Generator Eolian cu Turbina Verticala pe Lagar Magnetic

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC

The vertical wind turbine with a double helix fan and permanent magnetic bearings was conceived as an alternative for supplying with electric energy isolated houses that do not have access to the electrical grid. Also it can be used to power monitoring systems (CCTV), street lighting which also do not have access to the electrical grid. The magnetic bearings reduce friction to practically zero increasing the wind sensitivity of the turbine and the double helix blade system captures both horizontal and vertical wind currents making it perfect for low speed wind areas but also in turbulent areas.

The generator develops a power of 1000 W with the help of its rotor equipped with the permanent magnetic bearings and the stator equipped with coils, which capture the magnetic flux generated by the rotor and transforms it in electric current. The turbine has a diameter of 1 meter and a height of 2 meters. The generator does not require brushes and excitation current. The electric current produced is being stored in batteries where it is converted using an inverter. It can be mounted easily on rooftops or balconies being as safe as a satellite dish and it is as well very quiet because of the magnetic bearing system.

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

CUPRINS

Energia hidroelectrică

Energia mareelor,valurilor și a gradienților termici ai oceanelor

Energia solară

Energia din biomasă

Energia Eoliana

Densitatea de aer

Măsurarea vitezei vântului

Turbulențele

Obstacole

Turbine Eoliene

Turbine cu ax vertical

Turbinele Savonius

Turbinele Darrieus

Turbine eoline cu rezistență simplă

Turbine eoliene cu diferență de rezistență

Turbine cu ax orizontal

Generatoare Eoliene

Diferențele în comparație cu generatoarele convenționale

Tipuri de generatoare

Generator de inducție

Generator sincron excitat electric

Generator cu reluctanță variabilă

Generator sincron cu magneți permanenți cu flux radial

Generator sincron cu flux axial

Generator cu flux transversal și turație variabilă

Instalația electrică a unei centrale eoliene

Lagărul de legatură dintre generator și turbină

Lagăre magnetice active

Lagăre magentice pasive

Soluția adoptată

8

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC

Caracteristici tehnice și funcționale minimale și obligatorii

Cerințe de lucru

Cerințe generale

Cerințe tehnice minime

Specificații tehnice generale

Specificatiile tehnice ale tablourilor electrice

Specificatii tehnice suporți generator eolian

Alte cerințe

Cantități

Controlul calității

Măsuri de protecție a munciiV. NOTIȚĂ TEHNICĂ (N.T

Destinația și descrierea produsului

Modul de funcționare

Defecte posibile și mod de depanareDOCUMENTAȚIA ECONOMICÃ (D.E

Lista de material

Fișa de manoperă direct

Deviz estimativeVII. CONCLUZII

9

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

I.INTRODUCERE

Energie este unul dintre factorii cei mai importanți pentru dezvoltarea civilizației umane, iar energia eoliană și solară are un potențial uriaș. Pentru conversia energiei vântului se cunosc dou ă tipuri de turbine, și anume turbine eoliene cu axă orizontală și turbine eoliene axei verticale. Turbinele eoliane cu axa verticală au avantaje față de cele orizontale, cum ar fi prețul de cost redus, palele simplu structurate, instalare și întreținere ușoare, precum și capacitatea de a capta vântul din toate direc țiile, fără a fi nevoie de un mecanism de direcție.

Aplicarea tehnologiei lagărelor magnetice la turbina eolienă, practic întreaga greutate a turbinei este susținută de către lagărul magnetic, elimină frecările din rulmenți, iar costurile de întreținere sunt reduse, se elimină vibrațiile mecanice și reduce zgomotul, se reduce cuplul de pornire, generatorul producând energie la viteze mici ale vântului.

Energia eoliană sau energia vântului, este o form ă de energie regenerabilă. La început energia vântului era transformat ă în energie mecanică, folosită ca mijloc de propulsie pe apă pentru diverse ambarcațiuni iar ceva mai târziu ca energie pentru morile d e vânt. Morile de vânt au fost folosite începând cu sec al 7-lea î.Hr de per și pentru măcinarea cerealelor. Morile de vânt europene, constr uite începând cu sec al 12-lea în Anglia și Franța, au fost folosite atăt pentru măcinarea de boabe cât și pentru tăierea buștenilor, mărunțirea tutunului, confecționarea hârtiei, presarea semin țelor de in pentru ulei și măcinarea de piatră pentru vopselele de pictat.

Morile de vânt persane aveau palete f ăcute din mănunchiuri de trestie, care se învârteau în jurul unei axe verticale și erau folosite la măcinarea cerealelor. Ele au început să fie folosite de perși din secolul al VII-lea î.Hr.Primele mori de vânt din Eu ropa au fost construite în sec al 12-lea în nordul Franței și în sudul Angliei, ele s-au răspândit apoi în Belgia, Germania și Danemarca. În Olanda ele au fost folosite pentru a drena zonele mlăștinoase pentru a le face locuibile de către Jan Leegwater și inginerii danezi care i-au urmat.

Se poate vorbi de utilizarea energiei vântului înc ă din cele mai vechi timpuri. Istoria acestei tehnologii a consemnat construirea pân ă în secolul trecut a câteva sute de mii de mori de vânt în Europa. În America (în partea de vest), la începutul secolului XX au apărut turbinele de vânt cu pale din oțel, utilizate în special pentru pomparea apei. Începând cu 1920, sisteme moderne de vânt pentru generarea electricității au fost cercetate și construite pe baza unor studii aerodinamice noi. În prezent, tehnologia utilizării energiei vântului a ajuns la standarde înalte și se observă o creștere tot mai mare a interesului pentru această tehnologie de exploatare a energiilor regenarabile.

Energie eoliană este generată prin transferul energiei vântului unei turbine eol iene. Vânturile se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pământului de c ătre energia radiată de Soare care ajunge la suprafața planetei noastre. Această încălzire variabilă a straturilor de aer, produce zone de aer de densități diferite, fapt care creează diferite mișcări ale aerului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Energia vântului reprezintă una din alternativele energetice care pot asigura pentru zonele în care viteza vântului este cuprinsă între 7–12m /s, costuri ale kilowatorei de ordinul de mărime a celor obținute în centralele clasice pe cărbune sau combustibil lichid.

Alegerea acestui subiect „Proiectarea unui generator elioan cu flux axial” a fost influențată și de starea în care se află climatul și economia mondială la ora actuală, datorită faptului că este o

10

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

alternativă ieftină și eficientă în generarea electricității pe plan individual. Scăderea prețurilor la magneți permanenți din pământuri rare și din neodinium cât și a progreselor în electronica de putere au jucat un rol important in dezvoltarea mașinii electrice fără perii colectoare cu flux axial. Aceste mașini au devenit de curând foarte eficiente, datorit ă densității de curent mare și a fiabilității lor ceea ce a condus la înlocuirea mașinii de curent continuu și eficientizarea mașinii de inducție.

Mașina electrică cu flux axial (MEFA) și mașina de tip disc este o alternativă atractivă în comparație cu omologul sau cilindric cu flux radial datorită formei, construcției, a cuplului ridicat și a ușurinței de construire. Mașinile electrice cu flux axial sunt deosebit de potrivite pentru vehiculele electrice, pompe, supape, macarale, roboți, generatoare eoliene…etc. Cererea de mașini electrice cu flux axial ca generator eolian este justificată datorită costului scăzut, a ușurinței de construire și a faptului că aceste mașini cu mulți poli funcționeaza efecient la turații scăzute ceea ce le face ideale la aplicații în generarea de curent electric cu ajutor vântul ui pe plan individual.

De asemenea s-a implementat un sistem de rotire al turbinei bazat pe lagăre magnetice, ceea ce permite pornirea și rotirea la viteze ale vântului mici, eliminând pr actic frecarea. Noua tehnologie permite montarea acestor eoliene nu numai în zonele cu vânturi puternice permanente, cum ar fi cele din Dobrogea sau din văile zonelor muntoase, ci și în alte părți ale tării, unde vântul bate în mod “normal” și pot fi amplasate pe acoperișurile caselor, întrucât nu prezint ă un risc pentru locuințe mai mare decât o anten ă de satelit. Cu acest nou sistem, eolienele pot funcționa chiar în orașe, pot fi folosite în agricultură, unde poate produce energia necesară pompelor de irigații în fermele izolate, sau pentru a produce energia necesară iluminatului stradal.

Strategia de lucru

Analiza consumului mediu de energie pe o perioada determinată de un an;

Dupa analiză sa trecut la calcularea necesarului de energie pentru a satisface cerința, adică dimensionarea palelor de colectare a vântului în fu ncție de puterea generatorului;

Proiectarea propriu zisa a generatorului, adică alegerea materialului și calcularea numărului de magneți necesari producerii energiei cerute și dimensionarea statorului și a bobinelor;

Desenarea pieselor componente la scară pentru o viitoare aplicare practica;

Analiza costului de proiectare și prețului materialelor alese.

