puțin economică ce prezinta unele dezavantaje fata de centralele cu jgheaburi parabolice sau cele cu turn solar care sunt mai economice .

Centrale solare termice fără concentrarea radiației solare

Centrale solare termice fără concentrarea radiației solare nu prezinta refletoare orientate,dar aceste centrale au avatajul ca utilizeaza totuși întreaga energie conținută în radiația solară atât cea directă cât și pe cea difuză.

Centralele ce prezinta iaz solar rolul colectorului dar și al stratului absorbant,acest rol este preluat de straturile de apă sărată de diferite concentrații.La centralele termice solare acest rol revine unui acoperiș de mari dimensiuni ce poate produce un efect de seră.

Centrale cu iaz solar

Aceste tipuri de centrale în iazuri cu apă sărată puțin adânci se poate creea într- un mod natural o combinație de colector solar dar și a unui acumulator de energie. Acest fenomen a fost observat pentru prima dată la începutul secolului XX in lacurile sărate din Transilvania [10][11]. Apa de la bază centralei este mult mai sărată deci este mai densă decât cea care se afla la suprafață.

Datorita absorbției energiei conținute de razele solare, de către stratul mai sărat de la bază, acesta are proprietatea de a se încălzi până la o temperatură de aproximativ 85-90°C. Între stratul de la suprafață și stratul din adânc există un strat de gradient cu concentrație variabilă ce nu permite ridicarea apei încălzite cu concentrație salină mai mare, din acest lucru rezultă că nu există convecție, ca urmare căldura rămâne înmagazinată în stratul de jos. Căldura înmagazinată poate fi utilizată printre altele pentru acționarea unei turbine cuplate cu un generator de energie electrică.

Deoarece temperaturile atinse sunt totuși destul de mici, este nevoie de utilizarea unui agent termic cu temperatură de fierbere mai mică decît cea a apei. Transformarea energiei calorice în energie electrică se va putea realiza astfel cu ajutorul așa numitelor centrale Organic Rankine Cycle (ORC) funcționând pe bază de amoniac, sau un compus asemănător freonului[12]. Deoarece diferența de temperatură atinge doar o valoare de cca. 60 K randamentul acestui tip de centrală este mic – din considerente termodinamice, teoretic maxim 15 %, practic 1 %. Totuși acest tip de centrală prezintă interes mai ales pentru țările în curs de dezvoltare, unde cu investiții mici se pot utiliza resursele naturale, radiația solară din belșug și suprafețe aride neconstruite.

Centrale termice solare cu vânt ascensional

Centralele termice solare utilizează așa numitul efect de coș, la care aerul cald datorită densității mici se ridică. Din punct de vedere constructiv, rolul colectorului solar îl are o suprafață de ordinul hectarelor prevăzută cu acoperiș transparent, sub care aerul și solul se încălzesc sub efectul de seră.

Aerul cald se mișcă spre centrul construcției unde se află un coș prin care se ridică în sus. Vântul ascensional astfel creat acționează mai multe turbine cuplate cu generatoare de energie electrică. Cu toate că din punct de vedere tehnic realizarea este destul de simplă, dezavantajul constă în randamentul scăzut de cca. 1 % în cel mai bun caz.

Pentru a obține o putere comparabilă cu cea a unei centrale pe bază de cărbune este nevoie ca întreaga construcție să acopere o suprafață de mai mult de 100 km2 și să se construiască un coș cu înălțimea de 1000 m sau mai mult.

O instalație pilot a fost construită în anii 1980 în Manzanares/Spania având un un diametru de 244 m și un turn înalt de 194 m și lat de 10 m rezultând o putere de 50 kW

Actualmente se află în studiu un proiect de astfel de instalație în Windhoek/Namibia [13]. Suprafața acoperită ar fi de 38 km2 și turnul înalt de 1500m. Puterea instalată ar atinge 400 MW. Pentru a mări eficiența economică, suprafața acoperită ar fi utilizată în parte pentru desalinizarea apei și în rest pentru producție agricolă cu suprafață irigată.

O dezvoltare a acestei idei este crearea de vârtejuri de aer artificiale alimentate de energia reziduală a unor centrale convenționale, mărind eficiența acestora. [14].

Centrale termice solare cu vânt descendent

Acest tip de centrale există doar în stare de concept [15].. Constau dintr-un turn înalt (1000 m) în vârful căruia se extrage energie termică din aerul înconjurător prin pulverizare de apă. Datorită răcirii în urma evaporării, și a greutății apei aerul se va mișca de sus în jos, acționând turbinele situate la baza turnului. Acest tip de centrală este concepută pentru zonele cu climă caldă și uscată și cu mari rezerve de apă.

Centrale solare pe bază de panouri solare fotovoltaice

Centrală solară în Atzenhof

Centralele de producere a energiei electrice pe bază de panouri solare fotovoltaice câștigă teren

Centrala solară din Atzenhof suburbia orașului Fürth/Germania produce 1 MW energie electrică cu ajutorul a 144 panouri solare ce acoperă o fostă haldă de deșeuri menajere.

Centrala solară din Quierschied suburbia orașului Göttelborn /Germania construită pe o suprafață de 165000 mp în 2004/2005 produce 7,4 MW energie electrică utilizând panouri solare.

Actualmente cea mai mare centrală solară se află în Pocking/ Bavaria compusă din 57912 panouri solare de înaltă performanță cu o putere de 10 MW. În Shinan/Corea de Sud a început construirea unei mari centrale solare cu o putere instalată de 20 MW, producție anuală estimată la 27000 MWh ce va acoperi cu 109000 panouri solare o suprafață egală cu cea a 80 de terenuri de fotbal. În Brandis/Saxonia/Germania a început construirea celei mai mari centrale solare având o putere de 40 MW, pe un teren al unei foste baze militare, acoperindu-se o suprafață egală cu a 200 terenuri de fotbal cu 550.000 panouri solare din film subțire. Se preconizează ca în primul an de funcționare să se recupereze integral cheltuielile de construcție care se estimează a costa cu 20%-40% mai puțin decât prețul comercial. Primele module vor fi operaționale la sfârșitul lunii iunie.

Spania domina Top 10 al centralelor solare prin efect fotovoltaic si anume:

Huertos Solares-Jumilla –Spania -20 MW

Parque Solar Hoya de Los Vincentes Beneixama–Spania -20MW

Baza aeriana Nellis NEVADA –USA 14 MW

Salamanca – Spania 13,8 MW

Lobosill/Murcia – Spania 12,7 MW

Erlasee – Germania 12 MW

Serpa PV – Portugalia 11 MW

Brandis – Germania 10 MW

Huerta Solar-Monte Alto –Spania 9,55 MW

Pocking- Germania – 8MW

La urma urmei, energia solara pe care Soarele o pune la dispozitie este mai mult decat suficienta pentru acoperirea nevoii intregii omeniri. Recent, comisia europeana a anuntat un proiect foarte ambitios, care presupune acoperirea cu panouri solare, pana in anul 2050, a unei suprafete din Sahara de marimea Republicii Moldova. Aceasta ar asigura necesarul de energie al intregii Europe, de ordinul a 100 gigawatt.

In plus, cercetari constante in tehnologia celulelor solare arata ca eficienta acestora poate fi imbunatatita. Recent, cercetatorii de la Departamentul American pentru Energii Neconventionale au anuntat un nou record mondial, obtinand o valoare de 40,8% pentru eficienta celulelor solare.

Centrale electrice solare performante

Companiile americane vor construi in curand doua centrale solare de energie electrica, a caror putere insumata va depasi 800 megawatt intr-o zi insorita.

Aceasta reprezinta mai mult de 12 ori cantitatea de energie electrica livrata de cea mai puternica centrala solara prezenta.

De remarcat ca aceasta constructie va fi efectuata pentru compania Pacific Gas & Electric. Aceasta s-a obligat prin contract cu statul american sa genereze, pana in anul 2010, peste 20% din energia sa din surse regenerabile de energie. Aceeasi companie asteapta ca noua centrala solara sa produca energie electrica la preturi competitive cu celelalte surse neconventionale de energie, cum ar fi morile de vant.

Noua centrala electrica solara se va intinde pe aproape 40 de kilometri patrati si, pe o vreme insorita, va genera 800 megawatt. Desigur insa, cum nu toate zilele din an vor fi insorite, energia totala livrata va fi in medie de 3 ori mai putina decat o termocentrala de aceeasi putere. Pentru comparatie, centralele romana si iugoslava de la Portile de Fier cumuleaza impreuna 2660 megawatt.

Prima centrala solara va fi construita in San Luis de catre compania americana OptiSolar, care foloseste panouri solare cu un strat subtire special de material activ. Ea va genera 550 megawatt. Cea de-a doua centrala solara va genera 250 megawatt si va fi construita in apropierea primei locatii, de catre compania SunPower Corporation.

Aceasta va folosi o tehnologie bazata pe siliciu si va avea panouri solare care se orienteaza automat in directia Soarelui. Pe de alta parte, cei de la OptiSolar au ales pentru o tehnologie ieftina, cu panouri fixe.

Cu totalul de 800 de megawatt, cele doua centrale vor depasi cu mult cea mai mare centrala instalata in Statele Unite, care genereaza 14 megawatt, pentru baza americana Nellis Air Force din Nevada. O alta centrala care foloseste oglinzi pentru concentrarea radiatiei solare, a fost tocmai construita tot la Nevada, avand 64 de megawatt. In Europa, centrale similare au fost construite in Spania (23 de megawatt) si in Germania (40 de megawatt).

