Cum funcționează o turbină eoliană

În funcție de resursele eoliene disponibile, o turbină poate reduce facturile la energie electrică cu 50–90%, poate evita costurile mari de extindere a liniilor de înaltă tensiune către zone izolate, poate preveni întreruperile de alimentare și, cel mai important, este ecologică.

În acest articol vom explora baza turbinelor eoliene – tipurile, dimensiunile, eficiența, avantajele și dezavantajele lor, principiul de funcționare, instalarea, întreținerea și inelele colectoare. Fiecare secțiune include o analiză detaliată și concluzii din cercetări relevante.

Turbinele eoliene necesită o transmisie stabilă a energiei și a semnalelor de date între nacelă și sistemul de control al palelor. Inelele colectoare asigură performanța și fiabilitatea necesare chiar și în condiții de mediu dificile.

Timpii costisitori de oprire a turbinelor pot fi reduși prin utilizarea periilor din fibră și a materialelor durabile în construcția inelelor colectoare.

Avantajele inelelor colectoare:

• Funcționează într-un interval larg de temperaturi
• Au fiabilitate ridicată
• Nu necesită întreținere frecventă
• Nu necesită ungere
• Au uzură și contaminare minimă

Ce este o turbină eoliană?

Turbinele eoliene sunt o versiune modernizată a vechilor mori de vânt, populare în secolul al XIX-lea. Scopul lor este de a reduce dependența de combustibilii fosili și de a produce energie într-un mod regenerabil și ecologic.

Fapte despre turbinele eoliene

Turbinele eoliene transformă energia cinetică a vântului în energie mecanică, care prin intermediul unui generator devine energie electrică.

Pe scurt – o turbină funcționează invers față de un ventilator: în loc să folosească electricitate pentru a mișca aerul, ea folosește mișcarea aerului pentru a genera electricitate.

Utilizarea turbinelor eoliene

Oamenii folosesc energia vântului de secole – de la morile olandeze la fermele americane care pompau apă sau măcinau cereale. Astăzi, forma modernă a acestor mori – turbina eoliană – produce energie electrică.

Turbinele sunt amplasate pe turnuri pentru a capta mai multă energie cinetică. La 30 de metri înălțime, vântul este mai puternic și mai constant. De obicei, o turbină are 2–3 pale care formează rotorul.

Palele funcționează ca aripile unui avion – diferența de presiune deasupra și dedesubtul lor creează o forță de ridicare care rotește rotorul și, prin el, generatorul.

Turbinele pot funcționa independent (off-grid) sau pot fi conectate la rețeaua electrică. În aplicațiile industriale, se construiesc parcuri eoliene întregi pentru a furniza energie către rețea.

Energie eoliană regenerabilă

Energia eoliană este una dintre cele mai rapide surse regenerabile în dezvoltare. Puterea instalată la nivel mondial a crescut de la 7,5 GW în 1977 la 574 GW în 2018.

Între 2009 și 2013, producția de energie eoliană s-a dublat, iar în 2016 a reprezentat 16% din toată energia regenerabilă produsă.

Turbinele moderne au puteri între 2 MW (pe uscat) și 5–8 MW (în larg).

Factori care influențează producția de energie

• viteza vântului,
• densitatea aerului,
• diametrul palelor.

Cu cât vântul este mai puternic, cu atât se produce mai multă energie. Totuși, un vânt prea puternic poate deteriora turbina, motiv pentru care se folosesc limite de funcționare (cut-in și cut-out).

Un aer mai dens (mai rece, cu presiune mai mare) crește eficiența.

Palele mai lungi captează mai multă energie, dar necesită spațiu și vânturi mai puternice.

Ce se întâmplă când vântul nu bate?

Turbinele produc energie doar când bate vântul. În perioadele fără vânt, energia este furnizată de alte surse – de exemplu, hidroenergie sau gaze. Nu există sursă de energie care să funcționeze 100% din timp – nici centralele nucleare. De aceea, energia eoliană funcționează cel mai bine în combinație cu hidroenergia.

Părțile principale ale unei turbine eoliene

• Fundația – conectează turnul la sol, de obicei din beton armat.
• Turnul – cea mai mare și grea componentă (50–150 m înălțime). Cu cât este mai înalt, cu atât prinde vânturi mai stabile.
• Rotorul – captează energia vântului și o transmite sistemului mecanic.
• Nacela – conține cutia de viteze, arborele și generatorul. Se rotește pentru a se orienta după direcția vântului.