Obiectivul acestei lucrări este proiectarea unui generator eolian cu flux axial cu magneți permanenți cât mai ieftin posibil și cât mai eficient, care s ă fie o soluție de producere a energiei electrice pentru casele izolate, ferme izolate, iluminat stradal, sisteme de pază și protecție la obiective izolate, sisteme de monitorizare video a zonelor fără acces la rețeaua de distribuție publică.

11

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

MEMORIU DE PREZENTARE (M.P.)

Obiectul Proiectului

Se va proiecta un generator eolian de mică putere pentru echiparea unei instalații eoliene destinată alimentării cu energie electrică a unei locuințe izolate.

2.2 Surse Regenerabile de Energie

Încălzirea climatului global este cauzată de emisia excesivă de gaze cum ar fi CO2 , CH4, NO2, și altele, care afectează în mod serios ecosistemul și populația lumii. Sectorul energetic contribuie cu un procent de 60% din emisia de gaze cu efect de seră, produse prin arderea combustibililor fosili, gazosi etc.

Avantajul principal al surselor de energie regenerabile în comparație cu sursele de energie convenționale îl constituie faptul că ele nu emit gaze. În al doilea rând, sursele de en ergie regenerabile folosesc resursele naturale nelimitate în timp, cum ar fi energia hidroelectrică, energia mareelor, valurilor și a gradienților termici ai oceanelor, energia solară, energia din biomasă, energia din biogaz, energia eoliană. În comparație cu sursele de energie convențională care nu pot funcționa pentru todeauna deoarece ele depind de resurse naturale care sunt limitate cantitativ și s-au acumulat în perioade lungi de timp.Un al III-lea avantaj în constituie locul de proveniență al sursei de energie, spre exemplu panourile solare se pot amplasa oriunde ziua este lungă și turbinele eoliene în orice loc unde suflă vântul, dar petrolul și gazele naturale nu pot fi extrase din orice loc.

Energia hidroelectrică

Utilizarea directă a energiei apei a ajuns să acopere aproape 20% (2650 TWh/an) din necesarul

global de energie electrică. Cel mai ridicat potențial îl deține Asia, după care urmează America Latină, Europa, Africa, America de Nord și Oceania.

Centralele hidroelectrice necesită o investiție mare, contrabalansată de costurile mici de exploatare (având în vedere dispari ția costurilor de achiziționare a combustibilului) și de durata de viață a acestora. Centralele hidroelectrice de mică putere (mai mică de 10 MW) în ultimii ani au căpătat un avânt subsubstan țial, în UE, la sfâr șitul a produse prin arderea combustibililor fosili, gazosi etc.

Avantajul principal al surselor de energie regenerabile în comparație cu sursele de energie convenționale îl constituie faptul că ele nu emit gaze. În al doilea rând, sursele de en ergie regenerabile folosesc resursele naturale nelimitate în timp, cum ar fi energia hidroelectrică, energia mareelor, valurilor și a gradienților termici ai oceanelor, energia solară, energia din biomasă, energia din biogaz, energia eoliană. În comparație cu sursele de energie convențională care nu pot funcționa pentru todeauna deoarece ele depind de resurse naturale care sunt limitate cantitativ și s-au acumulat în perioade lungi de timp.Un al III-lea avantaj în constituie locul de proveniență al sursei de energie, spre exemplu panourile solare se pot amplasa oriunde ziua este lungă și turbinele eoliene în orice loc unde suflă vântul, dar petrolul și gazele naturale nu pot fi extrase din orice loc.

Energia hidroelectrică

Utilizarea directă a energiei apei a ajuns să acopere aproape 20% (2650 TWh/an) din necesarul

global de energie electrică. Cel mai ridicat potențial îl deține Asia, după care urmează America Latină, Europa, Africa, America de Nord și Oceania.

Centralele hidroelectrice necesită o investiție mare, contrabalansată de costurile mici de exploatare (având în vedere dispari ția costurilor de achiziționare a combustibilului) și de durata de viață a acestora. Centralele hidroelectrice de mică putere (mai mică de 10 MW) în ultimii ani au căpătat un avânt subsubstan țial, în UE, la sfâr șitul anului 2000 capacitatea instalată era de 10.260 MW, lideri în domeniu fiind Italia si Franța. La nivel european, puterea instalată în centrale hidroelectrice reprezintă 81% din totalul capacității instalate pe surse regenerabile.

Energia mareelor,valurilor și a gradienților termici ai oceanelor

Puterea grupurilor existente în cazul barajelor în calea mareelor este de aproximativ 240 MW, iar în cazul prelucrării energie marine este de 250-300 kW. Costurile de instalare și producere se mențin ridicate, ceea ce face ca această energie să nu fie competitivă deocamdată pe o piață de electricitate. Potențialul energetic al valurilor pentru Uniunea Europeană a fost estimat la 120-190 TWh/an (în larg) și 34-46 TWh/an (aproape de țărm). Tehnologia de prelucrare a energiei valurilor este o tehnologie relativ nouă, fiind propuse mai multe soluții aflate în diverse stadii de cercetare sau proiectare. Pentru instalațiile aproape de țărm și pentru cele aflate în larg a fost estimat un cost specific al investiției de 1000-1400 €/kW (1998).

Obținerea energiei electrice prin prelucrarea gradiențiilor termici ai oceanelor se bazează pe diferența de temperatură existentă între suprafața oceanului și un anumit nivel de adâncime (aproximativ 1000m). Au fost dezvoltate proiecte aproape de țărm (posibilitate simplificată de

12

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

racordare la rețea) sau în larg (lungimea conductei scurtă). Avantajul principal constă în disponibilitatea nelimitată a sursei de energie. Se prognozează dezvoltarea pân ă în 2010 a aproximativ 1000 de centrale bazate pe prelucrarea gradientului termic cu puteri instalate între 10-100 MW.

2.2.3 Energia solară

Energia solară poate fi convertită în energie electrică prin conversie directă (prin intermediul dispozitivelor statice pentru transformarea radiației solare în enrgie electrică) și prin conversie indirectă (prin conversia în energie termică a undelor solare sau prin reflectarea și focalizarea căldurii cu ajutorul colectoarelor solare). În prezent se dezvolată foarte mult producerea de energie electrică prin conversia directă a energiei solare în energie electrică, în celule fotovoltaice.

Costul energiei electrice produse în instalații fotovoltaice a putut fi scăzut pâna la 10 cen ți pe kWh, devenind comparabil cu cel vândut de companiil e de electricitate, așa că această soluție este eficientă în zonele izolate. Sistemele de producere a energiei electrice cele mai dezvoltate sunt sistmele de tip “solar farm”, “solar power towers”, cu puter i de pân ă la 10 MW și “parabolic dish system”, cu puteri de circa 50 kW. Se estimeaza ca în 2010, puterea instalată în Europa va ajunge la 300 MW (din 3000 MW, la nivel mondial) conducând la producerea unei cantități de energie electrică de 0.5 TWh/an în Europa și 4 TWh/an pe plan mondial.

2.2.4 Energia din biomasă

Se estimează că energia conținută în biomasa vegetală de pe pământ este de 10 ori mai mare decât consumul energetic mondial. Exist ă 4 surse de biomasă: reziduri forestiere, reziduri agricole, reziduri din procesele tehnologice de prelucrare a cerealelor și culturi speciale, destinate utilizării drept combustibil. Pentru producerea energiei electrice utilizând aceast ă resursă regenerabilă, este necesar să coexiste și sa funcționeze împreună, două sisteme: cel de furnizare a biomasei, în calitate de combustibil și cel de producere/comercializare a energiei electrice.

Se estimează ca în 2010, cantitatea de energie electrică produsă pe bază de biomasă va ajunge la 27 TWh/an în Uniunea Europeană și la 291 TWh/an pe plan mondial.

Energia din biogaz

Biogazul este un rezultat în urma fermentării materiei organice sub acțiunea bacteriilor anaerobe, conține 65% metan și are o putere calorifică între 17-25 MJ/m3. Este utilizat preponderent pentru producerea energiei termice, dar și a energiei electrice. Dimensiunile grupurilor de producere a energiei electrice nu depașesc 1MW, fiind caracterizate prin costuri investiționale și de exploatare relativ ridicate. Pentru Europa, capacitatea instalată în 2001 era de 1.505 Mw, se prognozează să ajungă în 2010 la 4.500 MW. Deși s-au realizat aplicații în domeniu, piața biogazului continuă să fie slab dezvoltată.