Este interesant ca cele doua companii constructoare nu au anuntat pretul de constructie, sau al energiei solare care va fi livrate. Desigur, nimeni nu se asteapta ca acest pret sa fie scazut, insa s-ar putea ca acesta sa fie unul dintre cele mai scazute preturi de pe piata energiei solare. In acest moment, pretul energiei solare este intre doua si cinci ori mai mare decat al energiei obtinute pe cale obisnuita, in functie de locatie si perioada zilei cand este livrata.

De notat ca constructia noii centrale electrice pe energie solara este impulsionata de cresterea pretului energiei furnizate de combustibilii fosili.

Cu cat pretul acestora creste, cu atat centralele pe energie solara devin mai competitive. Cu alte cuvinte, nu trebuie sa ne facem griji ca, odata cu epuizarea combustibililor fosili, nu vom mai avea surse de energie, ci ca, in timp, trebuie sa ne obisnuim cu pretul foarte ridicat al energiei pe care o vom folosi.

Bibliography

1. http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_solar%C4%83. [Online]

1. http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_solar%C4%83

2.https://www.google.ro/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=8&cad=rja&uact=8&ved=0CFsQFjAH&url=http%3A%2F%2Fitee.elth.pub.ro%2F~bastubog%2FRaport.doc&ei=Q6kcU-_OGsiXtQbCmIHwCA&usg=AFQjCNHso2SXjseoXQbITSiZgTHMxtUt_Q&sig2=PIuTIZrRAnY88myuI27ZvA

3.http://www.inginerie-electrica.ro/acqu/pdf/sectiunea1_2012/15_T_Scarlatescu_CENTRALE_SOLARE_TERMO_ELECTRICE.pdf

BIOMASĂ Energii regenerabile

Biomasa este considerată ca resursă energetică este fundamental diferită de alte surse de energie

ne-fosile (de exemplu resursa eoliană). Ea generează energie și produse secundare similare cu

cele ale resurselor fosile. Biomasa are o utilizare foarte importantă ca sursă de hrană și materie primă pentru industrie, utilizări care trebuie corelate corect cu utilizarea în scop energetic, și respectarea principiilor durabilității, aspecte care vor fi discutate în secțiunile următoare.

. Definiția biomasei

Biomasa reprezinta“fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură(inclusiv substanțe vegetale și animale), silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultură, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipal.

Aceasta înseamnă că, în condițiile unei procesări industriale adecvate, biomasa proaspăt

recoltată poate fi convertită în produse similare cu gazul natural sau cu combustibilii lichizi sau

solizi. Prin aplicarea unor variate procese de transformare, cum ar fi arderea, gazeificarea sau

piroliza, biomasa poate fi transformată în “bio-combustibili” pentru transport, “bio-căldură” sau

Lanțul de producere a bioenergiei într-un anumit teritoriu trebuie să fie realizat luând în

considerare tehnologiile și tipurile de biomasă necesare pentru a obține cele mai bune rezultate.

De aceea, clasificarea și caracteristiciile diferitelor resurse de biomasă trebuie să fie cunoscute.

Această secțiune conține descrierea generală a biomasei și în relație cu condițiile de prelucrare.

În același timp, se evidențiază caracteristicile biomasei care au o mai mare influență asupra

schemei de durabilitate și utilizarea pentru aplicațiile în scop bioenergetic.

Tipuri de biomasă

O parte covârșitoare a biomasei disponibile pentru bioenergie provine din material vegetal și din

produse animaliere.

Unele dintre caracteristicile importante ale diferitelor tipuri de biomasă sunt prezentate mai jos.

O primă distincție se poate face luând în considerare originea biomasei provenite din diferite

sectoare, cum ar fi: sectorul agricol, silvicultură, sectorul industrial și cel urban. O altă clasificare

poate fi făcută după natura sa:

culturi energetice

reziduuri agricole.

forestiere și deșeuri

Biomasa din culturi energetice

Biomasa reprezentată de culturile energetice provine în mod evident din sectoarele agricol și

forestier.

Culturile ierboase anuale

Plantele ierboase (monocotiledonate) reprezintă cea mai mare parte a agriculturii moderne pe

scară largă. Culturile ierboase multianuale includ cereale cum ar fi boabe, orz, ovăz, secară,

alte cereale minore: sfeclă de zahăr, trestie de zahăr, culturi furajere, ca și trifoiul.

Semințele acestor cereale, tulpinile și tuberculii altor plante constituie o bună sursă de amidon

care poate fi utilizat în procese tehnologice pentru producerea de energie și biocombustibili.

Reproducerea selectivă (în special pentru culturile non-alimentare) a fost utilizată pentru

modificarea raportului semințe/plante pentru multe specii de biomasă, cu creșteri mari ale

producției de semințe.

Culturi ierboase perene

Acest tip de biomasă poate fi utilizat ca materie primă pentru producția de bioenergie atunci

când este viabil din punct de vedere economic. Speciile de stuf și trestie cu creștere rapidă

(cum ar fi Arundo Donax, Iarba Elefantului) sunt exemple de culturi ierboase care pot avea o

utilizare bună a nutrienților disponibili pentru a crește productivitatea biomasei; dar, în același

timp, alte caracteristici agronomice reprezintă încă puncte slabe, cum ar fi sterilitatea florală,

costurile prohibitive pentru înființarea culturii, mecanizarea relativ redusă a recoltării, umiditate

mare a produsului recoltabil și conținut ridicat de cenușă (Ranalli P., 2010).

Anghinarea (Cynara) și Iarba Elefantului (Mischantus) sunt alte culturi energetice cu conținut de

apă redus: din acest motiv ele sunt foarte interesante din punct de vedere energetic și de aceea

se desfășoară multe programe de cercetare în domeniul agronomic și genetic, pentru

îmbunătățirea producției.

Culturi oleaginoase

Culturile oleaginoase cuprind culturi anuale de semințe oleaginoase și culturi de arbori pereni

oleaginoși.

Culturi cu semințe oleaginoase

Din punct de vedere agronomic, culturile de semințe oleaginoase au o istorie evolutivă diferită

de cea a culturilor de cereale, de aceea pot aduce beneficii suplimentare ca o cultură secundară

pentru reducerea agenților patogeni din sol.

Cea mai reprezentativă cultură oleaginoasă în zonele europene sunt cele de floarea soarelui și

soia. Uleiul vegetal este în mod obișnuit extras prin presare mecanică și/sau extracție cu solvent

și este utilizat în industria alimentară, a săpunului și cosmetică. Uleiurile din aceste culturi conțin

și alți constituenți ai semințelor (proteine sau amidon). Partea lignocelulozică a culturilor

oleaginoase, care în mod tradițional este utilizată ca mulci sau furaj, poate fi de asemenea arsă

pentru obținerea energiei sau pentru încălzire, în timp ce uleiurile vegetale pot fi utilizate pentru

aplicații bioenergetice cu valoare mai mare, în special ca înlocuitor pentru combustibil diesel

(Crucible Carbon, 2010).

Uleiurile vegetale derivate din aceste culturi și modificate în m-metil-esteri sunt în mod comun

numite “biodiesel” și sunt candidații principali pentru a deveni combustibili alternativi.

Culturile de arbori oleaginoși

În prezent există câțiva arbori care produc ulei: palmierul, nuca de cocos și macadamia. Uleiul

de palmier în mod special este utilizat în țările dezvoltate pentru a produce atât ulei comestibil,

cât și biodiesel.

Dar utilizarea uleiurilor comestibile în scop energetic poate să provoace probleme semnificative,

cum ar fi foamete în țările în curs de dezvoltare. Utilizarea dublă a uleiului de palmier crește

competiția între piața uleiului comestibil și cea a biocombustibililor, având drept consecință

creșterea prețului uleiului vegetal în țările în curs de dezvoltare.

Biomasă din reziduuri și deșeuri

Analiza biomasei din reziduuri și deșeuri este mai complicată, din cauza complexității de

materiale și a sectoarelor de origine (de la sectorul agricol, la cel urban).

Directiva UE 2008/98/CE definește diferența dintre subprodus și deșeuri: “subprodusele sunt

acele materiale care pot fi reutilizate, în timp ce deșeurile sunt definite ca materiale rezultate la

sfârșitul ciclului de producție și care nu pot fi reutilizate“ (Castelli S., 2010).

Deșeurile sunt cele generate în procesul de producție, deșeuri industriale și deșeuri municipale

solide.

Conținutul energetic tipic este de la 10,5 la 11,5 MJ/kg.

Practicile de gestionare a deșeurilor diferă de la o țară la alta, de la zone urbane la zone rurale,

de la producători industriali la cei rezidențiali.

Situația gestionării deșeurilor într-o țară în curs de dezvoltare, diferă de aceea dintr-o țară

industrializată.

Transferul de tehnologie de la o țară la alta poate fi total nepotrivit, deși din punct

de vedere tehnic tehnologia este viabilă și accesibilă. Este foarte important să se înțeleagă

factorii locali, cum ar fi:

Caracteristicile și variațiile sezoniere ale deșeurilor

Aspectele sociale legate de obiceiurile în ceea ce privește deșeurile solide și atitudinea

instituțiilor politice

Conștientizarea altor limitări ale resurselor

Rolul unui management durabil al deșeurilor este de a reduce cantitatea de deșeuri eliberate în mediu, prin reducerea cantității de deșeuri produse. Cantități mari de deșeuri nu pot fi eliminate.

Cu toate acestea, impactul asupra mediului poate fi redus printr-o utilizare durabilă a deșeurilor.

Acest lucru este cunoscut ca “ierarhia gestionării deșeurilor”.

