O turbina eoliana este un dispozitiv care transforma energia cinetica a vantului in energie electrica. Sute de mii de turbine mari, aflate in instalatii cunoscute sub numele de parcuri eoliene, genereaza acum peste 650 de gigawati de putere, cu 60 GW adaugati in fiecare an. Turbinele eoliene sunt o sursa din ce in ce mai importanta de energie regenerabila intermitenta si sunt utilizate in multe tari pentru a reduce costurile cu energia si pentru a reduce dependenta de combustibilii fosili.
Un studiu a sustinut ca, incepand cu 2009, vantul a avut „cele mai scazute emisii relative de gaze cu efect de sera, cele mai putine cereri de consum de apa si cele mai favorabile impacturi sociale” in comparatie cu sursele de energie fotovoltaica, hidro, geotermala, carbune si gaz.
Turbinele eoliene mai mici sunt folosite pentru aplicatii precum incarcarea bateriilor pentru energie auxiliara pentru barci sau rulote si pentru alimentarea semnelor de avertizare de trafic. Turbinele mai mari pot contribui la o sursa de energie interna in timp ce vand energie neutilizata inapoi furnizorului de utilitati, prin intermediul retelei electrice.
Turbinele eoliene sunt fabricate intr-o gama larga de dimensiuni, cu axe orizontale sau verticale.
Tipuri
Turbinele eoliene se pot roti in jurul unei axe orizontale sau verticale, primele fiind atat mai vechi, cat si mai frecvente. Ele pot include si lame sau pot fi fara lame. Modelele verticale de dimensiuni casnice produc mai putina energie si sunt mai putin frecvente.
Design si constructii
Proiectarea turbinei eoliene este un echilibru atent intre costuri, productia de energie si durata de viata la oboseala.
Componente
Turbinele eoliene transforma energia eoliana in energie electrica pentru distributie. Turbinele conventionale cu axa orizontala pot fi impartite in trei componente:
- Rotorul, care reprezinta aproximativ 20% din costul turbinei eoliene, include paletele pentru transformarea energiei eoliene in energie de rotatie cu viteza mica.
- Generatorul, care reprezinta aproximativ 34% din costul turbinei eoliene, include generatorul electric, electronica de control si cel mai probabil o cutie de viteze (de exemplu, cutia de viteze planetara), unitatea cu viteza reglabila, sau componenta de transmisie continuu variabila pentru transformarea rotatiei de intrare cu viteza mica, in rotatie de mare viteza adecvata pentru generarea de energie electrica.
- Structura inconjuratoare, care reprezinta aproximativ 15% din costul turbinei eoliene, include mecanismul de rotire a turnului si a rotorului.
Nacela a unei turbine eoliene
O turbina eoliana de 1,5 (MW) de un tip intalnit frecvent in Statele Unite are un turn inalt de 80 de metri (260 ft). Ansamblul rotorului (lamele si butucul) cantareste 22.000 de kilograme (48.000 lb). Nacela, care contine generatorul, cantareste 52.000 de kilograme (115.000 lb). Baza de beton pentru turn este construita folosind otel de armare de 26.000 de kilograme (58.000 lb) si contine 190 de metri cubi (250 yd cubi) de beton. Baza are 15 metri (50 ft) in diametru si 2,4 metri (8 ft) grosime in apropierea centrului.
Monitorizarea si diagnosticarea turbinelor
Din cauza problemelor de transmisie a datelor, monitorizarea sanatatii structurale a turbinelor eoliene este de obicei efectuata folosind mai multe accelerometre si tensiometre atasate la nacela pentru a monitoriza cutia de viteze si echipamentele. In prezent, corelarea imaginilor digitale si stereo-fotogrammetria sunt folosite pentru a masura dinamica palelor turbinelor eoliene.