2.3 Energia Eoliana

Energia vântului mai poart ă numele și de energie eoliană. Acest nume vine din mitologie, de la Eol, zeul vântului. Energia vântului a fost folosit ă de către oameni din cele mai vechi timpuri, începând cu b ărcile și corăbiile care se deplasau cu ajutorul vântului, contin uând cu morile de vânt, cu ajutorul cărora măcinau cereale pentru hrană. Generatoarele eoliene au apărut recent, niște dispozitive speciale numite turbine eoliene, care captează văntul și transformă energia eoliană în energie electrică. Vântul este definit ca o mi șcare relativ orizontală a aerului pe suprafața pamântului, mi șcare cauzată de soare, mai précis de rediațiile solare, energia vântului fiind o form ă indirectă a energiei solare. S-a estimat că 1-2 % din radiațiile solare care ajung pe suprafața pământului se convertesc în vânt, reprezentând aproximativ 1.74 pân ă la 3x1015W, fiind o sursă de energie nelimitată.

În general vântul rezult ă din încălzirea neuniformă a diferitelor părți ale suprafeței pământului. Diferența de temperatură cauzează diferențe de presiune, aerul cald fiind mai usor și se ridică în parțile

13

GENERATOR EOLIAN CU TU RBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNE TIC – BORDAN

superioare ale atmosferei. Se creea ză o suprafață de joasă presiune la nivelul solului, unde aerul rece care este mai greu va coborâ din p ărțile înalte ale atmosferei, creeând o suprafat ă de presiune înaltă. Această diferență de presiune de-a lungul distanței se numește “gradient d e presiu ne”. Viteza vântului depinde în mod direct de gradientu l presiunii. Încălzirea neuniformă a diferitelor părți ale suprafeței pământului este cauzat ă de forma planetei.

Energia cinetică din vânt po ate fi folosit ă pentru a roti niște turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deși aceasta necesită o v iteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilo metri pe oră. Puține zone pe pământ au aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot g ăsi la altitudini mai mari și în zonele oceanice. Energia eoliană este folosită extensiv în ziua de astăzi, și turbine noi de vânt se construiesc în toat ă lumea, ea fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creștere î n ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc en ergie peste 25% din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.

La sfâr șitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73.904 MW, acestea producând ceva mai m ult de 1% din neces arul mondial de energie electrică. Chiar și pe fondul incertitudinii politice în prin cipalele piețe de energie eoliană, dezvoltatorii au reușit să instaleze în 2012, la nivel mondial, 44.000 MW de noi capacități eoliane, ajungând la o capacitate total ă de peste 280.000 MW, în mai mult de 80 de țări, dintre care 24 au cel puțin 1.000 MW . Turbinele eoliene, la nivel European, pot satisface ne voile de energie electrică rezidențială la peste 450 de milioane de oameni.

Fig II.1 Evoluția puterii eoliene pe plan mondial

China a instalat în 2012 o ca pacitate de aproximativ 13.000 MW, potrivit G lobal Wind Energy Council (GWEC), conducând pe pl an mondial , cu 75.000 de MW, mai mult de un sfert din totalul

Chinei cu o capacitate eoliana totală de 60.000 MW, suficient pentru a alimenta mai mult de 14 de milioane de case.

Uniunea Europeană a instalat mai mulți megawati de energie eoliană în 2012 decât a f ăcut-o din gaze naturale, cărbune, sau en ergie nuclear. Germania, cu 30.000 MW capac itate eoliană este a treia putere mondială. România și Polonia au adăugat fiecare aproximativ 900 M W capacități eoliene în 2012, ajungând la 2.500 și resp ectiv 1.900 de MW. Turciei are ca obiectiv de a ajunge la 20.000 MW energie eoliană în următorii 10 ani, de aproape 10 ori capacitatea actuală.

14

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

În afară de China, India este celălalt mare producător de energie eoliană din Asia, cu o capacitate instalată de peste 18.000 MW, ocupând locul al cincilea la n ivel mondial.

Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumat ă acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafață Pământul (excluzând oceanele) s ă fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând c ă terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe kilometru pătrat. Aceste cifre nu iau în considerare îmbunătățirea randamentului turbinelor și a soluțiilor tehnice utilizate.

Noile cerințe în domeniul dezvoltării durabile au determinat statele lumii să își pună problema metodelor de producere a energiei și să crească cota de energie produsă pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă emisiile de gaze cu efect de seră. Acest acord a determinat adoptarea unor politici naționale de dezvoltare a eolienelor și a altor surse ce nu degajă bioxid de carbon.

Trei factori au determinat ca soluția eolienelor să devină mai competitivă:

• noile cuno ștințe și dezvoltarea electronicii de putere;

ameliorarea performan țelor aerodinamice în conceperea turbinelor eoliene;

finan țarea națională pentru implantarea de noi eoliene.

Tabelul II.1 Producatorii de energie electrica din surse regenerabile.

Fig II.2 Resurse consumate pentru producerea energiei electrice

Se estimează că instalarea unui kW eolian, costă aproximativ 1000 euro. Progresele tehnologice și producția în creștere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constantă a prețului estimate, prețul unui kWh depinzând de pre țul instalării eolienei, ca și de cantitatea de energie produsă anual. În Germania și Danemarca, investitorii sunt fie mari grupuri industriale, fie particulari sau agricultori. Această particularitate tinde să implice populația în dezvoltarea eolienelor. Energia eoliană este percepută ca o cale de diversificare a producției agricole. în Danemarca, 100 000 de familii dețin acțiuni în energia eoliană. Filiera eoliană a permis, de asemenea, crearea de locuri de muncă în diverse sectoare, ca cele de producere a eolienelor și a componentelor acestora, instalării eolienelor, exploatării și întreținerii, precum și în domeniul cercetării și dezvoltării. Se înregistrează peste 15 000 de angajați în Danemarca și 30 000 în Germania, direct sau indirect implicați în filiera eoliană.

15

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Energia eoliană este considerată ca una din opțiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vântului fiind imense. Se est imează că energia eoliană recuperabilă la nivel mondial se situează la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattoră), ceea ce reprezintă de 4 ori mai mult decât consumul mondial actual de electricitate. Vit eza vântului este extrem de important ă pentru conversia energiei eoliene în energie electrică.

Puterea văntului care trece perpendicular printr-o suprafață circulară este:

P – puterea vântului [W] (Watt).

ρ- densitatea aerului uscat 1.225 [Kg/m3] (măsurată la presiunea atmosferică și la temperatura de 150C) v- viteza vântului [m/s]

r- raza specifică rotorului [m]

Formula arată că putere (P) a vântului masurat ă în Watt [W], depinde strict de cubul vitezei (v) a vântului masurat ă în metri pe secundă [m/s].

Pe de altă parte, coeficientul puterii descrie acea fracțiune a puterii vântului care poate fi convertită de turbină în lucru mecanic. Valoarea teoretică maximă este de 0.593, numit coeficientul lui Betz, dar în practică avem valori mult mai scăzute.

2.3.1 Densitatea de aer

Vănturile se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pamantului de către energia radiată de Soare care ajunge la suprafața planetei noastre. Această încălzire variabilă a straturilor de aer, produce zone de aer de densități diferite, fapt care creează diferite mișcări ale aerului. Energia cinetica a vântului poate fi folosit ă la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Energia vântului de asemenea este su pusă schimbărilor sezoniere ale timpului.

Energia cinetică a unui corp în mișcare este proporțională cu masa sau greutatea corpului. Energia cinetică în direcția vântului depinde de densitatea de aer, care repr ezintă masa pe unitatea de volum. Altfel spus, cu cât aerul este mai “greu”, c u atât turbina va primii mai mult ă energie. La presiune atmosferică normală și temperatură de 150C greutatea aerului este aproximativ de 1,225 Kg/m3, dar densitatea scade semnificativ odată cu creșterea umidității. De asemenea, aerul rece este mai dens decât cel cald. La altitudini mari, presiu nea atmosferică este mai mică și aerul este mai puțin dens.

Energia cinetică (Ec) a uni corp cu masa (m) și viteza (v) este:

 m  v^2

Ec (II.2)

2

Energia cinetică a vântului, ca form ă de energie primară care se poate converti în energie electrică, poate fi înmagazinată în baterii de acumulatori, sau în energia potențială a apei, pompare într-un lac, sau folosirea în procesul de electroliză și ulterior stocat hidrogenul ca altă formă de energie. Energia cinetică a vântului poate fi captat ă și din tuneluri cu diferențe de înălțime, de exemplu puțurile fostelor exploatări miniere, unde apare un curent de aer foarte mare datorită diferenței de presiune dintre baza și gura puțului.

16

GENERATOR EOLIAN CU TU RBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNE TIC – BORDAN

Fig. II.3 Secțiunea de aer utilizată

Pentru determinarea enrgiei cinetice a vântului vom lua o secțiune mare de aer, care are forma de colectare a particulelor de aer carre trec prin planul descris de paletele turbinei eoliene.

