Ce sunt turbinele eoliene și cum funcționează

Ce este o turbină eoliană

Turbinele eoliene, cunoscute şi sub denumirea de mori de vânt, sunt echipamente ce transformă energia cinetică a vântului în energie mecanică care, la rândul ei, este transformată mai departe în energie electrică. Aceasta este livrată în reţeaua publică de electricitate, stocată în acumulatori sau consumată direct prin încălzirea unor rezistenţe electrice.

 Cum funcționează o turbină eoliană – principiile de bază. 

Sistemul eolian se bazează pe un principiu simplu. Turbina eoliană dispune de un rotor cu pale orientate pe un ax orizontal sau vertical, care antrenat de puterea vântului pune în mişcare un generator electric. Vântul pune în mișcare palele turbinei care la rândul lor acționează generatorul electric. Sistemul mecanic are în componență și un multiplicator de viteză care acționează direct axul central al generatorului electric. Curentul electric obținut este, fie  transmis spre imagazinare în baterii și folosit apoi cu ajutorul unui invertor în cazul turbinelor de mică capacitate, fie livrat direct rețelei de curent alternativ spre distribuitori.

 

Părțile componente ale turbinei eoliene

O turbină eoliană simplă are în componență trei părți importante: palele rotorului (ele captează energia vântului și o transmit rotorului), axa rotorului (face legătura dintre rotor și generator) și generatorul (dispozitiv simplu care folosește proprietățile inducției electromagnetice pentru a produce curent electric).

Totuși, majoritatea turbinelor eoliene sunt însă mai complexe. În cadrul acestora vom găsi urmatoarele componente:

Turnul metalic 

Turnul metalic sau pilonul are rolul de a susţine turbina eoliană şi de a permite accesul în vederea exploatării şi executării operaţiilor de întreţinere și reparații. De asemenea, este cel care asigură strucura de susținere și rezistență a ansamblului superior. Are un rol deosebit de important deoarece trebuie să reziste vânturilor extrem de puternice. În interiorul pilonilor sunt montate atât reţeaua de distribuţie a energiei electrice produse de turbina eoliană, cât şi scările de acces spre nacelă.

Fundația 

Un rol la fel de important îl are și fundația turbinei eoliene. Aceasta asigură rezistența mecanică a generatorului eolian. Sistemul de ancoraj trebuie să dispună de un set de cuzineți din beton adaptați fiecărui tip de turbină în parte.

Nacela 

Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene. Este carcasa în care se montează arborele principal, multiplicatorul de turaţie, dispozitivul de frânare, arborele de turaţie ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric şi sistemul de pivotare.

Nacela – Este carcasa care ține:

• cutie de viteze – crește viteza de rotație dintre rotor și generator
• generator – generează energia electrică
• mecanism de ajustare a poziției – turbinele cu axa orizontală au nevoie de a fi aliniate cu direcția vântului, din acest motiv au nevoie de un mecanism automat de ajustare a poziției. Acest mecanism este în general alcătuit din motoare electrice care rotesc întregul rotor spre stânga sau spre dreapta.
• senzori și controlere electronice – sisteme de control ale mecanismului de ajustare a poziției, senzori de viteză, sisteme de siguranță și de monotorizare
• frâna mecanică – în momentele când vântul are viteza foarte mare, se poate defecta generatorul sau energia produsă poate supraîncărca echipamentele, din acest motiv se folosește un sistem de frânare, pentru menținerea rotorului la viteza sigură. Frâna mai este folosită și în cazul defectării unui echipament.
• turn – Cu ajutorul unui turn, componențele turbinei sunt poziționate la o înălțime optimă pentru viteza vântului. Spațiul ocupat este mic în acest caz, majoritatea componentelor fiind așezate deasupra turnului.

Palele turbinei eoliene

Palele reprezintă unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene şi împreună cu butucul alcătuiesc rotorul turbinei. Cel mai adesea, paletele sunt realizate cu aceleaşi tehnologii utilizate şi în industria aeronautică, din materiale compozite, care să asigure simultan rezistenţă mecanică, flexibilitate, elasticitate şi greutate redusă. Uneori se utilizează la construcţia paletelor şi materiale metalice sau chiar lemnul. Ele au o formă esențială pentru a asigura forța de rotație necesară. Acest design este propriu fiecărui tip de generator electric.

