Noţiuni generale

Planul expunerii

În acest curs, vă invităm să descoperiţi generatoarele eoliene. Pentru aceasta, vom prezenta mai întâi principiul de conversie a energiei, pe care se bazează funcţionarea unui generator eolian. Apoi se vor evidenţia particularităţile dispozitivelor, pentru ca ulterior să se dezvolte componentele unui generator eolian prin intermediul unei scheme interactive. La final, va fi prezentată importanţa generatoarelor eoliene şi vom încheia cu emisia sonoră a generatoarelor eoliene.

• cunoştinţe anterioare necesare: nu există
• nivel: fără restricţii
• durata estimată: 1h
• autori: Diane Brizon, Nathalie Schild, Aymeric Anselm, Mehdi Nasser
• realizare: Diane Brizon, Nathalie Schild
• traducere: Sergiu Ivanov

Moara de vânt este strămoşul generatoarelor eoliene (Fig. 1). Ea a apărut în Evul Mediu în Europa. Ea a funcţionat la început cu ax vertical.

Fig.1: Imagine a două mori de vânt
(Sursa: http ://www.sizilien-sicily-sicilia.de/Energie-uk.htm)

Mai tîrziu, morile se orientau după direcţia vântului şi au fost puse pânze pentre a capta mai bine energia vântului. (Fig. 2)

Fig. 2: imagine a unei mori de vânt cu pânze
(Sursa: http://www.olympia.nl/home1-5/griekenland/kos/pages-kos/atmz/beziensw-antimachia-kos.html)

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

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

Revoluţia industrială a oferit un nou început pentru morile de vânt, prin apariţia de noi materiale. În consecinţă, utilizarea metalului a permis modificare formei turnului şi creşterea considerabilă a maşinilor pe care le numim pe scurt "eoliene". (Fig. 3)

Fig. 3: Moară de vânt (Grmania de Nord)
(Sursa: http://www.jbengs.de/galerie/pages/bild279.htm)

Evoluţia electricităţii în secolul XX a determinat apariţia primelor eoliene moderne (Fig. 4). Este studiat profilul palelor, iar inginerii se inspiră după profilul aripilor de avion.

Fig. 4: Eoliană modernă
(Sursa: http://gruppen.greenpeace.de/aachen/energie-windrad.jpg
copyright: Langrock/Greenpeace)

În prezent, eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu excepţia modelelor cu ax vertical ca cele cu rotor Savonius şi Darrieus, care sunt încă utilizate, dar sunt pe cale de dispariţie.

Ultimele inovaţii permit funcţionarea eolienelor cu viteză variabilă, respectiv reglarea vitezei turbinei eoliene în funcţie de viteza vântului.

						Stocare acumulatori
Energie cinetică vânt		Energie mecanică rotor		Energie electrică generator		Reţea de distribuţie
						Sarcini izolate (ex: sate izolate)

Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile. Aero-generatorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său: aceasta este transformată în energie mecanică, care la rândul ei este transformată în energie electrică de către generatorul cuplat mecanic la turbina eoliană. Acest cuplaj mecanic se poate face fie direct, dacă turbina şi generatorul au viteze de acelaşi ordin de mărime, fie se poate realiza prin intermediul unui multiplicator de viteză. În sfârşit, există mai multe posibilităţi de a utiliza energia electrică produsă: fie este stocată în acumulatori, fie este distribuită prin intermediul unei reţele electrice, fie sunt alimentate sarcini izolate. Sitemele eoliene de convesie au şi pierderi. Astfel, se poate menţiona un randament de ordinul a 59 % pentru rotorul eolienei, 96% al multiplcatorului. Trebuie luate în considerare, de asemenea, pierderile generatorului şi ale eventualelor sisteme de conversie.

Imagine a unei eoliene cu trei pale de 750 kW
(Sursa: Departament Génie Electrique, HEI)

Tipuri de instalări

O eoliană ocupă o suprafaţă mică pe sol. Acesta este un foarte mare avantaj, deoarece perturbă puţin locaţia unde este instalată, permiţând menţinerea activităţilor industriale sau agricole din apropiere.
Se pot întâlni eoliene numite individuale, instalate în locaţii izolate. Eoliana nu este racordată la reţea, nu este conectată cu alte eoliene.
În caz contrar, eolienele sunt grupate sub forma unor ferme eoliene. Instalările se pot face pe sol, sau, din ce în ce mai mult, în largul mărilor, sub forma unor ferme eoliene offshore, în cazul cărora prezenţa vântului este mai regulată. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor şi ameliorează estetica.