A – sec țiunea transversală g – grosimea

t – timpul necesar secțiunii de aer p entru a trece prin planul paletelor turbinei V – volumul sec țiunii

2.3.2 Măsurarea vitezei vântului

Viteza vântului se m ăsoară de obicei folosind anemometrele. Cel mai simplu anemometru este cel cu cupă, care are o axă verticală și trei cupe care captează vântul. Num ărul de rotații pe minut este înregistrat electronic. De obicei, aneemometru este echipat cu o morișcă de vânt care detecteaz ă direcția vântulului. În loc de cupe, an emom etrele pot fi echipate cu elicie, deși nu e ceva obișnuit. Alte tipuri de anemometre sunt prevăzute cu unde laser sau ultrasonice care detectează etapa mișcării sunetului sau luminii continue reflectată de moleculele de aer. Avantajele anemometrrelor electronice îl

17

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

constituie faptul că acestea sunt mai puțin sensibile la îngheț. În practică anemometrele cu cupă sunt folosite peste tot în special modelele încălzite electric, astfel pot fi folosite și în zonele reci.

Pentru măsurarea vitezei vântului, în industria energiei eol iene calitatea anemometrelor este foarte importantă. O calibrare sărăcăciosă a anemometrelor provoacă eroări de măsură de 5 – 10 %. Cea mai buna cale pentru a măsura viteza vântului la o viitoare turbin ă eoliană este potrivirea anemometrului în vârful unui stâlp care va avea ace ași înălțime cu înălțimea turnului pe care va fi amplasată turbina. În acest fel se evită eroările de recalculare la diferite înălțimi.

2.3.3 Turbulențele

Turbulențele se referă la fluctuațiile vitezei vântului pe o scal ă relativă în timp, tipic mai puțin de 10 min. Cauzele generale care le cauzează sunt: divergențele cu suprafața pamântului și efectele termice cauzate de miscarea verticală a aerului. Intensitatea turbulențelor depinde clar de rugozitatea suprafeței pământului și de înălțimea suprafeței. De asemenea mai este influențată de comportamentul termic al atmosferei, aerul cald este mult mai turbulent decât aerul rece. Turbulen țele scad posibilitatea folosirii energiei vântului eficace pentru turbinel e eoliene. Turnurile pentru turbinele eoliene sunt deobicei făcute destul de înalte ca să evite turbulențele cauzate de denivelarile aflate la nivelul solului.

2.3.4 Obstacole

Obstacolele care pot cauza scăderea vitezei vântului semnificativ și creează turbulențe în vecinătatea turbinei eoliene sunt: clădirile, copacii, formațiuni stâncoase etc. Zona turbulent ă se poate extinde pân ă la de trei ori înălțimea obstacolului. Turbulența este mai pronunțată în spatele obstacolului decât în fa ța lui. Energia vântului este o forma de enrgie rege nerabilă care este competitivă în comparație cu energia produsă de combustibili fosili din mai multe puncte de vedere. Obținută ca urmare a deplasării unor mase de aer care pun în miscare paletele unei turbine. În urma cercetărilor efectuate în ultimele două decenii au rezultat turbine mult mai eficiente, mult mai silentioase și mai sigure. Energia eoliana este folosită cu succes datorită caracterului nepoluant al acesteia și posibitității utilizării acestei tehnologii ca sursă individuală de alimentare cu energie electrică în zonele rurale ale globului. În acelasi timp extinderea acesteia nu a fost pe atât de larg ă pe cât s-ar fi dorit ca urmare a caracterului intermit ent al fluxului și al vitezei variabile a vântului.

Pe plan mondial, la sfâr șitul anului 2002, puterea eoliană instalată era de 32.037 MW, fiind operaționale aproximativ 61.500 de turbine eoliene. În Europa, din totalul de 223.832 MW instalați, aproximativ 12.000 MW sunt instalați în Germania și 5.042 MW în Spania.

2.4 Turbine Eoliene

Turbinele eoliene transformã energia vântului în el ectricitate, dar ca și toate tehnologiile, turbinele sunt de toate mãrimile și formele. Există două clase mari de turbine de vânt: cu ax orizontal și cu ax vertical.

Turbine cu ax vertical

Această categorie include turbinele eoliene la care direcția axelor este în unghiul potrivit

direcției vântului. Func ționeză la fel de bine indiferent din ce direcție vine vântul. Se disting dou ă tipuri de turbine cu ax vertical: turbinele Savonius și turbinele Darrieus.

18

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Darrieus Evence cu ax orizontal Savonius

Fig.II.4 Diferite tipuri de turbine

2.4.2 Turbinele Savonius

Un nou model de turbine cu ax vertical este numit Savonius. Cupele montate lateral captează vântul și cauzează o miscare verticală. Turbina Savonius are avantajul că poate funcționa la fel indiferent de direcția văntului. Oricum, acest tip de turbină are eficiență scăzută, în jurul valorii de 14%. Această eficiență nu scade rapid, odată cu variațile vitezei.

2.4.3 Turbinele Darrieus

O versiune foarte sofisticată a turbinelor cu ax vertical sunt turbinele Darrieus, caracterizate de forma literei C a paletelor rotorului. De obicei sunt construite cu două sau trei palete. Acest model are o eficiență destul de ridicată de pân ă la 32%.

2.4.4 Turbine eoline cu rezistență simplă

Pricipiul de funcționare a turbinelor eoliene cu rezistență simplă se bazează pe acțiunea forțelor de rezistență aerodinamică a palelor, care pot fi drepte sau curbate, fără un profil aerodinamic. În general, este necesară orientarea dupa direcția vîntului,însă există și unele variante care nu necesită orientare. Turbinele de acest tip se caracterizează printr-un coeficient de putere relativ mic.

Sunt două categorii de turbine eoliene cu rezistență simplă: a.Turbine eoliene cu ecran

b.Turbine eoliene cu pale batante

a) b)

Fig II.5 a) Turbine eoliene cu eran b) Turbine eoliene cu pale batante

Turbine eoliene cu diferență de rezistență

La aceste tipuri de turbine momentul motor se produce datorită diferenței forțelor de rezistență aerodinamică a palelor. Forma palelor trebuie astefel aleasă, încat raportul coeficienților de rezistență aerodinamică corespunzatoare celor două fețe a palei să fie cît mai mare. Astfel, forma palelor poate să fie semisferică, semicilindrică sau cilindru parabolic. În general, coeficientul de putere al acestor tipuri de turbine este mai mic decît al turbinelor cu tracțiune simplă. Daca se utilizează diferite ecrane și turbina funcționază intubată, coeficientul de putere crește sensibil. Există și unele soluții constructive la care palele au o formă aerodinamică curbată, utilizînd atît forța de rezistență cît si forța de portanță aerodinamică prin care se obține o creștere a coeficientului de putere și a viteze specifice care are valori cuprinse intre 0,3 și 0,6.

Turbinele eoliene cu diferența de rezistență cuprind mai multe categorii:

Turbina eolienă cu cupe.

Turbina eoliană cu cupe și geometrie variabilă.

Turbina eoliană tip Savonius.

Turbina eoliană tip Lebost.

Turbina eoliană cu flux transversal.

19

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig. II.6 Turbine cu diferență de rezistență

Caracteristica principală a acestor mașini eoliene este variația ciclică a unghiului de incidență. Variația ciclică a incidenței există si la celelalte tipuri de mașini. Dar nu este un factor determinant al principiului de funcționare a acestora. La mașinile cu incidență variabilă momentul motor se produce, în general, sub acțiunea componentei tangențiale a forțelor aerodinamice.

Există doua tipuri de mașini eoliene cu incidență variabilă:

Mașini eoliene cu incidență controlată

Mașini eoliene cu incidență necontrolată

a) b)

Fig. II.7 a)mașină eoliană cu incență controltă b) mașină eoliană cu circulație necontrolată

Turbine cu ax orizontal

Sunt cele mai des intâlnite. În zilele noastre toat e turbinele eoliene comerciale construite au rotorul cu ax orixontal. Scopul rotorului la turbinel cu ax orizontal este de a converti mișcarea liniară a vântului în mi șcare circulară pentu a pune în mișcare generatorul.

20

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig. II.8 Turbine cu ax orizontal

În funcție de numarul de pale se disting:

Turbine cu număr mare de pale

Turbine cu trei pale

Turbine cu două pale

Turbine cu o singură pală

Fig.II.9 Tipuri de rotoare în funcție de numãrul de pale

2.5 Generatoare Eoliene

În zilele noastre aproape toate instalațiile eoliene au puterea de funcționare de ordinul KW sau mai mare, folosind generatoare standard cu turații cuprinse între 750 – 1800 rpm. Viteza turbinei este mult mai scăzută decât viteza generatorului , de obicei cuprins ă între 20 – 60 rpm. Marea majoritate a turbinelor eoliene folosesc un multiplicator de turație, situat între turbină și generator. O alternativă este folosirea generatoarelor de turație foarte mică. Acest tip de generator poate fi conectat direct pe axul turbinei.

Multiplicator

Generator Generator

Fig. II-10. a) Instalație eoliană standard b) Instalație eoliană cu genratorul

conectat direct la axul turbinei

Avantajul generatoarelor de turație mică conectate direct pe axul turbinei sunt: costul energiei electrice produse și zgomotul produs sunt foarte reduse. Reducerea zgomotului poate fi extrem de importantă când amplasarea turbinei eoliene se face în aprop ierea zonelor locuite.