Diametrul sau numărul palelor unei turbine eoliene diferă în funcție de puterea dorită. Sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigură limitarea vibrațiilor, a zgomotului și a oboselii rotorului, față de sistemele cu o pală sau două. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bi-pal față de cel mono-pal, iar creșterea este de 3% între sistemul cu trei pale față de două pale.

Rotorul 

Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei și este montat pe arborele principal al turbinei eoliene. Acesta este prevăzut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotație a turbinei eoliene(priza de vânt).

• Controlul activ, prin motoare hidraulice.

Acest sistem asigură modificarea unghiului de incidență a palelor pentru a valorifica la maximum vântul instantaneu și pentru a limita puterea în cazul în care vântul depășește viteza nominală. În general, sistemul rotește palele în jurul propriilor axe (mișcare de pivotare), cu câteva grade, în funcție de viteza vântului, astfel încât palele să fie poziționate în permanență sub un unghi optim în raport cu viteza vântului, astfel încât să se obțină în orice moment puterea maximă. Sistemul permite limitarea puterii în cazul unui vânt puternic.

• Controlul aerodinamic pasiv

Palele eolienei sunt fixe în raport cu butucul turbinei. Ele sunt concepute special pentru a permite deblocarea în cazul unui vânt puternic. Deblocarea este progresivă, până când vântul atinge viteza critică. Acest tip de control este utilizat de cea mai mare parte a eolienelor, deoarece are avantajul că nu necesită piese mobile și sisteme de comandă în rotorul turbinei.

 

• Controlul mixt (active stall)

Acest tip de control, vizează utilizarea avantajelor controlului pasiv și al celui activ, pentru a controla mai precis conversia în energie electrică. Acest sistem este numit control activ cu deblocare aerodinamică, sau „active stall”. El este utilizat pentru eolienele de foarte mare putere.

Generatorul 

Generatorul electric asigură producerea energiei electrice. Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Totuși, datorită prețului și randamentului, se utilizează, aproape în totalitate, generatoare de curent alternativ.

Invertorul 

Un invertor solar sau invertor eolian este un echipament electronic, de putere, capabil să transforme curentul electric continuu produs de panouri fotovoltaice în curent electric alternativ, monofazat sau trifazat.

Bateriile de stocare 

Majoritatea turbinelor produc energie peste 25 % din timp. Pe timpul iernii, când vânturile sunt mai puternice, acest procent crește simțitor. Pentru a ne permite utilizarea permanentă a electricității de la turbinele eoliene trebuie folosit un acumulator ce ne va permite numeroase cicluri de încărcare-descărcare. Acumulatorii eolieni sunt construiți din materiale de înaltă densitate care le oferă o durată de viață foarte mare. Bateriile ne vor ajuta să folosim energia stocată și în zilele în care turbina nu va produce energie din cauza lipsei vântului.

Stația de distribuție

Energia electrică produsă de turbină este transmisă spre pământ prin cabluri electrice. Mai apoi aceasta ajunge într-o stație de distribuție conectată la rețeaua națională de transport. De aici, energia electrică ajunge la consumatorii finali (publici, industriali și în casele oamenilor). În cazul sistemelor independente sunt încărcate direct bateriile care alimentează consumatorii.

Anemometrul 

Anemometrul este un dispozitiv folosit pentru măsurarea vitezei vântului. Acest aparat este montat pe nacela și comandă pornirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 3…4m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 25m/s.

Alte componente ale turbinei eoliene 

Pe lânga componentele prezentate, într-o turbină eoliană vom întâlni:

• Arborele principal al turbinelor eoliene

Acesta are turație redusă și transmite mișcarea de rotație, de la butucul turbinei la multiplicatorul de turație cu roți dintate. În funcție de tipul turbinei eoliene, turația arborelui principal poate să varieze între 20…400 rot/min.

• Multiplicatorul de turație cu roți dintate

Acesta are rolul de a mări turația de la valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorul de curent electric.