Ierarhia gestionării deșeurilor se referă la reducere, reutilizare și reciclare și la clasificarea

strategiilor de management al deșeurilor în funcție de dezirabilitatea acestora, în scopul

minimizării deșeurilor. Scopul ierarhiei gestionării deșeurilor este acela de a obține beneficii

practice maxime dintr-un produs și de a genera o cantitate minimă de deșeuri (Demirbas A.,

2010).

O parte din biomasă este deci clasificată ca deșeu provenind din activități industriale, agricole,

forestiere și urbane: este simplu de aplicat conceptul de “ierarhie a gestionării deșeurilor” tuturor

reziduurilor sau deșeurilor incluse în domeniul biomasei, așa acum se arată în următoarea

secțiune.

Biomasa provenită din reziduuri și deșeuri include reziduurile provenite de la plante și animale.

Acestea sunt reprezentate de reziduuri agricole, cum ar fi paie, coji de legume și fructereziduuri și deșeuri forestiere, cum ar fi stratul de frunze, reziduurile de la gatere, deșeurile

alimentare și componenta organică a deșeurilor minicipale solide.

Din aceste deșeuri se poate produce energie, căci, la nivel global, câteva miliarde de tone de biomasă sunt conținute în ele.

ENERGIA GEOTERMALĂ.

PARTICULARITĂȚI ALE ENERGIEI GEOTERMALE

. Considerații teoretice privind energia geotermală

Energia geotermală reprezintă o gama diversificata categorii particulare de energie termică, pe care le are in componenta sa scoarța terestră. Cu o precizarea, si anume cu cat se coboară mai adânc în interiorul scoarței terestre, temperatura crește și deci creste teoretic si energia geotermală .Aceasta energie geotermala poate să fie utilizată foarte eficient, singura problemă fiind reprezentată de adâncimea la care este disponibilă această energie geotermala.

În imaginea din figura 3.1 sunt prezentate principalele zone din care este alcătuit interiorul pamantului.

.

Fig. 3.1. Principalele zone din care este alcătuit Pământul http://academic.evergreen.edu

Toate zonele aratate in figura de mai sus, sunt impartite la rândul lor în mai multe subzone. Aceste patru zone sunt cele mai importante zone si deasemenea sunt zonele principale ale pamantului sunt în ordine , dinspre suprafața Pământului spre centrul acestuia, cu dimensiunile aproximative:

– Scoarța 0… 100 km; –

Mantaua 100… 3000 km

– Nucleul extern 3000… 5000 km;

– Nucleul intern 5000… 6378 km.

Aceasta temperature a Pamantului creste evident in sensul dinspre suprafață spre centru, unde atinge o valoare de aproximativ cca. 6000°C, aceasta temperatura de cca 6000°C nu a putut fii precis determinată de oamenii de știință.

Figura 3.2 ne este aratată variația calculate cu aproximatie a temperaturii din interiorul Pământului, iar figura 3.3ne este reprezentat o imagine foarte clara a temperaturii acestor zone din interiorului Pământului

Fig. 3.2. Variația temperaturii dinspre scoarța spre centrul Pământului academic.evergreen.edu

Fig. 3.3. Variația temperaturii în zonele din interiorul Pământului

De remarcat că aproximativ 99% din interiorul Pământului se afla la o temperatură de aproximativ 1000°C, iar 99% din restul de 1%, se găsește la o temperatură de peste 100°C.

Elementele aceste ne sugerează noua că interiorul Pământului poate reprezenta o sursă regenerabilă de energie care poate sa ne capteze toată atenția și trebuie exploatată într-un procent cât mai mare.

Energia geotermală este déjà utilizată la o scară comercială, începând din anul 1920, când sa început să fie folosita în special căldura apelor geotermale, sau cea provenită din gheizere.Cu ajutorul căldurii apelor geotermale sa realizat încălzirea locuințelor, sau a unor cladiri comerciale.

Potențialului termic, energia geotermală poate fi clasificată în două principale categorii:

Energie geotermală de potențial termic ridicat.

Energie geotermală de potențial termic scăzut.

Energia geotermală de potențial termic ridicat

Energia geotermală are si o alta caracteristica foarte importanta ,prin faptul ca ,printr-un nivel ridicat al temperaturilor la care este disponibilă aceasta energia geotermala ea poate fi transformată direct în energie electrică sau energie termică. În figura 3.4 este o schemă de principiu a unei centrale electrice geotermale, iar în figura 3.5 este prezentată o asemenea centrală electrică geotermală.

.

Fig. 3.4. Părțile componente ale unei centrale electrice geotermale

1.foraj pt. injecția apei și pompe de injecție

2.zona de joncțiune între foraje

3.foraje de producție

4.chimbător de căldură

5.turbinele și generatoarele electrice

6.sistem de răcire

7.stocare energie de potențial termic ridicat în sol

8.sistem de monitorizare seismic

9.consumatori electrici

www.renewables-made-in-ge rmany.com

Fig. 3.5. Centrală electrică geotermală din Kamchatka, Rusia www.renewables-made-in-germany.com

Obtinerea energiei electrice în prezent din energie geotermală, se obtine cu ajutorul centralelor electrice cu o putere specifica de circa de 20…50MW, care exista în țări ca: Filipine, Kenia, Costa Rica, Islanda, SUA, Rusia, etc.Categoria surselor regenerabile de energie geotermale cu un potențial termic ridicat, fac parte și gheizerele cu apă fierbinte sau abur, de tipul celor aratate în figura 3.6.

Fig. 3.6. Gheizer www. -made-in-germany.com

Căldura conținută de aceste gheizere, dar și de apele geotermale, poate fi captată și poate fi utilizată cu ajutorul unor schimbătoare de căldură, cel mai adesea cu plăci.

Energia geotermală de potențial termic scăzut

Energia geotermală de potențial termic scăzut prezinta un tip de energie geotermală care este caracterizată printr-un nivel scăzut al temperaturii la care este disponibilă dar si asa poate fi utilizată numai pentru încălzire,nu poate fii posibilă conversia acesteia în energie electrică.

Energia geotermală de acest fel este disponibilă la suprafața scoarței terestre, ea fiind mai ușor de exploatat decât energia geotermală de potențial termic ridicat. Principalul avantaj la energia geotermală de potențial termic scăzut fata de energia geotermală de potențial termic ridicat il reprezinta faptul ca poate fii ușor de exploatata deoarece ea se afla la suprafața scoarței terestre. În figura 3.7 se observă că începând de la adâncimi foarte reduse, temperatura solului poate fi considerată relativ constantă pe durata întregului an:

La 1m temperatura solului variază între 5…15°C;

La 1,5…3m temperatura solului variază între 7…13°C;

La 4,5m temperatura solului variază între 8…12°C;

La 6…10m temperatura solului variază între 9…11°C;

– La 10…18m temperatura solului variază cu mai puțin de 1°C în jurul valorii de 10°C

Exploatarea acestei energii geotermale de potențial termic scăzut are nevoie de niste echipamente special concepute pentru a putea ridica temperatura până la valoare care săi poata permite o încălzire și/sau o preparare a apei calde.Din acest punct de vedere in exploatarea acestei energii geotermale de potențial termic scăzut aceste echipamente special de ridicare a temperaturii apei reprezintă un dezavantaj față de energia geotermală de potențial termic ridicat. Aceste echipamente special menționate anterior, au denumirea de pompe de căldură și au un principiu de funcționare similar cu cel al mașinilor frigorifice, funcționând si ele cu energie electrică.

Pompele de căldură și sursele de energie geotermală

Pompele de căldură, au un bun potential din punct de vedere al absorbtiei de căldura din sol si anume :

din apa freatică

de la diferite adâncimi

din apele de suprafață (dar numai cu condiția să nu existe pericolul ca apa să înghețe),

sau chiar din aer (dar numai în perioadele în care temperatura aerului este suficient de mare, pentru a permite funcționarea pompelor de căldură, cu o eficiență ridicată). Indiferent de sursa de căldură, pompele de căldură utilizează indirect, energia solară acumulată în sol, apă sau aer.

Condițiile indeplinite de catre sursa de căldură, pentru a putea fi utilizată de către aceste pompele de căldură sunt următoarele si anume:

Disponibilitate în cantitate suficientă;

Capacitate cât mai mare de a acumula căldură;

Nivel cât mai ridicat de temperatură;

Capacitate de regenerare suficient de mare;

Posibilitate de captare în condiții cât mai economice.

Aceste surse de căldură sunt prezentate anterior, solul, apa și aerul, pot satisface toate aceste cerințe, iar piața pompelor de căldură, utilizând toate aceste surse de căldură este actualmente în continuă creștere. În următoarele paragrafe vor fi aratate diverse pompe de căldură utilizând toate aceste tipuri de surse de căldură.

Solul are o sursă eficientă de căldură, deoarece prezinta proprietatea de acumula căldură atât direct sub formă de radiație solară cât și indirect de la ploi, respectiv de la aer.Aceasta căldura poate fi preluata cu ajutorul unor circuite intermediare plasate în sol.Aceste circuite intermediare plasate în sol au rolul de a absorbi căldură din sol și a o transmite mai departe vaporizatorului pompei de căldură.O alta varianta constructiva a vaporizatorului ii permite posibilitatea de a amplasa acest vaporizator pompei de căldură direct în sol .