Motivele pentru care costul energiei produse este mai scăzut sunt:

scad pierderile de energie prin conversie

21

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

îmbunătățesc disponibilitatea turbinelor eoliene

Luând în considerare toate aceste motive rezult ă un tip eficient de generator, dar necesită o construcție rațională și o bună optimizare.

2.5.1 Diferențele în comparație cu generatoarele convenționale

Teoretic, diferența dintre tipul generatorului al turbinlor cu multiplicator de turație și cele legate cu generatorul conectat direct nu diferă prea mult. Cea mai importantă diferență este aceea că turația generatoarelor cuplate direct la turbină necesită un cuplu mult mai ridicat.Această diferență este foarte importantă, deorece mărimea și pierderile generatoarelor de turație redusă depinde de rata cuplului mai mult decât rata puterii. Spre exemplu un generator de 500 kW și 30 rpm pentru o turbină eoliană are aceași rată a cuplului ca și un generator de 5 MW și 3000 rpm.

Din cauza cuplului ridicat, generatoarele cuplate direct la turbină sunt de obicei mai grele și mai puțin eficiente decât gneratoarele conven ționale. Pentru a crește eficiența și a reduce greutatea părților active ale generatorului, el va fi proiectat cu un diametru ridicat. Pentru a scădea greutatea rotorului și a jugului statoric și pentru a păstra pierderile vântului mici, generatoarele se vor proiecta cu un pas polar mic.

2.6 Tipuri de generatoare

Foarte multe tipuri de generatoare au fost propuse pentru a fi utilizate prin conectare directă la turbina eoliană. Generatoarele ce vor fi prezentate în continuare pot fi legate direct la rețea sau cele cu viteză variabilă se pot conecta la rețea prin intermediul unor convertoare de frecvență. Generatoarele pot fi împărțite în generatoare excitate electric și generatoare cu magneți permanenți excitate. Generatoarele excitate electric prezentate sunt:

Generator de inducție

Generator sincron excitat electric

Generator cu reluctanță variabilă

Generatoare cu magneți permanenți:

Generator sincron cu flux radial

Generator sincron cu flux axial, cu stator toroidal sau cu stator dublu (cu două părți)

Generator cu flux transversal

Generator de inducție

În 1991 Gribnau și Kursten și în 1992 Deleroi au prezentat generatoru de inducție care poate fi

conectat direct la turbina eoliană și direct conectat la rețea, prezentat în fig.

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

a) Vedere axială completă a generatorului b) Vedere tangențială a părților active ale generatorului

Fig.II.11 Generator de inducție cu flux axial.

Generatorul cu flux axial prezentat are o singură înfășurare statorică pe circumferință. El are un diametru mare pentru a acapara o priză mare de aer, dar din moment ce segmentul statorului este fixat pe turnul turbinei eoliene, structura este simplă. Deoarece este un generator de inducție cu o bună alunecare, ungerea generatorului nu constituie o problemă pentru proiectare, chiar dacă este cuplat direct la axul turbinei. Acest tip de generator a fost proiectat de o companie Olandeză, dar se găsesc foarte puține informații despre el. Versiunea de 500 kW care are în diametru aproximativ 9 m și o turație de 40 rpm a fost prezentată de Gribnau și Kursten în 1991. Eficiența a fost estimată în jurul valorii de 80 – 85 %. A mai fost construit și testat un prototip de generator cu puterea de 150 kW. Însă eficiența acestui prototip a fost mult mai scăzută de numai 65 %.

Generator sincron excitat electric

Atât turbinele eoliene comerciale cât și cele cu generatorul cuplat direct la turbină folosesc

generatore sincrone electric excitate, cu convertoare de frecveță. Acest tip de generatore au același principiu de funcționare ca și generatoarele hidroelectrice. Se găsesc foarte puține informații despre acest tip de generatoare. Unul dintre aceste modele de generatoare a fost construit în 1994 și avea o putere de 500 kW și turația de 40 rpm. Diametrul era apoximativ de 4m și fregvența generatorului mai mică de 50 Hz. Acest tip de generator a fost folosit în 1996 în mai mult de 600 turbine eoliene.

Generator cu reluctanță variabilă

În 1994 de Haan prezintă generatorul cu reluctanță variabilă care produce 20 kW la 120 rpm.

Generatorul a fost optimizat folosind o metodă de proiectare analitică. Calculele elementului finit au fost preluate de la modelul anterior, dar aceste calcule preziceau un cuplu mult mai mare decât la modelul analitic. Partea activă a generatorului este prezentată în figura următoare:

Fig.II 12 Generator cu reluctanță variabilă.

Generator sincron cu magneți permanenți cu flux radial

În 1992 Spooner și Williamson au analizat flexibilitatea generatoarelor conectate direct la

turbină și la rețea. Scopul generatoarelor sincrone cu magneți permanenți când sunt conectate direct la rețea este de a avea o viteză constantă. Rotorul format din magneți cu un câmp magnetic ridicat a fost foarte bine cercetați la fel ca și magneții din ferite, urmărindu-se concentrația fluxului magnetic. Aceste două tipuri de generatoare sunt prezentate în figurile 2.5.4a și 2.5.4b. Statorul are o construcție convențională, dar cu un pas polar foarte mic, aproximativ 40 mm, având frecven ță de funcționare de 50 Hz fără să aibă un diametru mare.

23

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Înfasurarea este trifazată, împarțită în mai multe crestături, dar mai puțin de o crestătură pe pol și fază. Spooner și Williamson au arătat că generatoarele cuplate direct la turbină și legate direct la rețea pot fi concepute cu un diametru mic dacă se utilizează excitația cu magneți permanenți. Amândoau ă tipuri de rotoare pot fi realizate. Diferența dintre ele este că generatorul cu magneți din ferite, au concentrația fluxului rotoric mai greoaie și sunt mult mai complicate dar conduc la un generator mai mic cu o rată mai ridicată a eficienței. Generatoarele cu magneți permanenți și cu flux radial, cu stator proiectat modular, a fost prezentat de Spooner în 1994.

Fig.II. 13 Generator cu magneți permanenți cu flux radial

Stator

Fig. II. 14 Generator cu magneți din ferite cu flux radial și concentrat

Sunt menționate două probleme a modelelor propuse. Prima, variația fluxului armonicii inferioare din crestătura fracțională a înfășurării este considerată o problemă, deoarece ele pot conduce la pierderi adiționale. În al doilea rând trebuie evitate înf ășurările paralele. Motivul pentru acest lucru este că polii pot genera variații de tensiune și conduc la circulații de curenți între înfășurările paralele. Au fost construite prototipuri de generatore de acest fel însă aveau o putere prea mică. Ele au demonstrat că doar cu 0.75 crestături/ pol și fază pot genera o tensiune sinusoidală dintr-un flux

24

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

nesinusoidal și metoda folosită pentru concentrația fluxului poate utilizată pentru a gnera o densitate mare de flux din magneți de enrgie mică.

În 1996 Westlake a adus în discuție un sistem de amortizare mecanică pentru generatoarele conectate direct la rețea. Generatoarele eoliene conectate direct la turbină și legate direct la rețea trebuie să aibă neaparat un pas polar foarte mic dacă diametrul nu este mare. Sistemul de amortizare mecanică se pare a fi suficient, dar poate fi complicat și costisitor pentru a construi generatoare de putere mare.

În 1995 Lampola a prezentat un model de generator cu flux transversal cu magneți permanenți de 500 kW. Generatorul arată la fel ca și cel din fig 2.5.4a doar că nu este proiectat pentru a fi legat direct la rețea. El a fost calculat în detaliu folosind metoda elementelor finite. Unda cuplului și pierderile în rotor sunt minime folosind un pas polar de 1.5 crestături per pol și fază. Generatorele cu magneți permanenți au fost comparate cu generatoarele de inducție conectate direct la turbină. Generatoarele de inducție s-au dovedit a fi mult mai grele și mai puțin eficiente decât generatoarele cu magneți permanenți. În altă lucrare Lampola a arătat influența grupului redresor asupra ratei de putere a generatoarelor și eficienței lor. S-a demonstrat că puterea și eficiența sunt mai mici dacă generatorul se conectează la rețea prin intermediului unui redresor cu diode decât dacacă ar fi conectat cu ajutorul unei instalații de alimentre cu tensiune sinusoidală.

Generator sincron cu flux axial

În 1991 Honorati și Di Napoli iar în 1992 Carrichi au propus generatorul sincron cu magneți

permanenți și cu flux axial. Aceste tipuri de generatore arată ca și în figurile următoare:

Fig. II. 15 Generator cu flux axial, cu înfășurări toroidale ale statorului și magneții montați pe două rotoare.