• Dispozitivul de frânare

Dispozitiv de siguranță care se montează pe arborele de turație ridicată, între multiplicatorul de turație și generatorul electric. Viteza de rotație a turbinei este menținută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor în funcție de viteza vântului și nu prin frânarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivul de frânare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai în cazul în care mecanismul de reglare a unghiului de înclinare a paletelor nu funcționează corect, sau pentru frânarea completă a turbinei în cazul în care se efectuează operații de întreținere sau reparații.

• Arborele de turație ridicată

Are rolul de a transmite mișcarea de la multiplicatorul de turație la generatorul electric.

• Girueta

Este montată pe nacela și are rolul de a se orienta în permanență după direcția vântului. La schimbarea direcției vântului, girueta comandă automat intrarea în funcțiune a sistemului de pivotare al turbinei. În cazul turbinelor de dimensiuni reduse, nacela este rotită automat după direcția vântului cu ajutorul giruetei, fără a fi necesară prezența unui sistem suplimentar de pivotare.

• Controler-ul

Este calculatorul principal al unei turbine eoliene, care cel puțin în cazul turbinelor de puteri mari, este integrat într-o rețea de calculatoare, care controlează buna funcționare a tuturor componentelor. De regulă controler-ul este amplasat în nacela, iar alte calculatoare pot fi amplasate inclusiv la baza pilonilor.

Tipuri de turbine eoliene în funcție de structura acestora 

Există mai multe tipuri de turbine eoliene. Totuși, distingem două tipuri în funcție de structura lor: eoliene 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.

Turbine 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, sunt mai puţin supuse unor solicitări mecanice importante şi au un cost mai redus.

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

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 vântului. 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.

Avantajele turbinei eoliene cu ax orizontal 

Incontestabil, cel mai mare avantaj al unei turbine eoliene orizontale îl reprezintă puterea pe care aceasta o produce. Energia eoliană generată poate ajunge de ordinul MW-lor, obținuți numai de la o singură eoliană. În cazul în care se dorește obținerea unor puteri de 10 KW, turbina cu ax orizontal rămâne singura opțiune. Acest tip de turbină se instalează pe stâlpi, la înălțimi mari, acolo unde beneficiază de un vânt de cel putin 2-3 ori mai puternic, uniform și constant, față de instalarea în același loc dar la sol. Ele au un randament mult mai mare, generează energie electrică folosind până la 50-55% din energia eoliană disponibilă (din puterea vântului), față de 15-20% la eoliene verticale – prin comparație, panourile solare fotovoltaice au o eficiență de numai 15%.

Dezavantajele turbinei eoliene cu ax orizontal

Principalele dezavantaje sunt resursa energetică relativ limitată, inconstantă datorită variaţiei vitezei vântului şi numărului redus de amplasamente posibile. Puţine locuri pe Pământ oferă posibilitatea producerii suficientă a electricității folosind energia vântului.

La început, un important dezavantaj al producţiei de energie eoliană a fost preţul destul de mare de producere a energiei şi fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii ani, însă, preţul de producţie pe unitate de energie electrică a scăzut drastic.

Un alt dezavantaj este acela că au o apariţie neplăcută din punct de vedere vizual. De asemenea, aceste turbine eoliene produc destul de mult zgomot. De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul şi ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări şi necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor.

Turbine eoliene cu ax vertical 

Tipul acesta de turbină eoliană sunt indicate în cazul construcțiilor civile individuale înalte. Ele pot fi montate pe partea superioară a unor asemenea clădiri, reușind să acopere în bună măsură consumul de energie electrică al acesteia.

Ele sunt un tip de turbine eoliene unde arborele rotorului principal este aşezat pe verticală. Printre avantajele acestui aranjament, sunt că generatoarele și cutiile de viteze pot fi plasate aproape de sol, şi că turbinele nu trebuie să se poziţioneze în vânt.

Turbinele verticale sunt robuste, liniştite, omni-direcționale, şi ele nu crează aşa mult stres pe structura de sprijin. Nu au nevoie de aşa mult vânt pentru a genera energie, astfel că se permite ca ele să fie mai aproape de sol. Fiind mai aproape de sol sunt uşor de întreţinut şi pot fi instalate pe coşuri de fum şi structuri similare înalte.

