Vântul este o componentă a dinamicii atmosferei, care apare localizat, pentru o perioadă definită în timp, cu viteze şi intensităţi diferite. Apariţia lui este determinată de diferenţele locale de presiune atmosferică, care la rândul lor sunt determinate de absorbţia selectivă şi diferită a radiaţiei solare. Atmosfera este ca un sistem termic închis care primeşte căldură de la soare. Intensitatea radiaţiei solare este distribuită inegal pe suprafaţa Terrei şi depinde de anotimp.

Planeta noastră primește de la Soare în fiecare secundă 47 miliarde kWh energie. Pentru comparaţie, energia electrică consumată de întreaga populaţie a Terrei în 2003, este egală cu cea primită de la soare în numai 6 ore. Căldura produsă prin absorbţia radiaţiei solare este distribuită diferit pe suprafaţa Terrei, datorită mai multor factori:

– forma sferică a planetei;

– capacitatea termică diferită a solului şi a apei (uscatul se încălzește mai repede ca oceanele);

– topografia (temperatura scade cu înălţimea);

– diferenţa dintre zi şi noapte;

– condiţiile meteorologice (norii opresc radiaţia solară directă);

– umiditatea aerului

Datorită diferenţelor de temperatură și umiditate apar diferenţe de presiune între diferite mase de aer. Pentru aceeași umiditate, cu cât aerul este mai cald, cu atât este mai uşor. (Pe acest principiu funcţionează ascensiunea unui balon umplut cu aer cald.)

Temperatura şi umiditatea unei mase de aer variind în timp, presiunea variază și ea. Diferenţa de presiune tinde spre un echilibru. El poate fi atins temporar prin deplasarea maselor de aer cu presiune ridicată spre zonele cu presiune scăzută, ceea ce produce vântul. Rotaţia pământului influenţează evoluţia vântului în spațiu și timp.

Circulaţia globală a aerului

Datorită formei sferice a planetei, zona ecuatorială primește un excedent de energie, iar în zona polilor există un deficit. Pentru echilibrarea energiei globale, căldura este transportată prin curenţii de apă şi de aer din zonele ecuatoriale spre cele polare. Transportul are loc și prin deplasarea maselor de aer. Sistemul global al vântului este influenţat de forţa Coriolis, care apare ca rezultat al rotaţiei pământului. . Ea acţionează numai asupra corpurilor în mişcare și este direct proporțională cu masa corpului și cu viteza lui. Forţa Coriolis acționează asupra curenților, atât cei atmosferici, cât și cei oceanici, deviindu-i în sensul acelor ceasornicului în emisfera nordică şi în sens invers în emisfera sudică Forţa Coriolis este maximă la ecuator și nulă la poli.

În ceea ce priveşte sistemul global al vântului, se identifică trei domenii diferite:

– În zona tropicală, între ecuator şi 30° latitudine, apare o circulaţie de tip Hadley – la ecuator aerul cald se ridică şi circulă în direcţia polilor. Direcţia acestui flux este deviată spre est datorită rotaţiei Terrei şi forţei Coriolis. Aproximativ la 30° latitudine, aerul coboară şi se deplasează în straturile inferioare ale atmosferei înapoi spre ecuator, cu o deviaţie spre vest datorită rotaţiei Terrei şi forţei Coriolis.

– Între 30° şi 60° apare o circulaţie de tip Rosby, cu vânturi puternice spre vest. Ele sunt utilizate de companiile de aviaţie pentru economia de timp şi carburant.

– Între 60° şi poli există o circulaţie circumpolară a maselor de aer. În domeniul polar domină vânturile dinspre est.

Vânturile locale de echilibrare apar datorită unor efecte locale produse de relief şi de diferenţele de temperatură. Principalele tipuri sunt vânturile mare-uscat și vânturile munte-vale.

Potenţialul energetic a vântului

Energia solară produce încălzirea uscatului, a apelor şi a atmosferei. Apar diferenţe de temperatură, de umiditate şi de presiune care conduc la apariţia curenţilor de aer. Aproximativ 2,5% din energia solară, adică 1,2 miliarde kWh este transformată în energia vântului. În ipoteza unei distribuţii a energiei vântului de 6 MW/Km² rezultă un potenţial energetic utilizabil de 20.000 TW/an, ceea ce corespunde la dublul consumului mondial de energie electrică.

