Context
O turbină eoliană este o mașină care transformă energia cinetică a vântului în energie mecanică rotativă, care este apoi utilizată pentru a produce muncă. În cazul modelelor mai avansate, energia de rotație este convertită în electricitate, cea mai versatilă formă de energie, cu ajutorul unui generator.
De mii de ani, oamenii au folosit mori de vânt pentru a pompa apă sau pentru a măcina cereale. Chiar și în secolul al XX-lea, turbine eoliene înalte, subțiri, cu mai multe palete, realizate în întregime din metal, au fost folosite în casele și fermele americane pentru a pompa apă în sistemul de canalizare al casei sau în adăpătoarea vitelor. După Primul Război Mondial, au început lucrările de dezvoltare a turbinelor eoliene care să producă energie electrică. Marcellus Jacobs a inventat în 1927 un prototip care putea furniza energie pentru un radio și câteva lămpi, dar nu pentru multe altele. Mai târziu, când cererea de energie electrică a crescut, turbinele eoliene mici și inadecvate ale lui Jacobs au ieșit din uz.
Prima turbină eoliană de mari dimensiuni construită în Statele Unite a fost concepută de Palmer Cosslett Putnam în 1934; el a finalizat-o în 1941. Mașina era uriașă. Turnul avea o înălțime de 36,6 yarzi (33,5 metri), iar cele două pale din oțel inoxidabil ale sale aveau diametrul de 58 yarzi (53 metri). Turbina eoliană a lui Putnam putea produce 1.250 de kilowați de electricitate, adică suficient pentru a satisface nevoile unui oraș mic. Cu toate acestea, a fost abandonată în 1945 din cauza unei defecțiuni mecanice.
Odată cu embargoul petrolier din anii 1970, Statele Unite au început din nou să ia în considerare fezabilitatea producerii de energie electrică ieftină din turbine eoliene. În 1975, prototipul Mod-O era în funcțiune. Aceasta era o turbină de 100 de kilowați cu două pale de 21 de metri (19 metri). Au urmat mai multe prototipuri (Mod-OA, Mod-1, Mod-2, etc.), fiecare mai mare și mai puternic decât cel precedent. În prezent, Departamentul de Energie al Statelor Unite ale Americii își propune să depășească 3.200 de kilowați pe mașină.
Există multe modele diferite de turbine eoliene, cel mai izbutit fiind Darrieus, cu axa verticală, care are forma unui bătător de ouă. Cu toate acestea, modelul cel mai susținut de producătorii comerciali este o turbină cu axă orizontală, cu o capacitate de aproximativ 100 de kilowați și trei pale cu o lungime de cel mult 33 de yarzi (30 de metri). Turbinele eoliene cu trei pale se rotesc mai ușor și sunt mai ușor de echilibrat decât cele cu două pale. De asemenea, deși turbinele eoliene mai mari produc mai multă energie, modelele mai mici sunt mai puțin susceptibile de a suferi defecțiuni mecanice majore și, prin urmare, sunt mai economice la întreținere.
Fermele eoliene au apărut peste tot în Statele Unite, mai ales în California. Fermele eoliene sunt rețele uriașe de turbine eoliene amplasate în zone cu o producție de vânt favorabilă. Numărul mare de turbine eoliene interconectate este necesar pentru a produce suficientă energie electrică pentru a satisface nevoile unei populații considerabile. În prezent, 17.000 de turbine eoliene amplasate în parcuri eoliene deținute de mai multe companii producătoare de energie eoliană produc anual 3,7 miliarde de kilowați-oră de electricitate, suficient pentru a satisface necesarul de energie pentru 500.000 de locuințe.
Materii prime
O turbină eoliană este formată din trei părți de bază: turnul, nacela și paletele rotorului. Turnul este fie un turn cu zăbrele din oțel, similar cu turnurile electrice, fie un turn tubular din oțel cu o scară interioară către nacelă.
În continuare, se instalează nacela din fibră de sticlă. Mecanismele sale interne – arborele principal de acționare, cutia de viteze și comenzile de pas și de cădere a paletelor – sunt asamblate și montate pe un cadru de bază la o fabrică. Nacela este apoi înșurubată în jurul echipamentului. La fața locului, nacela este ridicată pe turnul finalizat și fixată cu șuruburi.