Circuitele intermediare de absorbtie a căldurii din sol au in componenta urmatoarele componente si anume:

schimbătoare de căldură denumite colectori

pompe de circulare a agentului intermediar din aceste circuite,

sistem de distribuție a agentului intermediar în colectori,

dispozitive de aerisire, etc

Agentul intermediar din circuitele intermediare este constituit din soluții apoase de tipul unui antigel, iar majoritatea producătorilor recomandă folosirea diverselor amestecuri ecologice de acest tip. Mai pot fi utilizate și soluții de apă sărată, dar nu se utilizeaza in nici un caz apa simplă. Apa simplă nu poate fii utilizata deoarece pe timpul iernii există pericolul iminent ca apa să înghețe, cel puțin în porțiunile conductelor aflate la suprafața solului, sau chiar în aer liber (acest lucru se poate intampla chiar dacă aceste conducte sunt prevazute cu izolatie termica). Dacă agentul intermediar ar îngheța funcționarea pompei de căldură ar deveni imposibilă. Temperatura de îngheț recomandată de majoritatea producătorilor pentru soluțiile de tip antigel utilizate în circuitul intermediar, este de cel putin -15 grade C

Sunt două tipuri de colectori care pot fi utilizați în circuitele intermediare de preluare a căldurii din sol si anume:

colectori orizontali

colectori verticali

În figura 3.8 sunt prezentați colectori orizontali, care se montează la adâncimi de cca. 1,2…1,5m.

Iar în figura 3.9 sunt prezentați colectori verticali , denumiți și sonde, care se montează în orificii practicate prin forare, la adîncimi de până la cca. 100m, peste aceste adâncimi fiind dificil de obținut autorizații pentru realizarea forajelor

Fig. 3.9. Colectori verticali pentru captarea căldurii din sol

Atât colectorii orizontali, cât și cei verticali, sunt construiti din tuburi de polietilenă, care

au o durată foarte lungă de exploatare care este absolut necesară acestor echipamente.

Utilizarea unor colectori metalici în sol, care ar avea rolul să reducă suprafața de schimb de căldură, nu este posibilă, datorită corozivității ridicate a solului, care ar distruge relativ rapid colectorii, iar înlocuirea acestora ar reprezenta o operație extrem de complexă și costisitoare.

Colectorii orizontali, prezintă unele avantajesi anume : costurilor relativ reduse de realizare a excavațiilor necesare în vederea amplasării colectorilor, mai ales în cazul unor construcții noi.

Dar prezintă dezavantajul necesității unor suprafețe mari de amplasare a colectorilor, ceea ce reduce posibilitatea de utilizare a acestor tipuri de colectori, cel puțin în zonele urbane unde prețul terenurilor de construcție este foarte ridicat și unde din acest motiv, suprafețele disponibile sunt limitate .

Colectorii verticali, prezintă avantajul necesității unor suprafete reduse de amplasare, dar prezintă dezavantajul costurilor ridicate de realizare a forajelor, cca. 80…100 Euro/m

Amplasarea direct în sol a vaporizatorului pompei de căldură este posibilă în construcții de tipul celei prezentate în figura 10.

Fig. 3.10. Amplasarea direct în sol a vaporizatorului pompei de căldură

Avantajul amplasării direct în sol a acestor vaporizatoare ale pompei de căldură este reprezentat de eliminarea circuitului de agent intermediar, ceea ce permite reducerea diferenței dintre temperatura de vaporizare și temperatura solului, având ca efect îmbunătățirea eficienței pompei de căldură. În plus, este economisită energia necesară circulației agentului intermediar. Dezavantajele acestui sistem, sunt reprezentate de necesitatea unor cantități mai mari de agent frigorific, decât în cazul utilizării circuitului intermediar de preluare a căldurii din sol și de prezența unor pierderi de presiune mai mari pe circuitul agentului frigorific.

Vaporizatorul amplasat direct în sol, este realizat din țevi de cupru cauciucat, pentru a se asigura protecția anticorozivă față de sol.

Diametrul acestor țevi este mult mai redus decât al tuburilor din polietină, utilizați la construcția colectorilor din circuitele prezentate anterior . Pentru dimensionarea colectorilor orizontali, la calculul suprafeței necesare pentru amplasarea colectorilor, trebuie să se țină seama de tipul solulului și de cantitatea de apă din sol.

Pentru dimensionarea vaporizatoarelor amplasate în sol, pentru amplasarea colectorilor la o distanță medie de 0,5…0,7m se poate considera o sarcină termică specifică liniară, raportată la lungimea țevii vaporizatorului, de cca. 35…40W/m.

Apa freatică reprezintă o sursă de căldură și mai eficientă decât solul, deoarece temperatura acesteia este relativ constantă în tot timpul anului, având valori de 7…12°C, deci mai ridicate decât solul. În plus, apa freatică poate fi circulată direct prin vaporizatorul pompelor de căldură, ceea ce elimină necesitatea unui circuit intermediary

Fig. 3.11. Utilizarea apei freatice ca sursă de căldură

Apa freatică trebuie să se găsească la adâncimi relativ reduse, care să permită obținerea autorizației de foraj, adică maxim 50…70m. Se recomandă totuși ca adâncimea de la care este preluată apa freatică, în cazul locuințelor familiale, să nu depășească 15m, pentru că la adâncimi mai mari cresc mult costurile pentru realizarea celor două foraje, precum și costurile de exploatare datorate înălțimii ridicate de pompare a apei freatice. Distanța dintre cele două puțuri trebuie să fie de minim 5m, iar amplasarea astfel încât sensul de curgere a apei să fie dinspre puțul prin care este absorbită apa, spre cel în care este evacuată apa. Nu este posibilă utilizarea ca sursă de căldură, a apei din lacuri freatice, deoarece în acest caz există pericolul înghețării apei în jurul sondelor, ceea ce împiedică funcționarea pompei de căldură.

Dezavantajele utilizării apei freatice ca sursă de căldură, sunt reprezentate de faptul că este necesar să existe un debit suficient de mare al apei freatice, iar compoziția chimică trebuie să se încadreze între limite bine precizate din punctul de vedere al unor componenți cum sunt: carbonați acizi, sulfați, cloruri, amoniac, sulfit de sodiu, bioxid de carbon liber (extrem de agresiv), nitrați, hidrogen sulfurați, etc.

Condițiile prezentate, destul de restrictive, reduc sensibil posibilitățile de utilizare a apei freatice ca sursă de căldură.

Apa din lacuri și râuri poate fi utilizată de asemenea ca sursă de căldură, dar este necesară utilizarea unui circuit intermediar și trebuie evitată formarea de gheață pe colectorii amplasați în apă, deoarece gheața ar reduce mult intensitatea transferului termic dintre apă și agentul intermediar din colectori.

Apa de mare este și mai ușor de utilizat, deoarece la o adâncime de câțiva metri, nu se mai pune problema înghețării acesteia, dar și în cazul apei de mare, trebuie utilizat un circuit intermediar pentru preluarea căldurii.

Aerul reprezintă o sursă de căldură gratuită, disponibilă în cantități nelimitate. În pompele de căldură, se poate utiliza ca sursă de căldură doar aerul exterior, care este circulat prin tubulaturi cu ajutorul unui ventilator. În figura 3.12 este prezentată o pompă de căldură care absoarbe căldură de la aer și încălzește apă, utilizabilă pentru încălzire, sau ca apă caldă menajeră. Aceste echipamente sunt denumite pompe de căldură aer-apă

Fig 3. 12 pompa de caldura are –apa

Pompele de căldură aer-aer sunt cele mai răspândite și sunt reprezentate de toate aparatele de condiționarea aerului, care pot să realizeze atât răcire cât și încălzire. În regim de încălzire, aceste echipamente funcționează ca pompe de căldură aer-aer.

La scăderea temperaturii exterioare, eficiența pompelor de căldură care utilizează aerul ca sursă de căldură, se reduce sensibil, ceea ce limitează posibilitatea utilizării acestor echipamente, la o perioadă de timp de maxim 70…80% din an, fiind indicată utilizarea combinată a acestora, împreună cu alte sisteme de încălzire. Pe de altă parte, în perioadele mai calde ale anului, primavara, vara și toamna, când temperatura aerului este mai ridicată, aceste echipamente pot fi extrem de eficiente pentru prepararea apei calde menajere

Fig. 3.13. Încălzirea apei din piscină cu ajutorul unei pompe de căldură aer-apă și a unor colectori solari

Pentru acest gen de aplicație, pompele de căldură aer-apă, sunt între cele mai eficiente posibile, iar combinația cu un echipament de încălzire utilizând energie solară este cu atât mai performantă și permite exploatarea ieftină a piscinei cu apă caldă, atât în perioadele însorite cât și în cele fără radiație solară directă. Costurile de exploatare ale unor instalații de încălzire a apei din piscine, utilizând pompe de căldură aer-apă, sunt mai reduse decât cele ale unor sisteme funcționând cu gaz, diverși combustibili lichizi, sau peleți. Singurele sisteme mai ieftine din punct de vedere al cheluielilor cu sursa de energie, sunt cele utilizând brichete sau lemne, dar aceste sisteme nu permit funcționarea automatizată a echipamentului de încălzire, ceea ce implică dificultăți de exploatare, sau creșterea cheltuielilor de exploatare, ceea ce anulează avantajul costurilor cu combustibilul, mai reduse.

Regimuri de funcționare a pompelor de căldură

Acest regim de funcționare a pompelor de căldură, trebuie adaptat in functie de tipul sistemului de încălzire al obiectivului pe care îl deservesc, dacă acesta este deja realizat, iar pompele de căldură înlocuiesc echipamente existente funcționând cu combustibili clasici. În aceste situații, o restricție importantă este reprezentată de faptul că temperatura maximă pe care o pot realiza pe tur pompele de căldură este de 55°C, iar peste această temperatură pompele de căldură pot funcționa doar în cuplaj cu alte surse de încălzire.

