Proiectarea Centralelor Eoliene

1.1. Scurtă istorie a utilizării energiei eoliene

Posibilitatea folosirii forţei vântului a fascinat omenirea încă din cele mai vechi timpuri. Chinezii au fost primii care au intuit ca forţa vântului poate fi folosită pentru a propulsa plutele primitive daca ridicau un catarg pe care erau ţesute un fel de pânze din piei de animale legate între ele cu liane sau fibre vegetale. Şi în mitologia greacă se întâlneşte mitul omului care a încercat sa zboare folosindu-se de aripi, asemeni pasărilor.

Primele turbine eoliene au fost confecţionate în Europa în jurul anilor şi erau folosite la pomparea apei din pământ, la măcinatul cerealelor şi la tăiatul lemnelor.

În prima jumătate a secolului al lea, energia produsă de turbinele eoliene a început să nu mai fie atractivă din cauza preţului foarte scăzut al energiei generate prin arderea cărbunelui şi a hidrocarburilor. Datorită crizei petrolului, din a doua parte a secolului şi a dezechilibrelor ecologice produse de încălzirea globală, energia produsă de centralele eoliene a revenit în atenţia oamenilor de ştiinţă şi a guvernelor, care au adoptat unele măsuri menite sa revigoreze producţia de aşa numită energie verde, energie din surse nepoluante. În aceasta idee poate fi menţionată decizia luată de statul american California în anul care a decis măsuri pentru ca în anul cel puţin din energia consumată de populaţia statului sa fie produsă de centralele eoliene.

Urmare a acestei decizii în California au apărut parcuri eoliene care sunt acţionate de vânturile favorabile de pe coasta de vest a SUA.

La rândul ei Uniunea Europeana a iniţiat măsuri pentru mărirea cantităţii de energie electrică obţinută din energia vânturilor.

În Fig. este prezentată o diagramă care ilustrează utilizarea energiei eoliene pe continentele globului.

Turbinele eoliene nu pot funcţiona în absenta vântului. Pentru a înţelege, din punct de vedere meteorologic, modul în care este generat vântul pe Pământ este suficient sa se prezinte cele cinci condiţii obligatorii pentru producerea vântului, şi anume:

1. Aerul rece este mai greu decât aerul cald;

2. Vântul bate din zone cu presiunea mai mare spre zone cu presiunea mai mica;

3. Creşterea de presiune se manifesta în zonele în care aerul rece coboară spre pământ şi ia locul aerului cald, care se ridica, conform legii ;

4. Presiunea scăzuta ia naştere în zonele în care aerul încălzit se ridica de la suprafaţa Pământului în atmosfera, conform legii ;

5. Rotaţia Pământului abate vântul către dreapta în emisfera nordica şi către stânga în emisfera sudica (efectul Coriollis).

Vântul este miscarea aerului datorată maselor de aer cu temperaturi diferite. Temperaturile diferite sunt cauzate de masele de apă şi pământ care absorb diferit caldura soarelui. La scară globală mişcările masive de aer sunt cauzate de diferenţa de temperatură între pământul de la ecuator şi cel apropiat de poli.

Deoarece vântul va bate cât timp soarele va încălzi pământul, este o sursă de energie regenerabilă, ce este exploatată în prezent pentru a produce electricitate.

Turbinele eoliene curente funcţionează pe acelaşi principiu ca şi morile de vânt din antichitate: palele unei elice adună energia cinetică a vântului pe care o transformă în electricitate prin intermediul unui generator.

Cel mai mare dezavantaj al energiei eoliene este faptul că nu se obţine electricitate când vântul nu bate sau bate prea slab, motiv pentru care trebuie asigurată o sursa alternativă de electricitate.

Fig. 1.1. Utilizarea energiei eoliene pe continente

Valorificarea energiei eoliene a început în anii , odată cu prima criză mondială a petrolului. În anii a revenit în prim plan din cauza îngrijorărilor generate de impactul asupra mediului a poluării generate de combustibilii fosili. Singurele dezavantaje ale folosirii energiei eoliene este impactul asupra pasărilor şi impactul vizual asupra mediului.