Cel mai mare potenţial de utilizare a energiei eoliene îl are Anglia, apoi Franţa și Spania. Pentru Germania zonele cu potenţial energetic eolian sunt pe Marea Nordului (viteze până la 10 m/s), de-a lungul coastei Mării Nordului (până la 8 m/s), în câmpia Saxoniei Inferioare (până la 5 m/s), în munţii Harz şi Pădurea Thuringiei (până la 7 m/s). Spre sudul Europei, potenţialul energetic eolian scade.

Offshore sunt centralele eoliene implantate pe fundul mării, la o distanţă optimă de coastă. De obicei în aceste zone se construiesc grupuri de 10-100 centrale, numite parcuri energetice. Această configuraţie are avantajul unui vânt constant, cu viteze medii, fără turbulenţe. Cu toate că sunt foarte mari, parcurile energetice nu dăunează mediului, peisajului și stațiilor de radar. Potenţialul energetic al parcurilor eoliene offshore depinde de adâncimea apei şi de distanţa de ţărm. În 2005, centralele eoliene din Germania au produs 26,5 miliarde kWh, sau 5,3% din consumul total de curent electric. În unele regiuni s-a ajuns chiar la 30%-50%.

Paletele rotorului centralei eoliene transformă energia cinetică a vântului în energie mecanică de rotaţie, iar apoi generatorul o transformă în energie electrică. Energia cinetică a unui corp în mișcare este proporțională cu masa lui şi cu pătratul vitezei, sau în cazul centralei eoliene, cu masa și viteza aerului care pune în mişcare rotorul cu paletele. Puterea unei centrale eoliene depinde de masa aerului care circulă în fiecare secundă printre paletele rotorului. Considerând că viteza vântului este constantă, masa aerului este direct proporţională cu densitatea lui şi cu volumul.

Densitatea aerului creşte cu presiunea şi scade cu creşterea temperaturii. Aerul rece este mai dens ca aerul cald. La o presiune normală și la 20°C, 1 m³ de aer are 1,204 Kg. La –10°C acelaşi volum de aer are masa cu 11% mai mare. Deci energia furnizată de o centrală eoliană la –10°C este cu 11% mai mare decât la +20°C, pentru aceeaşi viteză a vântului.

Într-o zonă de presiune înaltă, aerul este mai dens şi mai greu decât într-o zonă cu presiune joasă. O centrală eoliană cu puterea tipică de 2,0 MW are un rotor cu raza r = 40 m. În condiţii atmosferice normale, la +10°C, cu viteza vântului de 6 m/s (21 km/h), puterea vântului este de 780 kW. Acestei viteze a vântului îi corespunde un flux de aer de 43 tone/s, care corespunde energiei cinetice a unui camion de 2,5 t care merge cu 90 km/h, sau a unui automobil de 700 kg care merge cu 170 km/h. Dacă viteza vântului este de trei ori mai mare, 18 m/s (65 km/h), curentul de aer transportă prin rotor 130 tone de aer/s; puterea fiind proporţională cu cubul vitezei, ea va fi de 27 de ori mai mare. În acest caz puterea este de 21.000 kW = 21 MW.

Reglarea puterii

O centrală eoliană este pusă în mişcare datorită forţei cu care vântul acţionează asupra paletelor rotorului. Puterea vântului creşte proporțional cu cubul vitezei lui. La viteze de 9-12 m/s, puterea la rotorul centralei este mai mare decât puterea nominală admisibilă; ea trebuie redusă pentru a evita stricăciuni. Limitarea puterii măsurate la rotorul centralei se poate realiza prin modificarea unghiului de atac a paletelor față de direcţia vântului.

Coeficientul de putere exprimă randamentul centralei electrice eoliene. La centralele de turaţie mare el are valoarea teoretică de 0,59. Coeficientul real depinde de viteza vântului, de intensitatea turbulenţelor şi de tipul construcţiei. Coeficientul de putere este maxim când viteza de rotaţie a vârfului paletei este de 7 ori mai mare ca viteza vântului.

Detalii de construcție a centralei eoliene

Centrale eoliene cu ax de rotaţie vertical

Cele mai vechi instalaţii eoliene sunt morile de vânt, cunoscute din anii 1700 î.C. în Iran şi Afganistan, cu axa de rotaţie verticală. Ele funcţionează pe baza rezistenţei aerodinamice a paletelor.

