Surse alternative de energie pentru dezvoltare durabilă - energia eoliană

Autor: , specializarea CMDD

Conducător ştiinţific: Prof.dr.ing. Elisabeta VASILESCU

Facultatea de Metalurgie Ştiinţa Materialelor şi Mediu

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

Fig.1: Imagine a două mori de vânt Fig. 2: Moara de vânt cu pânze

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)

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. 3: Moară de vânt (Grmania de Nord) Fig. 4: Eoliană modernă

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.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.

Energia eoliana nu poate sa inlocuiasca toate celelalte forme de energie, ci doar sa fie o optiune din grupul de posibilitati existente, o parte a mix-ului energetic. Pe termen mediu, sursele regenarabile de energie nu pot fi privite ca alternativa totala la sursele conventionale, dar cert ca, datorita avantajelor pe care le au - resurse locale, abundente, ecologice, ieftine, independente de importuri si crize mondiale - acestea trebuie utilizate impreuna cu combustibilii fosili si energia nucleara. Exista suficienta experienta si destule modele de succes de dezvoltare a domeniului, oferite de tari precum Spania, Germania sau Danemarca.

Fig.5 Imagine a unei eoliene cu trei pale de 750 kW

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 Fig.6 Ferma eoliena Fig.7 Ferma eoliană offshore de la Middelgrunden (Danemarca)

instalare reduce dezavantajul sonor şi ameliorează estetica.

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.