O turbină eoliană este un dispozitiv ce transformă mişcarea cinetica a palelor unei elice în energie mecanică. Dacă aceasta energie mecanică este apoi transformată în electricitate avem de-a face cu un generator alimentat cu vânt/convertor de energie eoliană. Termenul care s-a împroprietărit însă este “turbina eoliană”.

Impropriu denumite, centralele eoliene sunt, ferme de turbine eoliene, ce sunt conectate la reţeaua de distribuţie a curentului. În componenţa unei centrale eoliene nu intră doar turbinele ci şi redresoare de curent, transformatoarele şi corectoare ale factorului de putere al curentului. În amplasarea centralelor eoliene se ţine cont de valoarea vântului în zona, preţul terenului, impactul vizual şi asupra structurilor din vecinatate şi apropierea de reţeaua de distribuţie a curentului.

1.2. Influenţa formei reliefului asupra funcţionarii turbinei eoliene

Forma reliefului are o influenţă hotărâtoare asupra puterii şi stabilităţii vântului. Cu cât un teren este mai vălurit, cu atât vântul care suflă deasupra lui se va caracteriza printr-o mai mare instabilitate. În acest context ne referim nu numai la formele de relief de mari dimensiuni, gen munţi, dealuri şi văi. Chiar şi unele forme de teren neregulate, care la scară mică dau aspect de neregularităţi ale solului au influenţă asupra modului de deplasare al maselor de aer, care, toate la un loc formează vânturile. O zonă împădurită sau o zonă cu construcţii înalte constituie neregularităţi ale reliefului cu contribuţii definitorii la frânarea mişcării maselor de aer şi prin urmare la micşorarea energiei cinetice a acestora. Nu acelaşi lucru se întâmplă deasupra mării sau a lacurilor de mari dimensiuni. În aceste zone, obstacolele naturale sau artificiale lipsesc cu desăvârşire, iar forţele de frecare dintre masele de aer şi suprafeţele rugoase sunt absente. Prin urmare, viteza vânturilor deasupra întinderilor mari de apă şi implicit energia lor cinetică în aceste zone este mult mai mare. Luând-o în ordine descrescătoare, viteza vânturilor este mai mare deasupra mărilor şi în general deasupra întinderilor mari de apă, şi scade deasupra suprafeţelor împădurite, în zonele industriale şi de locuit cu clădiri înalte, ajungând sa fie foarte mică în spatele dealurilor şi munţilor şi chiar să se anuleze în văi şi în depresiuni.

La înălţimi mai mari de metri vântul nu mai este influenţat de condiţiile existente la sol, dar cu cât scade distanţa faţă de suprafaţa pământului, cu atât mai mult viteza lui este frânată de neregularităţile solului, de clădiri şi de arbori. Neregularităţile solului sunt definite de o scală care împarte zona în patru clase, începând de la Clasa care caracterizează condiţiile de la suprafaţa mării, până la Clasa care se referă la zone dens împădurite sau oraşe dens populate cu clădiri înalte, printre care şi zgârie-nori .

În general se consideră ca obstacolele mari (clădiri înalte şi zonele împădurite) acţionează ca o frână în calea maselor de aer. Dacă un astfel de obstacol are înălţimea , turbina eoliană trebuie să fie amplasată la o distanţă de minimum ori mai mare decât înălţimea obstacolului .

De multe ori acest lucru este greu de realizat din punct de vedere tehnologic şi al costurilor de montaj. Dar ca o regulă, înălţimea turbinei trebuie sa fie cel puţin dublă faţă de înălţimea obstacolului.

Acest raţionament este exemplificat în Fig.

Fig 1.2. Înălţimea turbinei eoliene funcţie de înălţimea

clădirilor şi copacilor din zonă