Imagine a unei ferme eoliene
(Sursa: http://valromeysolidaire.free.fr/index/main.php3)

Ferma eoliană offshore de la Middelgrunden (Danemarca)
(Sursa: http://www.apab.org/fr/page.php?id_rubrique=3&id_sous_rubrique=23)

Orientarea axului

Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii: eoliane cu ax vertical şi eoliene cu ax orizontal.
Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru a antrena generatorul.

Eoliene cu ax vertical

Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălţimea de 0,1 - 0,5 din înălţimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operaţiunile de întreţinere. În plus, nu este necesară utilizae unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuşi, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă şi turbulenţelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal.
Cele mai răspândite două structuri de eoliene cu ax vertical se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale sau a variaţiei periodice a incidenţei:

•  Rotorul lui Savonius în cazul căruia, funcţionarea se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din feţele uni corp curbat au intensităţi diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Schema rotorului lui Savonius
(Sursa: http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm)

•  Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variaţiei periodice a incidenţei. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcţie de diferitele unghiuri, este supus unor forţe ale căror intensitate şi direcţie sunt diferite. Rezultanta acestor forţe determină apariţia unui cuplu motor care roteşte dispozitivul.

Imaginea unei eoliene Darrieus
(Sursa: http://www.jura.ch/lcp/forum/energies/vent.html)

Schema rotorului lui Darrieus
(Sursa: http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm)

Eoliene cu ax orizontal

Funcţionarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obţine un bun compromis între coeficientul de putere, cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian, ca şi o ameliorare a aspectului estetic, faţă de rotorul cu două pale.
Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sut mai puţin supuse unor solicitări mecanice importante şi au un cost mai scăzut.

Imaginea unei eoliene cu ax orizontal şi a unei mori de vânt
(Sursa: http://www.diebrennstoffzelle.de/alternativen/wind/index.shtml)

Există două categorii de eoliene cu ax orizontal:

•  Amonte: vântul suflă pe faţa palelor, faţă de direcţia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcţia vântului.

Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte

•  Aval: vântul suflă pe spatele palelor, faţă de nacelă. Rotorul este flexibil şi se auto-orientează.

Schema unei eoliene cu ax orizontal aval

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă şi dă cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafeţe de direcţionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse şi are o stabilitate mai bună.
Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în funcţie de direcţia şi forţa văntului. Pentru aceasta, există dipozitive de orientare a nacelei pe direcţia vântului şi de orientare a palelor, în funcţie de intensitatea acestuia..
În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezintă cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară industrială.

Parcurgând cu cursorul mouse-ului schiţa de mai jos, elementele componente se vor colora în roz. Cu un click pe element, veţi obţine informaţii suplimentare.

Situaţia actuală

Noile cerinţe în domeniul dezvoltării durabile au determinat statele lumii să îşi pună problema metodelor de producere a energiei şi să crească cota de energie produsă pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă emisiile de gaze cu efect de seră. Acest acord a determinat adoptarea unor politici naţionale de dezvoltare a eolienelor şi a altor surse ce nu degajă bioxid ce carbon.

Trei factori au determinat ca soluţia eolienelor să devină mai competitivă:
• noile cunoştinţe şi dezvoltarea electronicii de putere;
• ameliorarea performanţelor aerodinamice în conceperea turbilor eoliene;
• finanţarea naţională pentru implantarea de noi eoliene.

(Sursa: Wind energy barometer-EuroObserv'ER 2004)

În prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile în producerea energiei electrice, este scăzută. S poate spune că potenţialul diferitelor filiere de energii regenerabile, este sub-exploatat. Totuşi, ameliorările tehnologice au favorizat instalarea de generatoare eoliene , într-un ritm permanent crescător în ultimii ani, cu o evoluţie exponenţială, având o rată de creştere de 25% în 2003.