25

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

a) Vedere tangențială b) Vedere radială

Fig.II. 16 Generator cu flux axial și cu stator dublu

Au fost construite două prototipuri de generatoare de acest fel având o pu tere de aproximativ 1 MW și funcționând la o tura ție de 100 rpm, prea mare pentru o turbină eoliană de 1 MW. Datorită turației ridicate, generatorul are o eficiență ridicată și o greutate scăzută. În 1993 Alatalo și Stevensson au propus un tip de generator sincron cu magneți permanenți și cu flux axial, cu statorul format din două parți. Generatorul este prezentat în figura 2.5.5b. Prototipul de 5 kW este prezentat de Alataro în 1991. Acest tip de generator are greutatea scăzută pentru nu are jug rotoric dar greutatea magneților este mare pentru că se folosesc înfăsurări întrefier.

Generator cu flux transversal și turație variabilă

În 1988 Weh a propus acest tip de generator care se poate conecta direct (fără multiplicator de turație) la turbinele eoliene. Generatorul este cu doua faze și este magnetizat de magneți permanenți cu flux magnetic concentrat. Deorece generatorul este bifazat, el nu poate fi conectat direct la rețeaua de alimentare. În schimb, este conectat la un redresor de alimentare a unui invertor trifazat. Acest tip de generator este proiectat pentru ferecvențe cuprinse între 100 – 200 Hz. Generatorul cu flux transversal are un raport ridicat al forței pe greutate, dar unul dintre dezavantaje îl constituie structura complexă.

Dacă generatorul se conectează la un redresor cu diode, densitatea forței este mică pentru a putea obține o sursă de tensiune sinusoidală din cauza inductanței mari. Dacă este conectat la un redresor cu comutație forțată, generatorul cu flux transversal este capabil să producă o densitate mai mare de forță decât generatoarele conven ționale. În figura următoare se v-a prezenta generatorul monofazat cu flux transversal.

Partea superioară

Partea inferioară

Fig. II.17 Generator monofazat cu flux transversal cu stator format din două părți.

26

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fiecare fază are statorul dublu cu înfășurări circulare pe toată circumferința generatorului. Au fost construite un număr mare de generatoare cu flux transversal, un exemplu, pentru o turbină eoliană este un generator de 5.8 kW la 195 rpm de Weh în anul 1988. Un generator de 55 kW la 78 rpm a fost prezentat în comparație cu un generator convențional tor de Weh. S-a demonstrat că greutatea generatorului de 55 kW a fost redusă la jumătate folosind modelul cu flux transversal înlocuind generatorul de inducție conectat cu ajutorl unui multiplicator de turație.

2.7 Instalația electrică a unei centrale eoliene

Sistemul electric standard pentru turbinele eoliene cu turație fixă este un generator de inducție cu colivie conectat direct la rețeaua de alimentare. Pentru a reduce cererea de putere reactivă, se instalează o baterie de condensatoare pentru a compensa golurile de curent ale generatorului. În plus este instalat un echipament cu tiristoare, automat, folosit pentru a reduce supracurenții. Pentru turbinele eoliene cu viteză variabilă, sunt posibile foarte multe soluții diferite pentru sistemul electric. Dezvoltarea componentelor semiconductoare folosite în convertizoarele sistemului electric au progresat foarte rapid. Puterea nominală convertizoarelor a crescut mult, ca rezultat au scăzut prețurile. În plus, au fost introduse redresoarele cu comutație forțată cu timpi de comutație foarte scăzuți.

Sistemul electric al turbinelor care funcționează cu viteză variabilă conține trei mari componente: generatorul, redresorul și invertorul (fig.1.5). Sistemul poate fi împărțit în două subsisteme: regresor-generator și invertor-rețea. Fiecare subsistem are cel puțin două dispozitive

alternative diferite.

Multiplicator

Rețea

Fig.II. 18 Sistemul electric pentru turbinele eoliene cu viteză variabilă de funcționare.

Sunt folosite două clase mari de generatoare: fiecare conțin generatoare sincrone (SG) sau de inducție (IG). Cele cu generator sincron pot folosi și metoda excitației: cu magneți permanenți sau cu înfășurări. Un model relativ nou de generator cu reluctanță variabilă a fost conceput, dar din păcate are un cuplu mare. Varianta comună este folosirea înfășurărilor, pentru că au avantajul controlului tensiunii pe cele trei faze; dacă terminalul tensiunii este fix, poate fi controlată puterea reactivă produsă. În ultimii ani, costurile ridicate a magneților permanenți cu eficiență ridicată au mai scăzut și generatoare cu magneți permanenți au devenit o alternativă interesantă în comparație cu generatoarele tradiționale. Când folosim magne ți permanenți, pierderile generatoarelor devin mult mai mici. Oricum, nivelul de tensiune este proporțional cu turația. Generatorul sincron poate fi conectat la un redresor cu sarcină în comutație, redresor cu diode sau redresor cu tiristori. Se observă că controlul sursei convertizoare de tensiune necesită o relație de legătură de tensiune continuă la tensiunea generatorului pentru a funcționa adecvat.

Generatoarele de inducție necesită putere reactivă pentru a funcționa. De obicei utilizatorii de generatoare de inducție folosesc surse convertizoare de tensiune, care produc putere reactivă. O altă posibilitate este folosirea resresoarelor cu diode sau cu tiristoare împreună cu o baterie de condensatore, care acoperă necesarul de putere reactivă. Din păcate, puterea reactivă variază o dată cu viteza vântului și dacă bateria de condensatoare nu a fost dimensionată corect performanțele sistemului vor fi foarte scăzute. Invertoarele sistemului sunt conectate direct la rețeaua de alimentare. În locul

27

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

invertoarelor cu tiristoare mai pot fi folosite și sursele convertizoare de tensiune (VSC). Ele pot funcționa și ca redresor și ca invertor. În unele cazuri este necesară introducerea unor convertizoare (DC/DC) pentru a ridica nivelu tensiunii pentru sursele convertizoare de tensiune. Diferitele combinații ale sistemului electric pot fi observate în figura următoare.

Direcția de circulare a energiei

Generatoare

Invertoare

Redresoare

Rețea

Fig.II.19 Diagrama pentru diferite tipuri de sisteme electrice a turbinelor cu turație variabilă.

2.8 Lagărul de legatură dintre generator și turbină

2.8.1 Lagăr cu magneți permanenți și lichid magnetic

Tehnologia suspensiei magnetice aplicate pentru turbine eoliene este o tehnologie în curs de dezvoltare. Ea a schimbat în mare măsură designul turbinelor eoliene. Lichidele magnetice (ferofluidele) sunt dispersii de particule magnetice subdomenice (∼10 nm) într-un lichid de bază. Numărul acestor particule este foarte mare, o valoare de referință fiind 1023 particule pe metru cub. Aceste lichide magnetice au proprietățile uzuale ale lichidelor, dar în plus se comportă ca un material puternic magnetizabil. Primele lichide magnetice au fost preparate în 1960 la NASA, în cadrul cercetărilor de tehnologie spațială, pentru a pune la punct un sistem de curgere controlată a combustibililor fluizi în condiții de imponderabilitate.

Sintetizarea și studiul sistematic al proprietăților lichidelor magnetice a fost început în grupul de cercetare al lui R.E.Rosensweig din SUA. Termenul de ferofluid propus de Rosensweig s-a încetățenit și în literatura de specialitate. Studiul asupra lichidelor magnetice a evidențiat o serie de fenomene senzaționale, care fac posibile noi soluționări ale problemelor din știință și tehnologie. Începând din 1970 au fost impulsionate cercet ările legate de obținerea, microstructura, proprietățile, magnetohidrodinamica și aplicațiile lichidelor magnetice, ele fiind azi folosite în numeroase dispozitive și tehnologii: în tehnica spațială, energetica nucleară, electrotehnică, geofizică, medicină, prelucrarea minereurilor neferoase.

În vederea preparării unor lichide magnetice performante, de-a lungul anilor au fost experimentate și dezvoltate numeroase procedee fizice și fizico-chimice specifice din domeniul coloizilor. Aceste procedee se disting în funcție de modul de obținere a nanoparticulelor magnetice: reducerea mecanică a dimensiunii unor materiale feri- sau feromagnetice pulverulente grosiere (măcinare coloidală); descompunerea termică a carbonililor de Fe sau Co; electrodepunere (electroliză); metode cu plasmă (evaporare/electrocondensare); coprecipitare chimică, adică obținerea nanocristalelor magnetice prin condensare chimică.

28

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

\

Fig.II.20 Lagăr cu lichid magnetic (LM)

Principalul avantaj al lagărele cu lichide magnetice față de lagărele obișnuite, îl constituie eliminarea frecării de contact dintre piesele lagărului. Funcționarea unui lagăr cu lichid magnetic are la bază principiul levitației magnetice. Levitația magnetică poate fi de două feluri: de ordinul 1 și respectiv de ordinul 2.