Ulterior a apărut rotorul Savonius cu axa de rotaţie verticală. Randamentul lui este foarte scăzut (0,15 față de 0,59 la centralele eoliene moderne), în schimb este uşor de construit. El este folosit la puteri scăzute şi moment mare de rotaţie, la viteze mici ale vântului, etc. Principalele aplicaţii sunt la instalaţii de pompare, aparate de măsurare a vitezei vântului (anemometre) şi la jucării.

Rotorul Darrieus a fost conceput de francezul Georges Darrieus în 1925 şi patentat în SUA în 1931 (imaginea din stânga).

Sarcini şi dinamica de funcţionare. Viteza vântului creşte cu înălţimea, astfel că la extremitatea superioară a unei palete verticale ea este mai mare (13 m/s) ca la extremitatea inferioară (10,7 m/s).

Să analizăm cazul unei centrale electrice eoliene cu puterea nominală de 5 MW, butucul rotorului se află la înălţimea de 105 m şi cele două palete au câte 60 m fiecare. Viteza vântului la înălţimea butucului rotorului este de 12 m/s. Viteza vântului la extremităţile paletelor sunt de 10,7 m/s (jos) şi 12,7 m/s (sus), adică o diferență de 20%. Puterea vântului variază şi mai mult ca viteza lui, fiind proporțională cu viteza la puterea a treia. Puterea debitată de cele două extremităţi ale paletelor sunt 740 W/m² (jos) şi 1.268 W/m² (sus).

Deci, vântul produce cu 70% mai multă putere în poziţia superioară a paletei, decât în poziţia inferioară. Rezultă că sarcina mecanică pe palete variază la fiecare jumătate de rotaţie, fiind maximă atunci când paleta ajunge în poziţia superioară. Dacă rotorul face 7–12 rotaţii/minut, paletele trebuie să suporte această diferenţă de sarcină la fiecare 2–4 secunde. Această situaţie împiedică funcţionarea lină a instalaţiei. Pentru echilibrarea maselor în mişcare şi a forţelor vântului care acţionează asupra paletelor, s-a ales varianta cu trei palete, care îndeplineşte echilibrul dinamic şi micşorează sarcinile mecanice pe diferite componente.

Rotorul

Rotorul se compune din una sau mai multe palete fixate la butucul rotorului. El transformă energia cinetică a vântului în energie mecanică de rotaţie transmisă axului, care la rândul lui pune în mișcare generatorul. Rotaţia rotorului fiind variabilă, generatorul va avea și el rotaţia variabilă. În consecinţă puterea şi frecvenţa nu vor fi nici ele constante. Ca urmare centrala electrică eoliană nu poate fi cuplată direct la reţea. Pentru a conecta centrala eoliană la reţeaua naţională, tensiunea trebuie prelucrată cu diferite sisteme electronice. Datorită lor, precum şi a sistemului de rotire a paletelor (sitemul Pitch), construcția centralelor eoliene necesită investiţii mari.

Până la începutul anilor `90 dominau centralele eoliene cu rotaţie constantă, generatoare de tip asincron, cu reglare Stall a paletelor şi cu conectare directă la reţea. La jumătatea anilor `90 au apărut centralele eoliene de mare putere cu rotaţie variabilă, cu sistem de reglare a unghiului paletelor de tip Pitch, cu generoatoare de tip sincron sau cu generatoare asincrone duble. Acestea se adaptează mai bine condițiilor de vânt variabil şi componentele sunt mai protejate împotriva sarcinilor mecanice suplimentare. În ziua de azi peste 90% din centralele electrice eoliene funcţionează pe principiul rotorului cu rotaţie variabilă.

Sisteme de dirijare (orientare) în direcţia vântului

Instalaţile eoliene cu axa orizontală au un sistem care dirijează planului rotorului pe direcţia perpendiculară curentului de aer, pentru a se obţine condiţile optime de funcţionare. Când planul rotorului deviază de la această direcție, se înregistrează pierderi de energie.