Aceste metode masoara de obicei deplasarea si deformarea pentru a identifica locatia defectelor. Caracteristicile dinamice ale turbinelor eoliene nerotative au fost masurate folosind corelarea imaginilor digitale si fotogrammetrie. Urmarirea punctului tridimensional a fost, de asemenea, utilizata pentru a masura dinamica rotativa a turbinelor eoliene.
Tehnologie
In general, eficienta creste odata cu lungimea palelor turbinei. Lamele trebuie sa fie rigide, puternice, durabile, usoare si rezistente la oboseala. Materialele cu aceste proprietati includ compozite precum poliesterul si epoxidul, in timp ce fibra de sticla si fibra de carbon au fost folosite pentru armare. Constructia poate implica asezarea manuala sau turnarea prin injectie. Modernizarea turbinelor existente cu palete mai mari reduce sarcina si riscurile reproiectarii.
Incepand cu 2021, cea mai lunga lama avea 115,5 m (379 ft),[55] producand 15 MW cu un nivel maxim de zgomot de 118 dB(A). Lamele trebuie sa functioneze peste 100 de milioane de cicluri de incarcare, pe o perioada de 20-25 de ani.
Materialele lamei
Fibre de sticla si carbon
Rigiditatea compozitelor este determinata de rigiditatea fibrelor si de continutul lor. In mod obisnuit, fibrele de sticla E sunt utilizate ca armatura principala in compozite. De obicei, compozitele de sticla/epoxidice pentru palele turbinelor eoliene contin pana la 75% sticla. Aceasta creste rigiditatea, rezistenta la tractiune si compresiune. Un material compozit promitator este fibra de sticla cu compozitii modificate precum sticla S, sticla R etc. Alte fibre de sticla dezvoltate de Owens Corning sunt ECRGLAS, Advantex si WindStrand.
Fibra de carbon are o rezistenta mai mare la tractiune, o rigiditate mai mare si o densitate mai mica decat fibra de sticla. Un candidat ideal pentru aceste proprietati este capacul baronului, un element structural al unei lame care sufera o sarcina mare de tractiune.
O lama din fibra de sticla de 100 de metri (330 ft) ar putea cantari pana la 50 de tone (110.000 lb), in timp ce utilizarea fibrei de carbon economiseste 20% pana la 30% greutate, aproximativ 15 tone (33.000 lb). Cu toate acestea, deoarece fibra de carbon este de zece ori mai scumpa, fibra de sticla este inca dominanta.
Intarituri hibride
In loc sa faca armaturi ale palelor turbinei eoliene din sticla pura sau carbon pur, modelele hibride schimba greutatea pentru cost. De exemplu, pentru o lama de 8 metri (26 ft), o inlocuire completa cu fibra de carbon ar economisi 80% din greutate, dar ar creste costurile cu 150%, in timp ce o inlocuire cu 30% ar economisi 50% din greutate si ar creste costurile cu 90% .
Materialele de armare hibride includ E-sticla/carbon, E-sticla/aramida. Cea mai lunga lama actuala de la LM Wind Power, este realizata din compozite hibride carbon/sticla. Sunt necesare mai multe cercetari cu privire la compozitia optima a materialelor.
Polimeri si compozite nano-ingineresti
Adaugarea unei cantitati mici (0,5 %) de nanoreintarire (nanotuburi de carbon sau nanoargila) in matricea polimerica a compozitelor, dimensionarea fibrelor sau straturile interlaminare pot imbunatati rezistenta la oboseala, rezistenta la forfecare sau compresiune si tenacitatea la rupere a compozitelor cu 30% pana la 80 %. Cercetarile au aratat, de asemenea, ca incorporarea unor cantitati mici de nanotuburi de carbon (CNT) poate creste durata de viata cu pana la 1500%.
Cheltuieli
Incepand cu 2019, costul de capital al unei turbine eoliene a fost de aproximativ 1 milion USD per megawatt, desi aceasta cifra variaza in functie de locatie, de la o jumatate de milion in America de Sud la 1,7 milioane de dolari in Asia.