Cele mai multe turnuri nu au grinzi, care sunt cabluri folosite pentru susținere, și majoritatea sunt fabricate din oțel care a fost acoperit cu un aliaj de zinc pentru protecție, deși unele sunt vopsite în schimb. Turnul unei turbine tipice de fabricație americană are o înălțime de aproximativ 80 de picioare și cântărește aproximativ 19.000 de lire sterline.
Nacela este o carcasă puternică, goală, care conține mecanismele interne ale turbinei eoliene. De obicei fabricată din fibră de sticlă, nacela conține arborele principal de transmisie și cutia de viteze. Conține, de asemenea, sistemul de control al pasului paletelor, un sistem hidraulic care controlează unghiul paletelor, și sistemul de acționare a mișcărilor de lactație, care controlează poziția turbinei în raport cu vântul. Generatorul și comenzile electronice sunt echipamente standard ale căror componente principale sunt oțelul și cuprul. O nacelă tipică pentru o turbină actuală cântărește aproximativ 22.000 de lire sterline.
Cea mai diversă utilizare a materialelor și cele mai multe experimente cu materiale noi au loc în cazul paletelor. Deși cel mai dominant material utilizat pentru paletele turbinelor eoliene comerciale este fibra de sticlă cu un miez gol, alte materiale utilizate includ lemn ușor și aluminiu. Paletele din lemn sunt solide, dar majoritatea paletelor constau dintr-o piele care înconjoară un miez care este fie gol, fie umplut cu o substanță ușoară, cum ar fi spuma de plastic, fagurele de miere sau lemnul de balsa. O pală tipică din fibră de sticlă are o lungime de aproximativ 15 metri și cântărește aproximativ 2.500 de kilograme.
Turbinele eoliene includ, de asemenea, o cutie de utilități, care transformă energia eoliană în electricitate și care este amplasată la baza turnului. Diverse cabluri conectează cutia de utilitate la nacelă, în timp ce altele conectează întreaga turbină la turbinele din apropiere și la un transformator.
Procesul de fabricație
Înainte de a se putea lua în considerare construcția de turbine eoliene individuale, producătorii trebuie să determine o zonă adecvată pentru amplasarea parcurilor eoliene. Vânturile trebuie să fie consistente, iar viteza lor trebuie să fie în mod regulat peste 15,5 mile pe oră (25 de kilometri pe oră). În cazul în care vânturile sunt mai puternice în anumite anotimpuri, este de preferat ca acestea să fie mai mari în perioadele de utilizare maximă a energiei electrice. De exemplu, în Pasul Altamont din California, unde se află cel mai mare parc eolian din lume, viteza vântului atinge cote maxime în timpul verii, când cererea este mare. În unele zone din Noua Anglie, unde sunt avute în vedere parcuri eoliene, vânturile sunt mai puternice în timpul iernii, când nevoia de
încălzirea crește consumul de energie electrică. Fermele eoliene funcționează cel mai bine în zone deschise de terenuri ușor ondulate, înconjurate de munți. Aceste zone sunt preferate deoarece turbinele eoliene pot fi amplasate pe creste și rămân neobstrucționate de copaci și clădiri, iar munții concentrează fluxul de aer, creând un tunel eolian natural de vânturi mai puternice și mai rapide. De asemenea, parcurile eoliene trebuie să fie amplasate în apropierea liniilor de utilități pentru a facilita transferul de energie electrică către centrala electrică locală.
Pregătirea amplasamentului
- 1 Oriunde urmează să fie construit un parc eolian, drumurile sunt tăiate pentru a face loc pentru transportul pieselor. La fiecare locație a turbinei eoliene, terenul este nivelat și zona platformei este nivelată. Apoi se pune o fundație de beton în pământ, urmată de instalarea cablurilor subterane. Aceste cabluri conectează turbinele eoliene între ele în serie și, de asemenea, le conectează pe toate la centrul de control de la distanță, unde este monitorizat parcul eolian și unde energia electrică este trimisă către compania de electricitate.