Energie eoliana

Istoria turbinelor eoliene

Moara de vânt este strămoșul generatoarelor eoliene. Ea a apărut în Evul Mediu în Europa. Ea a funcționat la început cu ax vertical. Mai târziu, morile se orientau după direcția vântului și au fost puse pânze pentru a capta mai bine energia vântului.

Prima moară de vânt cu pale profilate a apărut în secolul doisprezece. Chiar dacă era foarte simplă, este totuși vorba de prima cercetare aerodinamică a palelor. Acestea au fost utilizate în principal pentru pomparea apei sau pentru măcinarea grâului.

În perioada Renașterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au interesat foarte intens de morile de vânt, ceea ce a condus la numeroase inovații, uneori inutile. De atunci, morile s-au înmulțit în Europa.

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

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

Evoluția electricității în secolul XX a determinat apariția primelor eoliene moderne. Este studiat profilul palelor, iar inginerii se inspiră după profilul aripilor de avion.

În prezent, eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu excepția modelelor cu ax vertical ca cele cu rotor Savonius și Darrieus, care sunt încă utilizate, dar sunt pe cale de dispariție. Ultimele inovații permit funcționarea eolienelor cu viteză variabilă, respectiv reglarea vitezei turbinei eoliene în funcție de viteza vântului.

Morile de vant au fost utilizate în Persia (azi Iran), inca din anul 200 I.H.. Primele caziro cunoscute de alimentare a unei masini cu electricitate cu ajutorul vantului a fost roata de vant creata de Heron din Alexandria.

Dar primele mori de vant practice care au fost folosite la potential maxim au fost construite in localitatea Sistan, o regiune dintre Afganistan si Iran, din secolul al saptelea.

Aceste „Panemone au fost mori de vant cu ax vertical, care au avut arbori verticali lungi cu lame dreptunghiulare. Fabricate din sase – douasprazece vele acoperite in material de stofa, aceste mori de vant au fost folosite pentru a macina cereale sau sa scoata apa.

Figura 2 – Turbina eoliana producatoare de electricitate a lui James Blyth fotografiata in 1891

Aceste mori de vant au realizate pentru prima data in Europa in timpul Evului Mediu. Sursele istorice a utilizarii morilor de vant in Anglia sunt din secolele 11 sau 12. Dar alte surse istorice ne indica spre cruciatii germani care in jurul anului 1190 au mers in Syria unde au reusit sa construiasca mori de vant. In secolul al 14-lea mori de vant aveau un rol foarte important deoarece in cultura olandeza erau utilizate pentru a drena apa din zonele deltei Rinului.

Figura 3 – Prima turbina eoliana operata automat, construita in Cleveland 1887 de Charles F. Brush

Prima turbina eoliana cvarte a fost construita si utilizata pentru a produce electricitate, a fost o turbina eoliana care functiona cu ajutorul bateriilor,aceasta turbina eoliana instalata in Iulie 1887 de catre savantul James Blyth pentru a-si lumina casa de vacanta din localitatea Marykirk, Scotia.Dar cateva luni mai tarziu renumitul inventator american Charles F Brush a realizat prima turbina eoliana operata automat ce produce electricitate.

Definitie

Energia eoliana este energia continuta de forta vantului ce bate pe suprafata pamantului.

Exploatata, ea poate fi transformata in energie mecanica pentru pomparea apei.

Importanta eolienelor

Importanta eolienelor pe plan mondial este privita dintr-o noua perspective deoarece în domeniul dezvoltării durabile au fost determinate toate statele lumii să se gandeasca serios la problemele create de catre metodele clasice de producere a energie electrice si anume la centrale cu combustibili fosili care din punct de vedere al protectiei mediului inconjurator nu sunt benefice deoarece produc efectul de sera.

Trei factori importanti ce au determinat ca solutie de implementare a acestor istalatii eoliene,precum si competitivitatea acestora sunt :

Noile cunostinte si dezvoltarea electronicii de putere.

Ameliorarea performantelor aerodinamice in fabricarea turbinelor eoliene.

finanțarea națională pentru implantarea de noi eoliene.

Atunci sau abordat noile metode de producere a energiei electrice astfel incat sa se aiba in vedere cresterea cotei de energie produsă pe baza energiilor regenerabile in detrimentul cotei de energie produsă pe baza de conbustibili fosili , central atomice etc.

Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă drastic emisiile de gaze cu efect de seră prin implementarea noilor metode de producere a energiei electrice si anume:

Energie solara

Energie eoliana

Energie geotermala

. Acest acord a determinat utilizarea unor politici naționale de dezvoltare a eolienelor și a altor surse ce nu degajă bioxid ce carbon in atmosfera.

În prezent, la nivel mondial,aceasta ponderea a energiilor regenerabile pentru realizarea producerii energiei electrice, este scăzută. In consecinta se poate spune că potențialul diferitelor filiere de energii regenerabile, este sub-exploatat.

Totuși, ameliorările tehnologice si tehnice au avantajat instalarea de generatoare eoliene, într-un ritm permanent crescător în ultimii ani, cu o evoluție exponențială, având o rată de creștere de aproximativ 25% în anul 2003.

Aceasta repartiție în Europa a energiei electrice produse pe baza turbinelor eoliene, arată diferențe între state. Germania este liderul pe piața europeană, în ciuda unei încetiniri în 2003 a instalăriii de astfel de tehnologii si instalatii eoliene. Spania, pe poziția a doua, continuă să instaleze intensiv parcuri eoliene. Danemarca este pe a treia poziție, având dezvoltate eoliene offshore și trecând la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani.

Astfel costurile și eficiența instalarii unui proiect eolian trebuie să aiba in vedere atât de prețul eolienei, dar si pe cele ale instalării și întreținerii acestei instalatii eoliene, precum și de cel al vânzării energiei.

Pentru realizarea unei instalatii eoliane si montarea acesteia este costisitor din punct de vedere financiar, si in prezent aceste instalatii eoliene sunt destul de scumpe. Trebuiesc implementate noi tehnologii de fabricatie a acestor instalatii eoliene dar si progrese din punct de vedere economic pentru a se putea asigura resursele dezvoltării eolienelor. Se poate estima că realizarea si instalarea unui kW eolian, costă aproximativ 1000 Euro. Progresul tehnologic dar și producția în continuua creștere a eolienelor din ultimii ani ne permit reducerea constantă a prețului estimat. Prețul unui kWh depinde foarte mult de prețul instalării eolienei, dar si de cantitatea de energie produsă anual.. Această principala particularitate tinde să implice populația în dezvoltarea si implementarea acestor instalatii eoliene.

Energia eoliană este percepută ca o cale de implementare si de diversificare a producției agricole in zonele izolate.

În Danemarca, 100 000 de familii dețin acțiuni în energia eoliană. Filiera eoliană a permis crearea de locuri de muncă în diverse sectoare industriale, ca cele de producere a eolienelor dar si fabricarea componentelor acestor eoliene, precum si crearea de locuri de muncă in domeniul firmelor care se ocupa cu instalarea instalatilor eoliene, dar si in domeniul exploatării și întreținerii acestor turbine eoliene.

Sau creat locuri de munca de asemenea si în domeniul cercetării și dezvoltării eolienelor.

Se înregistrează peste 15 000 de angajați în Danemarca și 30 000 în Germania, direct sau indirect implicați în filiera eoliană.

PĂRȚILE COMPONENTE ALE TURBINEI EOLIENE

Principalele părțile ale unei turbine eoliene sunt expuse în figura 6.1, dar in principiu, cele mai importante părți componente ale turbinelor eoliene, sunt urmatoarele si anume :

Principalele părți componente ale unei turbine eoliene in fig 6.1

butucul rotorului;

paletele;

nacela;

pilonul;

arborele principal (de turație redusă);

multiplicatorul de turație cu roți dințate;

dispozitivul de frânare;

arborele de turație ridicată;

generatorul electric;

sistemul de răcire al generatorului electric;

sistemul de pivotare;

girueta;

anemometrul;

sistemul de control (controllerul)

Fig. 6.1. Principalele părți componente ale unei turbine eoliene

www.energy.iastate.edu

Butucul rotorului

Butucul rotorului are un rol foarte important deoarece permite montarea paletelor turbinei eoliene și deci in consecinta acest butuc al rotorului este montat pe arborele principal al turbinei eoliene. În figurile ce urmeaza respectiv figurile 6.7 și 6.8 sunt aratate două imagini ale butucilor turbinei eoliene.

Fig. 6.8. Butuc de turbină eoliană

Fig. 6.8. Butuc de turbină eoliană

Paletele

Paletele turbinelor eoliene sunt unele dintre cele mai importante parti componente ale turbinelor eoliene deoarece acestea împreună cu butucul alcătuiesc rotorul unei turbine eoliene. Paletele sunt construite cu ajutorul unor tehnologii utilizate și în industria aeronautică, paletele turbinelor eoliene sunt realizate din materiale compozite.Aceste materiale compozite asigura simultan proprietati de rezistență mecanică, flexibilitate, elasticitate dar și o greutate redusă.Se utilizează la construcția paletelor și materiale metalice sau uneori chiar lemnul. În figura 6.9 este prezentata o eoliana. În figura 610 sunt aratata o paleta a unei turbine eoliene de mari dimensiuni.

Fig. 6.9.Eoliana VESTAS

Fig. 6.10. Paletă de turbină eoliană

Materialele din care sunt realizate profilele de pală

Materialele folosite în dezvoltarea, construcția palelor sunt esențiale pentru buna funcționare a turbinei eoliene. Aceste pale trebuie să fie cu greutate redusă, rezistente la coroziune și oboseală.