Sistemul motric

Sistemul motric, sau gondola, cea mai importantă parte a unei centrale electrice eoliene, constă din 5 componente principale: transmisia, ambreiajul, frâna, generatorul şi axa rotorului. Există diverse variante de construcție a acestui sistem, chiar și una fără transmisie. Prin utilizarea unui generator special se poate renunța la transmisie, ambreiaj şi frâna mecanică, rotorul fiind cuplat direct cu generatorul şi întreg sistemul are mai puţine componente mecanice. Este o variantă compactă și ușor de transportat. Dezavantajul apare când anumite componente trebuie înlocuite sau reparate. Varianta cu componente separate se poate demonta, ceea ce simplifică reparaţia, întreţinerea şi înlocuirea componentelor.

Transmisia

Sistemul de transmisie între rotor şi generator este necesar pentru că rotorul se roteşte mai încet, însă cu un moment de rotaţie mare, iar generatorul se roteşte foarte repede, cu un moment de rotaţie mic. La o centrală eoliană mare (clasa MW), rotaţia rotorului se află în domeniul 6-20 rot/min. Pentru obţinerea unui randament mare, posibilitatea de cuplare directă la reţeaua electrică cu frecvenţa de 50Hz sau 60Hz şi pentru optimizarea mărimii generatorului, viteza de rotaţie a generatorului trebuie să fie mult mai mare decât a axului de rotaţie a rotorului. Raportul optim de transformare a rotațiilor rotorului şi generatorului se realizează prin două roţi dinţate poziţionate frontal.

Generatorul electric transformă energia mecanică a rotorului în energie electrică. Există două tipuri de bază: generatorul sincron și cel asincron. Cele mai utilizate sunt generatoarele asincrone, în special cele alimentate dublu. Centralele electrice eoliene produc curent alternativ cu 3 faze, la fel ca celelalte centrale electrice. Tensiunea energiei electrice produse depinde de clasa de putere a centralei electrice eoliene.

Convertorul de frecvenţă

Pentru ca energia electrică produsă de o centrală electrică eoliană să poată fi introdusă în reţeaua publică de energie electrică, trebuie să fie sincronizată exact la frecvenţa de 50 Hz (pentru Europa), sau 60 Hz (pentru USA, Coreea). Sincronizarea se realizează cu un convertor de frecvenţă. Acesta transformă curentul alternativ cu frecvenţă variabilă, produs de generator, în curent continuu, care este transformat din nou în curent alternativ sincronizat la frecvenţa de 50 Hz.

Micrositing este evaluarea posibilităţilor energetice ale curenţilor de aer şi adaptarea optimă a centralei la condițiile locale. Evaluarea condițiilor energetice ale curenţilor de aer are o importanță deosebită, deoarece energia electrică produsă este proporţională cu puterea a 3-a vitezei vântului. O greşeală de 3% în această evaluare duce la o pierdere de energie electrică de aproape 10%. Pentru a evita greşelile, evaluarea se face pe o perioadă foarte lungă, folosind datele anterioare colectate de staţiile meteo locale, atlas de vânturi, etc. Trebuie analizată și topografia locului, denivelările, colinele, obstacolele, vegetaţia, etc.

Investiţii şi costuri de funcţionare

Costurile totale ale unei centrale electrice eoliene, de la faza de proiect şi până la intrarea în funcţionare, se împart după cum urmează:

– costurile de investiţie: preţul de fabricaţie a centralei şi costuri suplimentare, de transport şi montaj. Costul de fabricaţie reprezintă 70-80% din costurile de investiţie.

– costuri pentru luarea în funcţiune a centralei variază la diferite proiecte, în funcție de tipul şi mărimea centralei, a locului de plasament a centralei (pe uscat – în interior sau pe coastă, pe mare – offshore, în munţi) şi desigur de numărul centralelor care formează un parc.

Energia vântului a fost folosită de umanitate încă din zorii istorie. Fiind una din primele forme de energie care a stat la dispoziția omului, ea a fost folosită pentru deplasarea unor ambarcaţiuni, la irigat şi la acţionarea morilor. Datorită energiei vântului s-a dezvoltat comerţul pe apă, au fost posibile marile descoperiri geografice, căile maritime au fost prelungite şi multiplicate, iar cantitatea materialelor transportate s-a mărit considerabil. Energia vântului a pus în mișcare și nave de război, folosite în batălii maritime cu urmări remarcabile teritoriale, politice şi economice.

Dr. Roman Baican

Offenbach am Main, 9.10.2021