Piese interne

• Anemometru – măsoară viteza vântului.
• Pale – se mișcă datorită forței vântului.
• Frâne – opresc rotorul în caz de urgență.
• Controler – pornește și oprește turbina în funcție de vânt.
• Cutia de viteze – mărește viteza de rotație de la 30–60 rpm la 1000–1800 rpm.
• Generator – transformă energia mecanică în electricitate.
• Arborii lent și rapid – transmit puterea de la rotor la generator.
• Sistemul de orientare (yaw) – aliniază turbina cu direcția vântului.

Tipuri, dimensiuni și eficiență

Tipuri de turbine

Turbine cu ax orizontal (Horizontal Axis Turbines) – cele mai comune, cu pale orientate spre vânt.

• Pe uscat (On-shore)
• Maritime (Off-shore)
• De coastă (Near-shore)

Turbine cu ax vertical (Vertical Axis Turbines) – pale verticale, toate componentele principale sunt la sol.

• Darrieus (Eggbeater)
• Giromill
• Savonius
• Twisted Savonius

Turbine canalizate (Ducted Turbines) – montate pe marginea clădirilor, folosesc curenții de aer care se deplasează de-a lungul pereților.

Dimensiuni

Turbinele se împart în trei categorii principale după putere, diametrul rotorului și înălțimea turnului:

Turbinele domestice au până la 20–50 kW, diametrul rotorului de 1–15 m și turnuri de 15–40 m. Sunt folosite în gospodării, ferme și afaceri mici, acoperind o mare parte din nevoile energetice.

Turbinele medii au 50 kW–1 MW, rotor de 15–50 m și turnuri de 30–80 m. Sunt utilizate în parcuri eoliene mici și aplicații industriale.

Turbinele comerciale au 1–10+ MW, rotor de 80–180 m și turnuri până la 150 m. Sunt instalate în marile parcuri eoliene conectate la rețea.

Eficiență

Eficiența reprezintă raportul dintre energia captată și cea disponibilă. Limita teoretică (Betz) este de 59,3%, iar turbinele moderne ating aproximativ 80% din aceasta.

Avantaje și dezavantaje

Avantajele turbinelor cu ax orizontal

• Stabilitate datorită centrului de greutate jos
• Palele pot fi reglate
• Vânturi mai stabile la înălțimi mari

Dezavantaje

• Costuri mari de transport și instalare
• Întreținere dificilă
• Poate interfera cu radarele

Avantajele turbinelor cu ax vertical

• Ușor de întreținut
• Montaj simplu
• Nu necesită orientare după vânt

Dezavantaje

• Eficiență redusă
• Necesită vânt puternic pentru pornire
• Performanță scăzută la viteze mici

Avantajele turbinelor canalizate

• Impact vizual redus
• Montate pe clădiri
• Produc energie local

Dezavantaje

• Potrivite doar pentru clădiri înalte
• Necesită analize precise înainte de instalare

Cum funcționează o turbină eoliană

1. Vântul rotește paletele.

2. Paletele antrenează arborele și cutia de viteze.

3. Cutia de viteze crește turația.

4. Generatorul produce electricitate.

5. Anemometrul și senzorii monitorizează condițiile.

6. Sistemul de orientare ajustează direcția turbinei.

7. Energia este trimisă la transformator și apoi în rețea.

Instalarea turbinelor eoliene

Etape:

1. Pregătirea fundației

2. Săparea canalelor pentru cabluri

3. Montarea turnului și a turbinei

4. Conectarea cablurilor și instalarea invertorului

5. Conectarea la rețea

6. Testarea și pornirea sistemului

Întreținere

Ungerea regulată prelungește durata de viață a componentelor.

Sistemele automate moderne de ungere reduc costurile și riscul defecțiunilor.

Viitorul energiei eoliene

Energia eoliană este una dintre cele mai promițătoare soluții pentru reducerea emisiilor de CO₂.

Se dezvoltă rapid tehnologiile pentru turbine offshore și pentru turbine mici destinate gospodăriilor.

Concluzie

Energia eoliană este o sursă curată și regenerabilă, din ce în ce mai populară datorită progresului tehnologic și costurilor mai mici.

Deși există provocări (zgomot, impact vizual, pericol pentru păsări), inovațiile precum turbinele fără pale le pot reduce semnificativ.

Componente precum inelele colectoare au un rol esențial în funcționarea sigură a turbinelor, iar alegerea corectă a acestora influențează direct durabilitatea și eficiența întregului sistem.