Materialul ideal pentru pale ar trebui să combine următoarele proprietăți structurale:

Raport optim de duritate – greutate specifică;

Longevitate la solicitări de oboseală și flexibilitate;

Cost mic și prelucrarea materialelor pentru a obține forma aerodinamică dorită.

Aliaj ușor și spumă poliuretan;

Aliaj ușor și polistiren armat cu fibră de sticlă

5.4 O noua generatie de materiale pentru procesul de fabricatie a palelor de turbina eoliana.

Instalatiile eoliene moderne devin din ce in ce mai mari si mai performante, si odata cu instalatiile eoliene si rotoarele cresc si ele in dimensiuni pentru a se potrivi. In consecinta materialele din care sunt fabricate palele de turbinelor eoliene tin pasul, cu design-uri, materiale si procesele noi de fabricatie .

Palele de rotorului eolian trebuie sa fie mai lungi si rigide pentru a putea extrage cat mai multa energie posibila de la vant, dar trebuie sa fie usoare in raportat cu lungimea per unitate.

Un aspect foarte important il constituie lucrarile mari pentru intretinere acestor instalatiile eoliene.Aceste lucrari de intretinere trebuiesc sa fie rezistente la deteriorari in timp.

Aceste obiective trebuiesc realizate la cel mai scazut cost posibil cea ce inseamna ca cercetarea si utilizarea celor mai noi materiale in constructia de pale de turbine.

O mare provocare pentru cercetatori in acest moment este oprirea intr-un interval mai mare de timp, palele trebuie sa fie mai subtiri de turbine,acestea putand lovind turnurile cand sunt deviate de sarcina eoliana. Marile companii care construiesc astfel de pale de turbine eoliana trebuie sa dispuna de materiale compozite mai rigide,dar care au proprietatea in acelasi timp de a fii mai usoare. 

Fibra de carbon are rezistenta de peste trei ori mai mare si si o rigiditate mult mai buna decat a sticlei.Fibra de carbon este o alternative foarte buna de inlocuire a plasticului armat cu sticla, folosit in mod obisnuit la realizarea palelor eolienei..

Acest lucru ajuta designerii sa construiasca pale din fibra de carbon cu un profil mai lung,dar dispun de avantajulca daca palele sunt construite din fibra de carbon isi pastreaza in acelasi timp si rigiditatea necesara. Un studiu recent ne arata ca un design bazat pe fibra de carbon pentru o pala cu dimensiunea de 53 de metri lungime ar trebui sa fie cu aproximativ 20% mai usor decat echivalentul sau in care s-a folosit plastic armat cu sticla. 

Deci in consecinta palele sunt mai usoare si beneficiaza de avantajul unor sarcini mai usoare la baza, dar si al celor de pe restul structurii, care la randul lor reduc greutatea totala si deci prin aceasta se reduc costurile.Cu ajutorul acestui studiu sa calculate cu precizie ca pentru intreaga durata de viata a acestei turbine de 3 MW avem un beneficiu de aproximativ 100.000 de euro.

Discutia in cadrul acestui sector industrial cu privire la inlocuirea sticlei cu fibra de carbon se afla in punctul de fierbere de ani de zile. Producatorii Vestas si NEG Micon, care au fuzionat in 2004, au fost primii care au folosit carbon, iar astazi Vestas si Gamesa, impreuna cu SGL Rotec si DeWind, sunt printre putinii producatori care recunosc public faptul ca folosesc fibra de carbon la constructia turbinelor. Alti producatori, cum ar fi REpower si LM, au cochetat si ei cu fibra de carbon, insa ulterior au intrerupt utilizarea ei.

Un impediment al “Costul rigiditatii” il reprezinta principalii factorii si anume:

costurile fibrei de carbon (poate de 20 de ori mai mare decat cel al sticlei).

consistenta si siguranta furnizarii au impiedicat adoptarea acestei solutii la scara larga.

Un alt factor important este cat de bine se potriveste procesul de fabricatie pe care producatorul il foloseste cu fibra de carbon

In concluzie, toate materialele din care sunt construite palele turbinelor eoliene evolueaza in acelasi timp cu procesul de fabricatie: un randament mai mare este total inutil deoarece acest lucru poate adauga o prea mare complexitate si costuri suplimentare de productie.

In industria de astazi toate procesele de fabricatie se indeparteaza de procesele traditionale manuale de productie, deci noile materiale trebuie sa fie compatibile cu tehnicile automatizateale utilajelor, cum ar fi ridicarea robotizataa palelor sau pulverizarea automatizata a stratului de suprafata a palei. 

Procesul de reciclarea reprezinta si ea o mare importanta pentru producatori,acest aspect cu care se lupta actualele materiale pentru palele de turbine eoliene. Concluzia finala se poate trage intotdeauna raportat la costul final per kWh. In consecinta orice plus de putere produsa trebuie sa fie stabilita raportat cu urmatoarele procese:

cu procesul de productie,

cu procesul de instalare

cu procesul de intretinere

Cu precizarea ca orice material care nu poate ajuta la reducerea costurilor cu durata de viata a unei turbine eoliene trebuie sa fie eliminate din procesul de fabricatie.

Nacela

Nacela are principalul rol de a proteja toate componentele turbinei eoliene. In interiorul nacelei se montează urmatoarele componentele ale turbinei eoliene și anume: arborele principal, multiplicatorul de turație, dispozitivul de frânare, arborele de turație ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric dar și sistemul de pivotare. În figurile urmatoare si anume figura 6.11 și 6.12 sunt prezentate două nacele de dimensiuni mari.

Fig. 6.11 Nacela

Fig. 6.12.Montajul nacelei unei turbine eoliene de mari dimensiuni

Pilonul

Pilonul turbinei eolienei are rol de a susține turbina eoliană și are rolul de a permite accesul foarte usor la componentele eolienei pentru a se putea face exploatarea și executarea operațiilor de întreținere, dar si operațiilor de reparații. În interiorul acestor pilonii sunt montate rețeaua de distribuție a energiei electrice produse de turbina eoliană. Tot in interiorul acestor pilonii se monteaza si scările de acces spre nacelă. În figura 6.13 este prezentată o fundație a unui pilon, iar în figura 6.14, este prezentat tronsonul unui pilon pentru susținerea unei turbine

eoliene.

Fig. 6.13. Fundația unui pilon de turbină eoliană

Fig. 6.14. Tronson al unui pilon de turbină eoliană

Arborele principal

Arborele principal al unei turbine eoliene prezinta o turație redusă și are rolul de a transmite mișcarea de rotație.Aceasta mișcarea de rotație de la butucul turbinei este transmisa apoi la multiplicatorul de turație cu roți dințate.Acest lucru se realizeaza in functie de tipul turbinei eoliene, dar si de turația arborelui principal care poate să varieze între 200 rot/min si 400 rot/min. În figura 6.15 este prezentat un asemene arbore principal .

Fig. 6.15. Arborele principal al unei turbine eoliene www.windpower.org

Multiplicatorul de turație cu roți dințate

Multiplicatorul de turatie cu roti dintate este o piesa importanta a unei eoliene deoarece aceasta are rolul de a mări turația . Multiplicatorul de turație cu roți dințate prezinta aceasta caracteristica de a marii treptat turatia de la o valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată deci optima de care are nevoie generatorul poentru producerea de curent electric. În figura 6.15, este prezentat arborele principal al eolienei pe care este montat și multiplicatorul de turație cu roți dințate . Figura 6.16 ne arata principiul de funcționare al acestei componente. In figura 6.17 este prezentat un multiplicator de turație cu roți dințate al unei eoliene.

Fig. 16. Principiul de funcționare al multiplicatorulu turatie

www.windpower.org

Fig. 17. Multiplicator de turație eolian www.windpower.org

Dispozitivul de frânare

Dispozitivul de franare este o componenta foarte importanta al unei turbine eoliene deoarece aceasta are rolul unui dispozitiv de siguranță care se montează pe arborele de turație ridicată al eolienei.Acest dispozitivul de frânare se afla între multiplicatorul de turație și generator. Datorita acestui dispozitiv de frânare viteza de rotație a turbinei eoliene este menținută la o valoare constantă , acest lucru se realizeaza prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor eolienei în funcție de viteza vântului, acest lucru nu se realizeaza prin frânarea arborelui secundar al turbinei.Dispozitivul de frânare ( este un dispozitiv hidraulic, sau uneori mecanic) si este folosit numai în cazurile în care mecanismul de reglare pentru unghiul de înclinare a palelor eolienei nu funcționează in parametri corecti , sau in cazul in care se realizeaza frânarea completă a turbinei sau în cazul in care se efectuează operațiile de întreținere sau reparație a instalatilor eolienei., iar în figura 6.19 ne este prezentat un asemenea mecanism de franare

Fig. 6.19. Dispozitiv de frânare eolian www.windpower.org

Arborele de turație ridicată

Arborele de turatie ridicata mai este numit și arborele secundar sau cuplaj, acest arbore are rolul de a transmite mișcarea de rotatie de la multiplicatorul de turație la generatorul pentru producerea curentului electric. Acest arbore prezinta o turatie similara cu turația generatorului electric, aceaste turatii au valori cuprinse în intervalul de 1200 rot/min …1800 rot/min. În figura 6.20 este prezentat un arbore de turație ridicată a unei eoliene , montat pe multiplicatorul de turație

Fig. 6.20. Arbore de turație ridicată www.windpower.org

Generatorul electric

Generatorul electric are un rol important si anume acela de a converti energia mecanică produsa de arborele de turație ridicată al turbinei eoliene, în energie electrică. Spirele rotorului eolienei se rotesc în câmpul magnetic generat de stator eolienei și astfel in urma acestui proces , în spire se induce curent electric. Există o gama foarte variata de generatoare electrice care produc curent continuu aceste in cele mai multe cazuri sunt construite strict pentru aplicații casnice și pentru turbine de dimensiuni reduse.Dar exista și generatoare electrice care produc curent alternativ într-o gamă extrem de variată de puteri. În figura 6.21 este reprezentat generatorul electric al unei turbine eoliene de putere 5 MW.Aceasta turbina fiind cea mai mare din lume în martie 2005.