Levitația magnetică de ordinul 1 se produce în cazul imersării unui corp alcătuit din material de natură magnetică într-un lichid magnetic în care este stabilit (din exterior) un câmp magentic. De și densitatea corpului este mai mare decât cea a lichi dului magnetic, efectul ce se manifestă asupra acestuia este deplasarea sa pân ă la atingerea unei stări de echilibru, echilibru ce se realizează de către un câmp tridimensional de for țe. Greutatea (aparentă) a corpului este echilibrată de rezultanta unor forțe de tip magnetic.

Levitația magnetică de ordinul 2 se referă la „autolevita ția” unui magnet permanent imersat (în anumite condiții) în lichide magnetice. Denumirea de autolevitație este sugestivă și potrivită, căci sursa de câmp este în acela și timp și elementul asupra căruia se manifestă și fenomenul de levitație magnetică. În situația în care magnetul (în formă cilindrică, spre exemplu) este imersatsat într-un lichid magnetic ce ocupă o incintă cilindrică de extensie foarte mare, câmpul magnetic pe care-l creează este dispus simetric față de el și magnetul se află în echilibru, din punct de vedere al forțelor magnetice. Dacă însă magnetul este deplasat din punctul ce asigură simetria câmpului și spectrul câmpului devine nesimetric, intensitatea câmpului magnetic devine m ai mare în zonele mai îndepărtate de fostul centru de simetrie. În baza aceleiași concluzii, menționată la levitația de ordinul 1 (conform căreia presiunea de natură magnetică pe care lichidul o exercită este cu atât mai mare cu cât câmpul este mai inten s), vom constata existența unor forțe ce tind să readucă magnetul în punctul inițial.

Sistemul de stabilizare și sustinere a palelor se poate realiza prin doua metode. Metoda conventionala de sustinere a palelor este cea a folosirii rulmentilor. Aceasta prezinta dezavantajul uzurii in timp si al frecarii care reduce considerabil viteza de rotație si marește viteza la care palele se pun in mișcare. Cea de-a doua metoda mai neconventională presupune folosirea unui sistem de lagar cu electromagneti sau magneti permanenți (activi sau pasivi) care reduc frecarea la 0 si nu necesita inlocuire in timp. Există doua tipuri de lagare magnetice: orizontale și verticale.

2.8.2 Lagăre magnetice active

Lagărele magnetice active opereză în modul de atracție. Au avantajul de a suporta greutăți mari iar vibrațiile și absorția șocurilor se poate regla electronic. Dezavantajul care îl prezintă aceste lagăre este că sunt foarte scumpe și necesită sisteme complicate de control cum ar fi, aparate de procesare a semnalului digital, amplificatoare, convertoare digital-analog si analog-digital, software. De asemenea acestea sunt cu ax vertical si cu ax orizontal.

29

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig. II.21 Lagar magnetic activ

2.8.3 Lagăre magentice pasive

Lagărele magnetice nu necesită harware-ul care este necesar ca lagărele magnetice pasive să funcționeze, deci, prețul lor este mult mai scăzut. Pot sa fie construite la dimensiuni mai mici și au o rigiditate și amortizare mai mică decât cele active iar controlul vibra țiilor nu poate fi folosit. Pentru ca un lagăr magnetic să fie funcțional (să funcționeze în parametrii) trebuie să aibă o rigiditate și o amortizare a șocurilor suficient de bună. Lagărele magnetice pasive sunt cu ax vertical și orizontal.

Fig. II.22 a) lagăr magnetic pasiv cu ax orizontal. b) lagăr magnetic pasiv cu ax vertical

2.9 Soluția adoptată

Plecând de la tema de proiectare am ales soluția cu un generator eolian cu magneți permanenți. Puterea și tensiunea le-am ales în faza de proiectare plecân d de la necesarul de consum de energie a unei locuințe isolate. Sistemul de fixare și rotire, pentru a elimina pierderile prin frecare și vibrațiile mecanice și pentru o pornire și rotație la viteză scăzută a vântului, l-am ales pe lag ăr magnetic, livitație în câmp magnetic. Lag ărele magnetice aplicate generatoarelor eoliene sunt un domeniu de studiu relativ nou, eu am aplicat soluția cu magneți permanenți. Turbina are un design dublu helix, forma geometrică care se comportă cel mai bine în condiții de diferențe mari ale variației curenților de aer, în același timp nefiind necesar montarea dispozitivului de scoatere din vânt.

30

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

III. BREVIAR DE CALCUL (B.C.)

3.1 Date de proiectare

Se pleacă de la consumul tipic de energie electrică a unei locuințe izolate (cabană).

Pe an am avea nevoie de o energie electrică de:

Ean  365  Ezi  365  7,42  2708kWh (III.1)

Din tabelul III.2 în care se prezintă energia electrică produsă de o turbină de mică putere din comerț rezultă că pentru o viteză medie a vântului de 6 m/s este suficient ă o turbină eoliană de putere 1 kW, care produce anual circa 3000 kWh/an.

31

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Tab. III.2 Puterea turbinelor în funcție de viteza vântului

Generator eolian se va proiecta cu datele și caracteristicile din tabelul III.3

Tabelul III.3 Date de proiectare

În figura III.1 se prezintă schema generală a sistemului eolian de proiectat.

32

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig III.1 Tipul turbinei eoliene.

Se proiectează doar generatorul, urmând ca palele rotorului turbi nei să fie cumpărate de la o companie producătoare de pale.

3.2 Proiectare turbină eoliană

Din expresia puterii electrice a turbinei eoliene:

Se calculează secțiunea de vânt din baleiata de elice:

Pentru Pn=1000W, Cp=0.3,  =1.3 kg/m3 , densitatea aerului, vn=10 m/s se obține:

33

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig. III.2 Vedere ansamblu turbină

Specificații tehnice:

Materialelul palelor este din fibră de sticlă compozită sau PVC care este cel mai des întâlnit material folosit de producători;

Recomandat pentru 1000W și mai mult;

Tratat cu un material protector împotriva UV și a apei;

Diametrul Palelor : 1m;

Înălțimea 2 m;

Viteza de pornire: 2.4m/s;

Greutate: 100 Kg;

Diametrul axului care va susține flanșa va fi de 23.4mm.

Turbinele eoliene verticale au avantaje importante care recomandă utilizarea lor, în detrimentul turbinelor cu ax orizontal, mai ales în zone cu potențial eolian redus, și anume: produc energie în condiții de vânt redus sau cu caracter turbulent, ofer ă cuplu mare la pornire și nu necesită mecanisme de orientare. Pentru o exploatare cât mai fructuoas ă a acestor avantaje este importantă găsirea unor soluții pentru îmbunătățirea eficienței acestui tip de turbine.

Designul optim al rotoarelor cu ax vertical, în vederea creșterii coeficientului de performanță al acestora, este, încă, în stadiu de cercetări. Date fiind condițiile eoliene din România, turbinele eoliene cu ax vertical de rotație, în special rotorul Savonius și diferite variante ale acestuia sunt foarte potrivite pentru generarea de electricitate, dacă luăm în considerare parametri de funcționare a acestora și regimul eolian din țara noastră.

Turbinele cu ax vertical au cea mai bună eficiență de conversie a energiei eoliene în energie utilă, în cazul în care viteza periferică a rotorului are valori apropiate de 1, deci dacă vârful palei se mi șcă cu o viteză egală cu viteza curentului de aer.

34

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Figura III.3 Energia anuală generată în funcție de viteza vântului

3.3 Proiectare Lagăr Magnetic

Fig.

III.4 Detaliu Lagăr de susținere a palelor

Am ales soluția proiectării unui lagăr magnetic pentru susținerea turbinei datorită eficienței acestor mecanisme față de cele convenționale. Reducerea frecării la o turbină eoliană reprezintă un avantaj important deoarece aceasta reacționează la cea mai mica adiere de vânt. Tipul de magne ți

35

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

folosiți în lagăr se pot cumpara de la firma „supermagnete”(www.sup ermagnete.de) care produce discuri magnetice la comanda în funcție de cerințele clientului. Astfel am ales un numar de 2 magneți disc de 113mmx5mm care susțin greutatea turbinei și un numar de 4 magneți tubulari 2 magneți 38mm, (D=33mm, d=25), 2 magneti (38mm D=42,9mm d=34,9mm) care asigura stabilitatea axului pentru a reduce frecarea pân ă la 0. Carcasa este constituită din aluminiu de 5mm grosime.

Tabelul III.4 Caracteristici fizice ale magnetului

Tabelul III.5 Mageți Permanenți aflați în stoc

36

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

3.4 Proiectare Generator

Am ales soluția proiectarii unui generator sincron cu magneți permanenți cu flux axial, având construcția prevazută în Fig. III.5

3

4

7

6

2

1

5

Figura III.5 Generator sincron, Vedere laterală:, 1-Rulment ax, 2-Ax, 3-Suport stator, 4-Stator, 5-Suport rotor, 6-Magneți, 7-Disc suport magneți.

3.4.1 Calculul magnetic al generatorului A. Alegerea tipului de magneți.

În tabelul III.4 și III.5 se prezintă tipurile de magneți care se pot cumpăra din România [1].