(Sursa: Wind energy barometer-EuroObserv'ER 2004)

Filiera eoliană este destul de dezvoltată în Europa, deţinând poziţia de lider în topul energiilor regenerabile. Acest tip de energie regenerabilă asigură necesarul de energie electrică pentru 10 milioane de locuitori. Dealtfel, 90 % din producătorii de eoliene de medie şi mare putere, se află în Europa.

(Sursa: Wind energy barometer-EuroObserv'ER 2004)

(Sursa: Wind energy barometer-EuroObserv'ER 2004)

Repartiţia în Europa a energiei electrice produse pe baza eolienelor, arată diferenţe între state. Germania este liderul pe piaţa europeană, în ciuda unei încetiniri în 2003 a instalărilor. Spania, pe poziţia a doua, continuă să instaleze intensiv parcuri eoliene. Danemarca este pe a treia poziţie, având dezvoltate eoliene offshore şi trecând la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani.

(Sursa: Wind energy barometer-EuroObserv'ER 2004)

Costurile şi eficienţa unui proiect eolian trebuie să ţină seama atât de preţul eolienei, cât de cele ale instalării şi întreţinerii acesteia, precum şi de cel al vânzării energiei. O eoliană este scumpă. Trebuiesc realizate încă progrese economice pentru a se putea asigura resursele dezvoltării eolienelor. Se estimează că instalarea unui kW eolian, costă aproximativ 1000 Euro. Progresele tehnologice şi producţia în creştere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constantă a preţului estimat. Preţul unui kWh depinde de preţul instalării eolienei, ca şi de cantitatea de energie produsă anual. Acest preţ variază în funcţie de locaţie şi scade pe măsura dezvoltării tehnologie.
În Germania şi Danemarca, investitorii sunt fie mari grupuri industriale, fie particulari sau agricultori. Această particularitate tinde să implice populaţia în dezvoltarea eolienelor. Energia eoliană este percepută ca o cale de diversificare a producţiei agricole. În Danemarca, 100 000 de familii deţin acţiuni în energia eoliană. Filiera eoliană a permis, de asemenea, crearea de locuri de muncă în diverse sectoare, ca cele de producere a eolienelor şi a componentelor acestora, instalării eolienelor, exploatării şi întreţinerii, precum şi în domeniul cercetării şi dezvoltării. Se înregistrează peste 15 000 de angajaţi în Danemarca şi 30 000 în Germania, direct sau indirect implicaţi în filiera eoliană.

Perspective

Energia eoliană este considerată ca una din opţiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vântului fiind imense. Se estimează că energia eoliană recuperabilă la nivel mondial se situează la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattoră), ceea ce reprezintă de 4 ori mai mult decât consumul mondial actual de electricitate.
În Europa, potenţialul este suficient pentru asigurarea a cel puţin 20% din necesarul de energie electrică până în 2020, mai ales dacă se ia în considerare noul potenţial offshore.

Scara zgomotelor
(Sursa: Revue Sciences et Avenir, iulie 2004)

Chiar dacă eolienele de primă generaţie erau deranjante din punct de vedere sonor, se pare că în prezent, dezvoltările tehnologice au permis reducerea considerabilă a zgomotului produs de astfel de instalaţii. Astfel, pe scara surselor de zgomot, eolienele se situează undeva între zgomotul produs de un vânt slab şi zgomotul din interiorul unei locuinţe, respectiv la aproximativ 45 dB. Evoluţia nivelului sonor în funcţie de numărul de eoliene este logaritmică, respectiv instalarea unei a doua eoliene determină creşterea nivelului sonor cu 3 dB şi nu dublarea acestuia.
Pentru diminuarea poluării sonore există mai multe căi:
- multiplicatoarele sunt special concepute pentru eoliene. În plus, se încearcă favorizarea acţionărilor directe, fără utilizarea multiplicatoarelor.
- profilul palelor face obiectul unor cercetări intense pentru reducerea poluării sonore determinată de scurgerea vântului în jurul palelor sau a emisiilor datorate nacelei sau pilonului. Arborii de transmisie sunt prevăzuţi cu amortizoare pentru limitarea vibraţiilor.
- antifonarea nacelei permite, de asemenea, reducerea zgomotelor.