Pentru palele turbinelor eoliene, in timp ce costul materialului este mult mai mare pentru palele hibride de sticla/fibra de carbon decat paletele din fibra de sticla, costurile cu forta de munca pot fi mai mici. Utilizarea fibrei de carbon permite modele mai simple, care folosesc mai putina materie prima. Procesul principal de fabricatie in fabricarea lamelor este stratificarea. Lamele mai subtiri permit reducerea numarului de straturi si astfel forta de munca si, in unele cazuri, echivaleaza cu costul fortei de munca pentru lamele din fibra de sticla.
Comparatie cu turbinele cu combustibili fosili
Avantaje
Turbinele eoliene produc energie electrica cu intre doi si sase centi per kilowatt ora, care este una dintre sursele de energie regenerabila cu cel mai mic pret. Pe masura ce tehnologia necesara turbinelor eoliene a continuat sa se imbunatateasca, preturile au scazut si ele. In plus, in prezent nu exista o piata competitiva pentru energia eoliana, deoarece vantul este o resursa naturala disponibila gratuit, din care cea mai mare parte este neexploatata.
Costul principal al turbinelor eoliene mici este procesul de cumparare si instalare, care este in medie intre 48.000 si 65.000 USD per instalatie. Energia recoltata de la turbina va compensa costul de instalare si va oferi energie practic gratuita ani de zile.
Turbinele eoliene ofera o sursa de energie curata, folosesc putina apa, nu emit gaze cu efect de sera si nici produse reziduale in timpul functionarii. Peste 1.400 de tone (1.500 de tone scurte) de dioxid de carbon pe an pot fi eliminate prin utilizarea unei turbine de un megawatt in loc de un megawatt de energie dintr-un combustibil fosil.
Dezavantaje
Turbinele eoliene pot fi foarte mari, ajungand la peste 140 m (460 ft) inaltime si cu pale de 55 m (180 ft) lungime si oamenii s-au plans adesea de impactul lor vizual.
Impactul asupra mediului al energiei eoliene include efectul asupra vietii salbatice, dar poate fi atenuat daca sunt implementate strategii adecvate de monitorizare si atenuare. Mii de pasari, inclusiv specii rare, au fost ucise de palele turbinelor eoliene, desi turbinele eoliene contribuie relativ nesemnificativ la mortalitatea aviara antropica.
Parcurile eoliene si centralele nucleare sunt responsabile pentru intre 0,3 si 0,4 decese de pasari per gigawat-ora (GWh) de energie electrica, in timp ce centralele electrice pe combustibili fosili sunt responsabile pentru aproximativ 5,2 decese per GWh. In comparatie, generatoarele conventionale pe carbune contribuie semnificativ mai mult la mortalitatea pasarilor, prin incinerare atunci cand sunt prinse in curentii ascendenti ai cosurilor de fum si prin otravire, cu produse secundare ale emisiilor (inclusiv particule si metale grele in aval de gazele de ardere).
In plus, viata marina este afectata de prizele de apa ale turnurilor de racire ale turbinelor cu abur (schimbatoare de caldura) pentru generatoarele nucleare si de combustibili fosili, de depozitele de praf de carbune din ecosistemele marine (de exemplu, deteriorarea Marii Bariere de Corali din Australia) si de acidificarea apei din monoxizii de combustie.
Turbinele pot fi amplasate pe creste sau stanci pentru a maximiza accesul vantului pe care il au, dar acest lucru limiteaza si locatiile in care pot fi amplasate. In acest fel, energia eoliana nu este o sursa de energie deosebit de fiabila. Cu toate acestea, poate face parte din mixul energetic, care include si energie din alte surse. In special, productia relativa disponibila din sursele eoliene si solare este adesea invers proportionala (echilibrare). De asemenea, este dezvoltata tehnologia pentru a stoca excesul de energie, care apoi poate compensa eventualele deficite de aprovizionare.
