Se pare că în fiecare săptămână este dezvăluită o nouă inovație în domeniul generatoarelor eoliene, uneori pe blogurile de tehnologie, alteori în segmente TV, o dată chiar în cadrul TED Talks. Toate pretind că sunt mai bune decât emblematicele turbine eoliene cu trei palete și axă orizontală cu care suntem cel mai bine familiarizați. Așadar, care este cel mai eficient design pentru captarea energiei eoliene? Dacă fiecare proiect ar fi supus unei surse de vânt constante și fiecare proiect ar avea aceeași suprafață (pentru palete, aerofoile sau alte componente), care ar genera cea mai mare cantitate de energie electrică în același interval de timp?
Răspuns scurt
O turbină eoliană modernă cu ax orizontal și trei palete ar genera cea mai mare cantitate de energie electrică. Afirmațiile privind performanțele superioare ale tehnologiilor alternative însoțite de cereri de investiții ar trebui privite cu extrem de mult scepticism.
Răspuns lung
Generarea potențială maximă dintr-un volum de vânt este determinată de legea lui Betz (cunoscută alternativ sub numele de limita lui Betz). Betz a calculat că puterea maximă care poate fi obținută din vânt este de 59,3% din energia totală a acestuia.
Turbine eoliene cu trei pale cu axă orizontală
Turbine eoliene verticale.axă eoliană cu palete aerodinamice
Cablat, generatoare eoliene zburătoare (doar prototipuri și reprezentări în prezent)
Horizontal-.generatoare eoliene cu axă orizontală de diferite tipuri, fără componentă aerodinamică a paletelor
Generatoare eoliene cu axă verticală-generatoare eoliene cu axă verticală de diferite tipuri, cum ar fi generatorul Savonius fără palete aerodinamice
Dispozitive diverse care seamănă cu motoarele cu reacție, sau motoare cu reacție cu pâlnii mari, conuri cu pistoane (Saphonianul ) sau tirbușoane
Turnuri care folosesc încălzirea solară pasivă în jurul bazei lor pentru a crea vânturi puternice care curg în susul turnului pe lângă palele turbinelor eoliene care se rotesc în interiorul turnului
Cum se prezintă?
Există peste 300.000 de turbine eoliene cu ax orizontal, cu trei pale, la scară utilitară, care produc energie în prezent. Acestea sunt forma de generare câștigătoare, deoarece sunt cele mai eficiente. Motivele sunt ușor de explicat:
Palele aerodinamice adaugă o componentă de forță legată de ascensiune pentru a impulsiona palele mai repede. Acesta este un avantaj semnificativ față de morile de vânt, indiferent dacă sunt cu axă orizontală sau verticală. Orice turbină eoliană, chiar și proiectată în mod adecvat, cu pale aerodinamice, va genera întotdeauna mai multă energie electrică decât cel mai bun generator fără portanță aerodinamică ca o componentă de captare a energiei.
Paletele concepției cu trei pale zboară întotdeauna prin aer curat. Turbulențele de la trecerea lamei anterioare au fost purtate în direcția vântului până în momentul în care următoarea lamă trece prin același punct. Turbinele eoliene cu axă verticală, fie că sunt cu palete sau forme de rezistență pură, zboară prin aer turbulent un procent semnificativ din timp. Aerul curat le permite celor cu trei pale HAWT să aibă un avantaj considerabil.
Palelelemele modelului cu trei pale sunt întotdeauna prezentate la unghiul optim față de vântul care se apropie. Turbinele eoliene cu palete aerodinamice cu axă verticală își schimbă în mod constant unghiul paletelor față de vântul care se apropie, pe măsură ce se rotesc, și doar o parte dintre ele, chiar și cele mai bune modele, se prezintă la un unghi optim în orice moment dat. Alinierea paletelor HAWT la aerul care se apropie necesită o cantitate nesemnificativă de energie în comparație cu acest avantaj. Generatoarele eoliene Savonius (denumite după un inginer finlandez care a creat o variantă comună în 1922) sunt chiar mai proaste, deoarece captează vântul în concavitate pe jumătate din suprafața lor și îl elimină pe porțiunea convexă, cu rezistența și turbulențele suplimentare aferente pe cealaltă jumătate a suprafeței lor. (Am analizat o potențială investiție pentru o firmă mică în capacitatea de microgenerare și am văzut că inventatorul a creat 5 „inovații” în jurul premisei de bază a lui Savonius care a dus-o de la o formă ieftină de energie suficientă pentru utilizări minore de irigații la o formă foarte scumpă de generare de energie suficientă pentru utilizări minore de irigații). Pentru context, iată o moară de vânt de irigații Savonius rentabilă, realizată dintr-un butoi vechi de plastic și niște resturi de cherestea.
Cele cu trei palete se dimensionează bine. Unul dintre cele mai mari avantaje este că puteți pune un set foarte mare de palete pe un turn foarte înalt și să adunați o mulțime de vânt deasupra punctului în care acesta încetinește din cauza contactului cu solul.