Fig. 6.21. Generator electric eolian de 5MW

Sistemul de răcire

Sistemul de racire al generatorului electric are rolul de a prelua excesul de căldură produs în sistemul eolienei in timpul funcționării acestuia. Figura 21 ne arata că răcirea este asigurată cu ajutorul unui ventilator centrifugal.Dar generatoarele de putere mai mica au răcirea realizata de ventilatoare axiale. Uneori acest sistem de răcire al generatoarelor electrice trebuie sa fie proiectat astfel incat să funcționeze cu apă de răcire, în acest caz trebuie sa existe un circuit suplimentar pentru răcirea apei.

Sistemul de pivotare

Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, acest sistem prezinta rolul de a permite o orientare turbinei după direcția vântului. Sistemul de pivotare al unei turbine eoliene prezinta urmatoarele componente principale ale sistemului si anume : motorul de pivotare și elementul de transmisie a mișcării. Aceste componente sunt prevăzute cu elemente de angrenare cu roți dințate. Acest mecanism este antrenat în mișcare datorita unui sistem automatizat,la orice schimbare brusca a direcției si puterii vântului, sesizată de giruetă. În figura 6.22 este reprezentat un motor al sistemului de pivotare, iar în figura 6.23 este prezentat elementul de transmisie.

Fig. 6.22. Motorul sistemului de pivotare

Fig. 6.23. Elementul de transmisie al sistemului de pivotare www.windpower.org

Girueta

Girueta este montată pe nacelă și prezinta rolul de a se orienta în permanență după direcția vântului. La schimbarea direcției vântului, acesta girueta da comanda automata pentru intrarea în funcțiune a sistemului de pivotare al turbinei eoliene. Turbinele de dimensiuni reduse, prezinta proprietatea de rotire automata a nacelei după direcția vintului cu ajutorul giruetei, acest procedeu nu necesita prezența unui sistem suplimentar de pivotare. În figura 6.24 este prezentată o giruetă.

Fig. 6.24. Giruetă

Anemometrul

Anemometrul reprezinta dispozitivul care cu ajutorul lui efectuam opreratia de măsurarea a vitezei vântului. Anemometrul este montat pe nacelă și are comanda de pornirea a turbinei eoliene când viteza vântului depășește 3 m/s …4m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește valoarea de aproximativ 25m/s. În figura 6.25 este prezentat un astfel de anemometru cu cupe.

Fig. 25. Anemometru cu cupe Anemometru electronic

Controlerul

Controlerul reprezinta calculatorul principal al unei turbine eoliene, care in cazul în cazul turbinelor de puteri mari,acest controler este integrat într-o rețea de calculatoare, care are rolul de a controla riguros buna funcționare a tuturor componentelor eolienei. De regulă acest controler este montat în nacelă, iar alte calculatoare pot fi montate inclusiv la baza pilonilor. În figura 6.26 este prezentat un controler din componența unei turbine eoliene.

Fig. 26. ControleR

Tunelul de vant

Cu ajutorul tunelului de vant putem realize o serie de experimente cu diferite tipuri de eoliene in conditii de laborator,la diferite puteri ale vantului generate de acest tunel de vant.

Fig 27 Tunelul aerodinamic cu circuit deschis

Principiul de functionare al unei eoliene

Energia eoliană, sau energia vântului, poate considera o formă de energie solară, pentru ca vântul este creat în principal de încălzirea neuniformă a atmosferei terestre, de către Soare. Alți factori care contribuie la crearea vântului sunt neregularitățile scoarței terestre dar și mișcarea de rotație a Pământului în jurul axei proprii.

Conversia energiei eoliene în energie mecanică și apoi în energie electrică, poate fi conceputa cu ajutorul turbinelor eoliene. Într-o manieră simplificată, se poate spune că principiul de funcționare al turbinelor eoliene este cel al unui ventilator inversat. În loc să producă vânt cu ajutorul energiei electrice, așa cum se întâmplă în ventilator, turbina eoliană utilizează vântul pentru a produce energie electrică. Astfel, vântul antrenează în rotație paletele, care sunt fixate pe arborele turbinei. Energia mecanică obținută prin rotația arborelui, este convertită în energie electrică de către un generator de curent electric.

Din punct de vedere istoric, prima utilizare a energiei vântului datează de peste 5000 ani, când egiptenii utilizau deja energia eoliană pentru deplasarea corăbiilor. De asemenea, cu 2000 ani î.e.n., în Babilon funcționau deja primele mori de vânt. Se pare că lumea occidentală a descoperit mult mai târziu forța vântului, primele referiri scrise la mașini care utilizau energia vântului datează abea din sec. 12, fiind vorba de echipamente pentru măcinarea grânelor.

Turbinele eoliene prezinta doua proprietati majore si anume: o prima destinatie o unei eoliene reprezinta includerea intr-o centrala eoliana ori furnizarea de energie pentru locuintele izolate. In acest caz din urma turbinele eoliene sunt utilizate impreuna cu panourile solare dar si a acumulatorilor pentru a se putea furniza constant electricitate deoarece in zilele inorate sau senine fara vant aceste centrale nu au un randament bun.

Pentru a putea eficientiza randamentul unei turbine eoliene un factor esential il reprezinta in constructia unei eoliene contributia dimensiunilor palelor acesteia dar si tipul convertorului din miscare axiala in electricitate. Aceste turbine eoliene mai sunt denumite si generatoare de vant sau convertoare pentru energie eoliana (wind energy converter – WEC) sau) wind power unit (WPU).

La o turbina eoliana putere generata astfel este direct proportionala cu densitatea aerului,aria acoperita de o miscarea completa a paletelor rotorului eolienei si patratul vitezei vantului. Vantul care intra in contact cu palele elicei este incetinit si deci imprastiat. In aceste conditii nu se poate obtine o eficienta maxima a unei turbine eoliane ,deci in consecinta randamentul maxim folosit din puterea totala a vantului este de 59%.

Peste aceast randament maxim al vantului de 59% .Peste aceasta valoare de 59% se produce fenomenul in care vantul se intoarce in palele turbinei. Marea majoritate a turbinelor eoliene moderne sunt construite astfel incat sa fie de tipul Horizontal-axis wind turbines (HAWT), adica prezinta axa de rotatie a rotorului eolian pe orizontala, acest rotor fiind plasat in varful turnului eolian, iar palele elicei sunt pozitionate la un unghi pozitiv,si la o distanta sigura de turnul eolian, in fata vantului.

Dar exista si turbine eoliene care au pozitionate palele in spatele vantului.Cu precizarea ca aceste turbine eoliene care au situate palele in spatele vantului din motive de fiabilitate nu sunt utilizate decat in cazuri speciale.

Sistemul eolienelor se bazeaza pe un principiu foarte simplu.Vantul are rolul de a pune in miscare palele elicei eoliane iar acestea la randul lor actioneaza generatorul electric eolian. Acest sistem mecanic prezinta in componenta sa si un multiplicator de viteza care are rolul de a actiona direct axul central al generatorului electric. Acest curent electric obtinut este, fie transmis spre imagazinare in acumulatori si folositi apoi cu ajutorul unui invertor DC-AC in cazul turbinelor de mica capacitate , sau este livrat direct retelei de curent alternativ ( AC) spre distribuitori.

Principiu de functionare al unei eoliene in mod autoconsum:

Tensiune trifazata de o amplitudine si deci de o frecventa variabila produsa din eoliana (generatorul) Redresorul eolienei are un rol important in sistemul unei eoliene deoarece aceasta transforma tensiune in curent continuu care este apoi stocat in baterii.Acesti acumulatori sunt legati in serie intr un dulap de baterii.

Curentul continuu generat este transformat in curent alternativ la o tensiune de 230 V AC monofazat, acest curent este curentul utilizat pentru consumul aparatelor casnice. Selectorul de sursa permite alegerea modului de alimentare cu energie electrica a unei case.Deci in consecinta alimentarea unei case cu electricitate produsa de o eoliana.

Tot acest selector permite prin comanda automata alimentarea unei case cu electricitate de la furnizor.In consecinta aceasta trecere se realizeaza automat intre cele 2 moduri de cu electricitate in functie de nivelul de curent existent in baterii. Un sistem modern il reprezinta alimentarea unei locuinte folosind energie eoliana acest sistem functioneaza dupa acest principiu si anume: o turbina este instalata in varful unui turn inalt (pentru a putea beneficia de acces direct la curentii de aer, fara a avea interferente din cauza cladirilor de la sol), acest sistem eolian colecteaza energie cinetica de la vant, pe care apoi o transforma in electricitate folosind un sistem de conversie.

O locuinta tipica este deservita de o turbina eoliana si de un furnizor de electricitate local. In concluzie daca viteza vantului este mai mica decat valoarea constructiva de la care turbina eoliana incepe sa produca curent atunci aceasta locuinta este alimentata si de la o retea electrica. Pe masura ce incepe viteza vantului sa cresca, energia electrica produsa de turbina eoliana alimenteaza locuinta.