Montarea turnului
- 2 Deși piesele de oțel ale turnului sunt fabricate în afara șantierului, într-o fabrică, acestea sunt de obicei asamblate la fața locului. Piesele sunt asamblate cu șuruburi înainte de montare, iar turnul este menținut orizontal până la amplasare. O macara ridică turnul în poziție, toate șuruburile sunt strânse, iar stabilitatea este testată la finalizare.
Nacela
- 3 Nacela din fibră de sticlă, ca și turnul, este fabricată în afara șantierului, într-o fabrică. Cu toate acestea, spre deosebire de turn, ea este, de asemenea, asamblată în fabrică. Mecanismele sale interne – arborele principal de transmisie, cutia de viteze și comenzile de pas și de cădere a paletelor – sunt asamblate și apoi montate pe un cadru de bază. Nacela este apoi înșurubată
Cutia de utilități pentru fiecare turbină eoliană și sistemul de comunicații electrice pentru parcul eolian sunt instalate simultan cu amplasarea nacelei și a paletelor. Cablurile merg de la nacelă la cutia de utilități și de la cutia de utilități la centrul de control la distanță.în jurul echipamentului. Pe șantier, nacela este ridicată pe turnul finalizat și înșurubată în poziție.
Pale rotative
- 4 Palele din aluminiu sunt create prin îmbinarea cu șuruburi a unor foi de aluminiu, în timp ce palele din lemn sunt sculptate pentru a forma o elice aerodinamică cu o secțiune transversală asemănătoare cu cea a unei aripi de avion.
- 5 Cu toate acestea, de departe cel mai mare număr de palete sunt formate din fibră de sticlă. Fabricarea fibrei de sticlă este o operațiune minuțioasă. În primul rând, se pregătește o matriță care este în două jumătăți, ca o cochilie de scoică, dar care are forma unei pale. Apoi, un amestec compozit din fibră de sticlă și rășină este aplicat pe suprafețele interioare ale matriței, care este apoi închisă. Amestecul de fibră de sticlă trebuie apoi să se usuce timp de câteva ore; în acest timp, o vezică umplută cu aer în interiorul matriței ajută lama să-și păstreze forma. După ce fibra de sticlă se usucă, matrița este deschisă, iar vezica este îndepărtată. Pregătirea finală a lamei implică curățarea, șlefuirea, sigilarea celor două jumătăți și vopsirea.
- 6 Palele sunt de obicei înșurubate pe nacelă după ce aceasta a fost plasată pe turn. Deoarece asamblarea este mai ușor de realizat la sol, ocazional, la o lamă cu trei palete, două dintre ele sunt înșurubate pe nacelă înainte ca aceasta să fie ridicată, iar cea de-a treia lamă este înșurubată după ce nacela este în poziție.
Instalarea sistemelor de control
- 7 Cutia de utilități pentru fiecare turbină eoliană și sistemul de comunicații electrice pentru parcul eolian se instalează simultan cu amplasarea nacelei și a paletelor. Cablurile merg de la nacelă la cutia de utilități și de la cutia de utilități la centrul de control la distanță.
Controlul calității
Spre deosebire de majoritatea proceselor de fabricație, producția de turbine eoliene implică o preocupare foarte mică pentru controlul calității. Deoarece producția de masă a turbinelor eoliene este destul de nouă, nu au fost stabilite standarde. În prezent se fac eforturi în acest domeniu atât din partea guvernului, cât și a producătorilor.
Deși se contează pe faptul că turbinele eoliene aflate în funcțiune funcționează 90 la sută din timp, încă se mai întâlnesc multe defecte structurale, în special la palete. Crăpăturile apar uneori la scurt timp după fabricație. Eșecurile mecanice din cauza erorilor de aliniere și de asamblare sunt frecvente. Senzorii electrici cedează frecvent din cauza supratensiunilor. Frânele non-hidraulice tind să fie fiabile, dar sistemele de frânare hidraulice cauzează adesea probleme. Sunt în curs de elaborare planuri de utilizare a tehnologiei existente pentru a rezolva aceste dificultăți.
Turbinele eoliene au programe regulate de întreținere pentru a minimiza defecțiunile. La fiecare trei luni, acestea sunt supuse unei inspecții, iar la fiecare șase luni este programată o verificare de întreținere majoră. Aceasta implică, de obicei, lubrifierea pieselor în mișcare și verificarea nivelului de ulei din cutia de viteze. De asemenea, este posibil ca un lucrător să testeze sistemul electric la fața locului și să noteze orice problemă cu generatorul sau cu racordurile.