Avantajele turbinei eoliene cu ax vertical

O turbină eoliană verticală are ca principal avantaj față de una cu ax orizontal faptul că produce un zgomot mai redus. De asemenea, este mai plăcută ochiului și se încadrează mai bine în design-ul și volumetria spațiilor/ cartierelor rezidențiale. Un alt avantaj este că, pentru a obține aceeași putere, prețul unei turbine eoliene verticale este sensibil egal cu cel al unei turbine eoliene orizontale. Totuși costul investiției pentru instalare este simțitor mai mic.

O turbină eoliană cu ax vertical are avantajul că se pornește la viteze mici ale vântului și nu ține cont de direcția și turbulențele acestuia. La vânturi puternice se comportă mai bine, nefiind supusă aceleiași presiuni precum o turbină cu ax orizontal.

Dezavantajele turbinei eoliene cu ax vertical 

Turbinele eoliene cu ax vertical au nevoie de obicei de o arie de captarea a vântului de două ori mai mare decât tubinele orizontale și de patru ori mai multe materiale pentru a genera aceeași cantitate de energie electrică. Ele nu au capacitatea de a produce o putere la fel de mare, acesta fiind principalul motiv pentru care turbinele cu ax orizontal sunt mai răspândite.

 

Turbine eoliene Maglev 

Turbina eoliană Maglev este un produs care folosește levitația magnetică pentru a susține lamele verticale fără a mai fi nevoie de un suport așa cum se întâmplă la turbinele eoliene tradiționale. Turbina folosește magneți permanenți din neodimium cunoscuți și ca supermagneți. Prin acest sistem practic se elimină frecarea iar turbina va avea o durată de viață mai mare și un cost mic de exploatare. Avantajul este că funcționează de la o viteză a vântului de numai 1.5 metri pe secundă și chiar la viteze a vântului ce depășesc 40 m/s.

O singură turbină MagLev poate genera 1 GW (gigawatt) de energie suficientă pentru 750.000 de case față de 5 MW cât produce o turbină clasică de dimensiuni mari. Costurile de operare sunt cu 50% mai mici față de turbinele eoliene clasice iar durata estimată de viață a unei turbine eoliene MagLev e de 500 ani.

Turbine eoliene mici pentru casă

Turbinele eoliene de mici dimensiuni se pot instala în orice loc: acasă, în curte, pe câmp, în grădină, la o cabană la munte sau pe litoral. În funcție de puterea vântului din zona de montaj ele pot furniza suficientă energie electrică pentru a putea deveni independent de rețelele convenționale.

Pentru o casă verde, care respectă în totalitate mediul înconjurător, se poate folosi sistemul eolian în combinație cu panouri fotovoltaice pentru a crea propriul sistem complet de energie electrică. Turbinele eoliene mici sunt sisteme suficient de puternice pentru a încărca bateriile din dotare și a asigura energie pentru mai multe zile. Ele sunt perfecte pentru case, clădiri agricole, stații de telemetrie, stații de emisie Radio/TV, sisteme de cameră de supraveghere sau alte situații.

Turbine eoliene medii, de până la 10kW 

Turbinele eoliene, cu puteri mici spre medii, până la 10 KW, se dovedesc soluții excelente pentru locuințe individuale, cabane, pensiuni, hoteluri cu până la 100 clienți, sedii administrative și de producție, întreprinderi mici și mijlocii, școli sau spitale.

În cazul acestora este important ca înălțimea să fie de cel puțin 10 m iar în jurul ei pe distanța de 100 m să nu fie nici un obstacol mai mare/înalt de 1 m, care ar diminua/ schimba viteza și direcția vântului.

La fiecare 10 m pe înălțime, cheltuielile cu turnul/stâlpul și sistemul de ancorare cresc cu 10%. În nici un caz nu ar trebui să  facem din asta o problemă, pentru că, din prima zi de funcționare, eficiență/ randamentul turbinei eoliene crește cu 25-30%.