Daca nu exista consumatori pentru energia furnizata de catre sistemul eolian aceasta energie este introdusa in reteaua electrica si vanduta furnizorului local. Dar daca nu exista un furnizor local de electricitate sau nu se poate introduce curentul astfel produs de turbina eoliana intr-o retea electrica, exista posibilitatea stocarii curentului suplimentar in acumulatori pentru a obtine o utilizare ulterioara. Acumulatori de puteri (12V, 24V, 48V etc) sunt conectati la un inversor care are rolul de a transforma curentul la voltajul electronicelor si electrocasnicelor din casa, adica respectiv la o tensiune de 220V.

La complexitatea acestui sistem mai putem adauga in componenta sa si un controller,dar si un contor (pentru a vedea productia instantanee de curent sau productia pe o perioada predefinita) si un circuit pentru a putea intrerupe transferul de curent de la turbina cand acumulatorii sunt plini si nu exista nici un consumator in locuinta. Zonele ce prezinta vanturi puternice este imperios necesar sa se aiba in vedere si un sistem de oprire a turbinei eoliene , pentru a se putea preveni deteriorarea sau distrugerea totala a acesteia.

Turbulențele ce influenteaza turbine eoliana.

Turbulențele se referă la fluctuațiile vitezei vântului pe o scal ă relativă în timp, tipic mai puțin de 10 min. Cauzele generale care le cauzează sunt: divergențele cu suprafața pamântului și efectele termice cauzate de miscarea verticală a aerului. Intensitatea turbulențelor depinde clar de rugozitatea suprafeței pământului și de înălțimea suprafeței. De asemenea mai este influențată de comportamentul termic al atmosferei, aerul cald este mult mai turbulent decât aerul rece. Turbulen țele scad posibilitatea folosirii energiei vântului eficace pentru turbinel e eoliene. Turnurile pentru turbinele eoliene sunt deobicei făcute destul de înalte ca să evite turbulențele cauzate de denivelarile aflate la nivelul solului.

Obstacole ce influenteaza turbine eoliana.

Obstacolele care pot cauza scăderea vitezei vântului semnificativ și creează turbulențe în vecinătatea turbinei eoliene sunt: clădirile, copacii, formațiuni stâncoase etc. Zona turbulent ă se poate extinde pân ă la de trei ori înălțimea obstacolului. Turbulența este mai pronunțată în spatele obstacolului decât în fa ța lui.

Energia vântului este o forma de enrgie rege nerabilă care este competitivă în comparație cu energia produsă de combustibili fosili din mai multe puncte de vedere. Obținută ca urmare a deplasării unor mase de aer care pun în miscare paletele unei turbine. În urma cercetărilor efectuate în ultimele două decenii au rezultat turbine mult mai eficiente, mult mai silentioase și mai sigure.

Energia eoliana este folosită cu succes datorită caracterului nepoluant al acesteia și posibitității utilizării acestei tehnologii ca sursă individuală de alimentare cu energie electrică în zonele rurale ale globului. În acelasi timp extinderea acesteia nu a fost pe atât de larg ă pe cât s-ar fi dorit ca urmare a caracterului intermit ent al fluxului și al vitezei variabile a vântului.

Pe plan mondial, la sfâr șitul anului 2002, puterea eoliană instalată era de 32.037 MW, fiind operaționale aproximativ 61.500 de turbine eoliene. În Europa, din totalul de 223.832 MW instalați, aproximativ 12.000 MW sunt instalați în Germania și 5.042 MW în Spania.

Limita lui Betz

Acest coeficient de putere a fost imperios necesar sa se introduca în teoria lui Betz. Aceasta limita a lui Betz ne arata ca energia maximă care poate fi recuperată, chiar și cu cele mai performante eoliene si anume: bipale tripale, cu ax orizontal.

Aceasta energie nu poate fi decât 59% din energia vântului, acest lucru înseamnă că Cp max (teoretic) este 0,59. Pentru o eoliană reală, Cp este de cel mult 0,3 ÷ 0,4.

Aceasta teorie a lui Betz are rolul de a modela trecerea aerului prin profilul palelor turbinelor, printr-un tub de flux de aer cu vitezele:

V1 – viteza vantului inainte de turbine.

V – viteza vântului în dreptul palelor eolienei; este de ordinul a câțiva m/s (~ 10 m/s); V2 – viteza vântului după preluarea energiei cinetice de către palele eolienei.

Se consideră că vitezele sunt paralele cu axul turbinei eoliene, existând relațiile V1 > V > V2.

Observație:

O observatie foarte importanta o reprezinta determinarea valoarea lui Cp max, printr- o analiză a

puterii stiind ca pe de o parte, puterea recuperabilă de către o eoliană este o consecință a variatiei energie cinetice a vântului

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

Dupa ce cunoastem forța care o exercită vântul , exprimând puterea în funcție de lucrul mecanic care la efectuat forța vântului, rezultă urmatoarea relatie si anume:

In aceasta realatie prezentata mai sus coeficientul P efort corespunde puterii absorbite de catre rotorul turbine eoliene ,deci in consecinta ,puterea mecanică furnizată de aero-motor.

Raportul de viteză λ

Raportul de viteza λ se definește λ – raportul de avans, sau parametrul de rapiditate sau viteza specifică, sau raport de viteză la capătul palei (în engleză "tip-speed ratio") – ca fiind raportul dintre viteza tangențială a capătului palelor și viteza vântului:

R – raza palelor [m]

Ω- viteza unghiulară a rotorului turbinei eoliene [rad-sec]

V  – viteza vântului [m/s]

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

Aceasta curba  specifică pentru fiecare eoliena, ne permite o clasificarea a diferitelor tipuri de rotoare eoliene.

În afara eforturilor aerodinamice datorate vântului constructorii trebuie să aiba in vedere si eforturile inerțiale dar și eforturile elastice care se datoreaza mișcării palelor turbine eoliene.

Aceste eforturi generate de miscarea palelor turbine pot genera aparitia unor fenomene si anume:

flexiune,

Torsiune

.bataie

Mai există, de asemenea, efecte ale vitezei vântului, ale scurgerii acestuia, ale gradientului de vânt.

Toate aceste eforturi sunt exercitate asupra palelor și transmise apoi butucului și pilonului.

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

ΩMAS = ΩL . k

ΩMAS – viteza arborelui generatorului (asincron MAS)

Calculul randamentului ηm

PMAS = Pmeca . ηm

PMAS -reprezinta puterea mecanică la arborele generatorului (asincron MAS)

Pmeca – reprezinta puterea mecanică furnizată de turbina eoliană

Principalii parametrii ale unui rotor de turbina eoliena sunt urmatorii si anume:

randamentul aeromotorului

densitatea aerului[kg/m3]

numarul de pale

diametrul palelor

pasul elicei

suprafata acoperita

inclinarea palelor

inaltimea pilonului

viteza nominal a vantului

turatia nominal a rotorului

Turbine cu axa verticala (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine)

Avantaje

Usor de intretinut deoarece partile in miscare sunt plasate mai aproape de pamant.

Palele elicei sunt verticale, deci nu mai este nevoie de o “carma” pentru orientarea elicei Constructie turbinele verticale au o eficienta aerodinamica crescuta la presiuni inalte si joase.

Pentru acelasi diametru al elicei, palele unei turbine cu axa verticala au o sectiune mai mare decat cele ale unei turbine cu axa orizontala

Turbinele VAWT sunt mai eficiente in zonele cu turbulente ale vantului datorita faptului ca palele elicei sunt plasate mai aproape de pamant

Inaltimea redusa permit instalarea in zonele unde legislatia nu permite cladiri prea inalte.

Nu au nevoie de un turn in varful caruia sa fie instalate, deci sunt mai ieftine si rezista mai bine la vanturi puternice.

Varful palelor elicei au o viteza unghiulara mai mica, deci rezista la vanturi mai puternice decat turbinele cu axa orizontala

Nu trebuie orientate in directia vantului, fiind astfel mai eficiente in zone cu turbulente ale vantului.

Pot fi construite la dimensiuni mai mari, cu mecanisme care se rotesc in totalitate, nemai necesitand rulmenti speciali si scumpi.

Dezavantaje

Eficienta turbinelor VAWT se situeaza in medie la 50% din cea a modelelor HAWT

Trebuie instalate pe o suprafata plana

Majoritatea turbinelor VAWT au nevoie de un electromotor pentru a fi pornite in conditii de vant slab.

Turbinele VAWT ancorate prin cablu creeaza stress mecanic pe mecanismul de prindere in a elicei de ax in partea de jos.

Majoritatea pieselor unei turbine VAWT sunt plasate in partea de jos, deci schimbarea lor presupune dezmembrarea intregii structure.

Turbine cu axa orizontala (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine)

Avantaje

Elicea se afla aproape de centrul de greutate al turbinei, crescand stabilitatea

Alinierea elicei cu directia vantului ofera cel mai bun unghi de atac pentru pale, maximizand energia electrica rezultata

Palele elicei pot fi pliate pentru a preveni distrugerea turbinei in cazul vanturilor puternice

Turnurile inalte permit accesul la vanturi mai puternice, rezultant o crestere a curentului produs de turbina

Dezavantaje

Eficienta turbinelor HAWT scade cu inaltimea turnului unde sunt instalate din cauza turbulentelor vantului

Turnurile inalte si elicele cu pale lungi sunt greu de transportat, uneori costul transportului fiind de 20% din cel al echipamentului in sine

Turbinele HAWT sunt dificil de instalat si necesita macarale si personal calificat

Turbinele inalte pot obstructiona radarele de linga bazele aeriene

Din cauza inaltimii turbinele cu axa orizontala au un impact negativ asupra peisajului rural

Variantele cu elicea in spate sufera la capitolul fiabilitate din cauza turbulentelor aerului