Avantaje și dezavantaje pentru mediu
O turbină eoliană care produce energie electrică din vânturi inepuizabile nu creează poluare. Prin comparație, cărbunele, petrolul și gazele naturale produc una până la două lire sterline de dioxid de carbon (o emisie care contribuie la efectul de seră și la încălzirea globală) pe kilowatt-oră produs. Atunci când energia eoliană este utilizată pentru nevoile electrice, se reduce dependența de combustibilii fosili în acest scop. Producția anuală actuală de energie electrică produsă de turbinele eoliene (3,7 miliarde de kilowați-oră) este echivalentă cu patru milioane de barili de petrol sau un milion de tone de cărbune.
Turbinele eoliene nu sunt complet lipsite de inconveniente de mediu. Mulți oameni le consideră inestetice, în special atunci când parcuri eoliene uriașe sunt construite în apropierea unor zone sălbatice virgine. Au fost documentate ucideri de păsări, iar paletele care se rotesc produc destul de mult zgomot. Eforturile de reducere a acestor efecte includ selectarea unor situri care să nu coincidă cu zonele sălbatice sau cu rutele de migrație ale păsărilor și cercetarea unor modalități de reducere a zgomotului.
Viitorul
Viitorul nu poate fi decât mai bun pentru turbinele eoliene. Potențialul pentru energia eoliană este în mare parte neexploatat. Departamentul de Energie al Statelor Unite estimează că, până în 1995, se poate obține o cantitate de energie electrică de zece ori mai mare decât cea produsă în prezent. Până în 2005, este posibilă o producție de șaptezeci de ori mai mare decât cea actuală. Dacă acest lucru se va realiza, turbinele eoliene vor reprezenta 10% din producția de electricitate a Statelor Unite.
În prezent se fac cercetări pentru a spori cunoștințele despre resursele eoliene. Aceasta implică testarea a tot mai multe zone pentru posibilitatea de a amplasa parcuri eoliene acolo unde vântul este fiabil și puternic. Sunt în vigoare planuri pentru a crește durata de viață a mașinii de la cinci ani la 20-30 de ani, pentru a îmbunătăți eficiența paletelor, pentru a oferi controale mai bune, pentru a dezvolta trenuri de acționare care să dureze mai mult și pentru a permite o mai bună protecție împotriva supratensiunilor și împământare. Departamentul de Energie al Statelor Unite a stabilit recent un program de punere în aplicare a celor mai recente cercetări pentru a construi turbine eoliene cu un grad de eficiență mai mare decât este posibil în prezent. (Eficiența unei turbine eoliene ideale este de 59,3 %. Altfel spus, 59,3 la sută din energia vântului poate fi captată. Turbinele utilizate în prezent au o eficiență de aproximativ 30 la sută). Departamentul de Energie al Statelor Unite a încheiat, de asemenea, un contract cu trei corporații pentru a cerceta modalități de reducere a defecțiunilor mecanice. Acest proiect a început în primăvara anului 1992 și se va extinde până la sfârșitul secolului.
Turbinele eoliene vor deveni tot mai răspândite în anii următori. Cel mai mare producător de turbine eoliene din lume, U.S. Windpower, intenționează să se extindă de la o capacitate de 420 megawați (4.200 de mașini) la 800 megawați (8.000 de mașini) până în 1995. Ei intenționează să aibă 2.000 de megawați (20.000 de mașini) până în anul 2000. Alți producători de turbine eoliene intenționează, de asemenea, să crească numărul de turbine produse. S-au format comitete internaționale compuse din mai multe țări industrializate pentru a discuta despre potențialul turbinelor eoliene. De asemenea, se depun eforturi pentru a furniza țărilor în curs de dezvoltare turbine eoliene mici, similare celor construite de Marcellus Jacobs în anii 1920. Danemarca, care produce deja între 70 și 80 la sută din energia eoliană din Europa, elaborează planuri de extindere a producției de turbine eoliene. La începutul secolului ar trebui să apară turbine eoliene care să fie amplasate corespunzător, eficiente, durabile și numeroase.
– Rose Secrest
.