Au fost propuse multe modele „inovatoare” care folosesc un fel de efect Venturi în combinație cu rotoarele turbinei, dar problema fundamentală este că, pentru a aduna suficient vânt, trebuie să măriți învelișul exterior până la punctul în care greutatea și costurile materialelor devin prohibitive. O carcasă exterioară trebuie să se mărească cel puțin până la pătratul diametrului și probabil chiar mai mult. O turbină eoliană de 3 MW cu palete de 80 de metri poate capta un subset de energie de la 20.096 de metri pătrați de aer. Un înveliș Venturi la această scară ar avea o circumferință de 251,2 metri, ar trebui probabil să aibă o lățime de cel puțin 10 metri înainte ca efectele notabile să înceapă să se manifeste și ar cântări enorm.
Alte proiecte „inovatoare” pilotează dispozitive de captare a vântului de un fel sau altul – palete de turbine cu înveliș de balon, cadre cu turbine, zmeie cu turbine – în vânturi mai constante și mai înalte de la sol. Problema este că acestea se lovesc constant de limitele de scară. Generatorul eolian cu înveliș de balon începe să aibă probleme de rigiditate cu mult înainte de a ajunge la producția la scară utilitară. Zmeii zburători cu palete încep să necesite cabluri masive și foarte lungi pentru a rezista forțelor. În general, aceste prototipuri sunt foarte interesante și nu ajung niciodată pe piață. Toate acestea încep să necesite instalații masive la sol, cu trolii extraordinar de mari, atunci când se dorește un nivel de producție la scară utilitară. Când începi să te gândești la nivelurile de rezistență ale navelor-hauser înmulțite cu kilometri de cablu, începi să realizezi că numai greutatea și cheltuiala cablului devine prohibitivă la orice nivel util de generare.
Cele cu trei palete stau la un loc pe un stâlp mare atunci când generează electricitate. Acest lucru este foarte eficient, acesta fiind unul dintre motivele pentru care ele amortizează energia folosită în construcție mai repede decât orice altă formă de generare a energiei electrice. Un parc eolian din Australia a generat de 302 ori mai multă energie electrică decât cea folosită pentru a le porni, a le frâna și a le întoarce în vânt în decurs de un an. Comparați acest lucru cu cerințele pentru o turbină eoliană zburătoare, care trebuie trasă atunci când vântul nu bate, lansată atunci când vântul începe și are un cablu greu, potențial lung de kilometri, ajustat pentru a maximiza producția în mod regulat.
Graficul de mai jos este din cartea din 2006 a lui E. Hau, Wind Turbines: Fundamentals, Technologies, Application, Economics. Springer. Germania. 2006. Chiar și la acea vreme, aceasta nu era o știre nouă, ci doar o afirmație evidentă de inclus în manuale.
Turnul solar-eolian cu palete de turbină se apropie cel mai mult de a fi o tehnologie interesantă, însă întreținerea nu este niciodată explorată. Turbinele sunt adesea imaginate ca fiind stivuite 3-7 sau mai multe pe orizontală pe lungimea turnului. Alternativ, altele mult mai mici sunt distanțate în jurul bazei turnului în interiorul tunelurilor care duc de la panoul extins de sticlă. Acestea vor funcționa în condiții de vânt foarte cald, probabil 45 de grade Celsius sau mai mult, la viteze de 50 km/h sau mai mari. Practic, dispozitivul este un cuptor cu convecție care ar găti un om în scurt timp. Pentru a lucra în interiorul turnului ar fi nevoie de costume frigorifice și echipament de respirație, dacă viteza vântului ar face acest lucru fezabil. Scoaterea capului turbinei sau a paletelor din turn pentru a le repara ar fi o muncă extraordinară. Închiderea intrării vântului ar necesita închiderea porților pe un diametru de cinci kilometri.
Vezi cu atenție postul meu conex Invest; „inovațiile” în domeniul energiei eoliene sunt rareori cușer pentru întrebările pe care trebuie să le pui despre orice piesă inovatoare de generare a vântului, mai ales dacă cineva îți cere să pui bani în ea.
http://en.wikipedia.org/wiki/Betz’_law
De ce nu sunt mai populare turbinele eoliene cu axă verticală?
Sunt turbinele eoliene aeriene o sursă plauzibilă de energie ieftină?
http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-2019197/Arizona-solar-power-tower-worlds-2nd-tallest-building.html
http://www.energymatters.com.au/index.php?main_page=news_article&article_id=3325
Turbinele eoliene rambursează „datoria” totală față de mediu în mai puțin de șase luni
http://www.gwec.net/global-figures/wind-in-numbers/
http://www.windpowerengineering.com/construction/simulation/seeing-the-unseeable-in-a-rotor-wake/
http://www.skysails.info/english/power/power-system/skysails-power-system/
Materialul excelent al lui Paul Gipe despre economia generării eoliene
.