Din acest tabel am ales magnetul permanent de tip Q-40-20-10-N din NdFeB cu caracteristicile magnetice prezentate în Tabelul III.4.

Tabelul III.6 Mageți Permanenți

37

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

38

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

B. Calculul numărului de magneți

Fig III.6 Detaliu privind poziția magneților permanenți față de bobinele statorului

Unde k  0.6  1 , atunci:

E  4.44  f  N  Bm  Ab

Dar Ab  Am , atunci rezulta:

P  E  I a   4.44  f  N  k  Bm  Am  I a 

(III.8)

(III.9)

(III.10)

(III.11)

39

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Aplicând legea circuitului magnetic cu câmpul  obținem:

Unde „Um” este nr de magne ți:

Unde k0  0.5 coeficient de incertitudine.

Pentru coeficientul de dispersie magnetică k  0.3 ;

f  50Hz ;

Am  40  20 106 m2 ; lm  10mm ;

g  t  20  10mm2 ;

2 2   0.6 ;

Bm  H m  (Bm  H m )max 167 103 A / m ; 2

Se pot construi următoarele forme de alternator:

Tabelul III.8 Forme constructive

(III.12)

(III.13)

(III.14)

(III.15)

(III.16)

40

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Din acest tabel alegem structura cu 16 magneți și 12 bobine cu 4 bobine pe fază, care este cea mai apropiată de 13 magneți calculați.

Fig. III.7 Aranjarea magneților pe disc

Vom avea N1 =4 bobine pe faza.

3.4.2 Calculul electric

La un număr de 16 magneți pe un rotor se recomandă 12 bobine pe stator, adică la o înfășurare trifazată vom avea 4 bobine pe fază.

Presupunem m  cos(t) , atunci tensiunea indusa pe faza va fi:

E f  4  2  f  N1  kw1  f (III.17)

Din tabel alegem datele corespunzătoare generatorului de 1kW, după un generator din comerț.

Tabelul III.9 Caracteristicile generatoarelor în funcție de putere

Din

m  B0  Am  0.65T  40  20 106  5.2 104 Wb (III.19)

41

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Impunem f= 20 Hz, atunci pentru o bobină avem nevoie de :

Solenația unei bobine va fi:

Fig III.8 Vedere frontala si sectiunde a unei bobine

42

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig. III. 9 Bobine executate manual

Similar cu rotorul se proiectează și un statorul cu 12 bobine.

Fig. III.10 Vedere frontal- laterală și secțiunea prin stator

3.5 Avantajele turbinei verticale

Turbinele cu ax vertical au mai multe avantaje față de cele convenționale cu ax orizontal. Unul din avantajele majore este că aceasta nu pierde energie atunci când se orienteaz ă după directia vântului deoaere reacționează atunci când vântul bate din orice directie. Spa țiul care il ocupă turbina cu ax vertical este mult mai mic față de spațiul ocupat de turbina cu ax orizontal deci pot fi puse mai multe într-un spațiu mai mic. Datorită folosirii lagărului magnetic în defavoarea lagărului convențional frecarea este redusă foarte mult și turbina reacționează la viteze foarte mici ale vântului.

43

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig. III.11 Diferite dispuneri ale turbinei (pe stâlp, pe acoperisul cl ădirilor)

Fig. III.12 Frontul de aer pentru turbină verticală și turbină orizontală

Fig. III.13 Vederi de ansamblu

44

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig III.14 Turbina cu echipamentele electronice

45

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Fig. III. 15 Schema electrică

46

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

IV. CAIET DE SARCINI (CS)

4.1 Caracteristici tehnice și funcționale minimale și obligatorii

Prin lucrarea de față am dorit implementarea unui sistem eolian în care o componentă importantă este integrarea unei turbine eoliene de mică putere în vederea alimentării cu energie electrică a locuințelor izolate și eventual integrarea într-un sistem complex de energii regenerabile complementare. De asemenea am gândit acest tip de g enerator cu posibilități de folosire în sisteme de irigații la ferme izolate, iluminat public, sisteme de monitorizare, etc.

Cerințe de lucru

funcționare în mediul exterior;

eficiență ridicată la viteza mică a vântului;

furnizare de curent monofazat pentru consumatori de maxim 2kW;

capacitate de a încărcare în acumulatori (sistem de tip stand alone).

Cerințe generale

Generatorul eolien independent va avea o putere nominală de 1000 W și va fi dotat turbină, un set de acumulatori, invertor și accesorii de montaj (suport turbină, cabluri de curent, conectori și tablouri electrice).

4.2 Cerințe tehnice minime

4.2.1 Specificații tehnice generale

Generatorul eolian independent de 1000W trebuie să aibă o eficientă ridicată la o viteză redusă a vântului și să asigure alimentarea unor consumatori electrici monofazați cu puterea maximă de 2 kW. Se va asigura protecția generatorului la supratensiuni atmosferice, scurt circuit, supraîncărcare, supradescărcare și funcționare instabilă (accelerări urmate de frân ări bruște). Sistemul va fi prevăzut cu întreruptor de urgență pentru oprirea generatorului pe timpul lucrărilor de întreținere sau de montare/demontare care va întrerupe tensiunea de la ieșirea generatorului și îl va trece în regim de frânare.

Stocarea energiei se va face în seturi de acumulatori. Protecția bateriilor de acumulatori va fi asigurată prin:

decuplarea automată a consumatorilor dacă nivelul capacității setului de acumulatori scade sub 30%, pân ă când capacitatea setului de acumulatori ajunge la cel putin 50% din capacitatea maximă.

Funcție de deviere si descărcare a puterii pe o sarcină rezistivă, pentru protecția setului de acumulatori la supraîncărcarea sistemul.

4.2.2 Specificatii tehnice invertor

Ieșirea de curent alternativ (sarcina):

Putere de ieșire in regim continuu: minim 1,2 kW

47

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Tensiune de ieșire : 230 V;

Frecvența nominală = 50 Hz

Curentul nominal: minim 5,2 A

Intrarea de curent continuu (baterie):

Tensiunea nominala a bateriei: 48 V

Curentul maxim in regim continuu: minim 12 A;

Capacitatea bateriei: 100 Ah… 10000 Ah;

Parametri Generali

Prevăzut cu:

ecran de afișaj și comandă la distanță;

funcții de protecție a bateriei la supradescărcare, supraânc ărcare, comanda automată a cuplării și decuplării sarcinii în funcție de starea de încărcare a bateriei;

separator manual cu sigurante fuzibile pentru protecția bateriei la scurt-circuit;

Eficienta minima: 93%;

Temperatura de lucru: cel puțin în intervalul -25°C …+60°C;

Clasa de Protecție: IP54 sau echivalent;

Interfața de comunicații: RS485 sau Bluetooth (sau similar).

Specificatii tehnice set de acumulatori

Tip baterie: etanșă, fără întreținere;

Tip separatoare: fibră de sticlă (AGM) sau similar ca performanță;

Tensiune nominală set de acumulatori: 48 V;

Capacitatea nominală a bateriei: min. 1000 Ah;

Durata de viață în regim tampon: minim 12 ani;

Rastel montaj: inclus;

Specificatiile tehnice ale tablourilor electrice Clasa de protecție: minim IP65 sau echivalent;

Specificatii tehnice suporți generator eolian

Tip: pentru acoperiș plan prevăzut cu ancore

Înălțimea minimă: 2,7m

Material: rezistent la coroziune atmosferică

Alte cerințe

Se va completa în mod obligatoriu un tabel cu următoarea configurație:

48

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Se completează în coloana Cerința minimă toate cerințele precizate in Cap. Cerințe tehnice minime

Se completează în coloana Ofertat cu caracteristica/valoarea ofertată.

Cerințele tehnice ale produselor ofertate trebuie susținute de documentații, de exemplu: prospecte, file de catalog, standarde recunoscute pe plan internațional, documente emise de organisme internaționale abilitate să efectueze teste comparative etc. În coloana Corespondența cu documentația, se vor menționa explicit documentațiile în care se regăsesc caracteristicile/valorile ofertate.

Toate echipamentele vor fi instalate conform solicitării autorității contractante;

Toate echipamentele vor fi testate, dupa instalare, în scopul demonstrării funcționalităților solicitate în caietul de sarcini;

Oferta va include toate accesoriile necesare montării echipamentelor;

Nu se acceptă oferte echivalente;

Garanția solicitată, pentru toate sistemele și echipamentele, va fi de minim 2 ani, dacă nu este menționat explicit alceva.

Cantități

49

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Perioada și condițiile de livrare

oferta financiară trebuie să respecte condiția Incoterms DDP (Delivery Duty Paid) pentru echipamente provenite din afara UE, respectiv DDU (Delivery Duty Unpaid) pentru cele din UE;

livrarea se va face cu mijloacele de transport ale furnizorului la locul de destinație finală a echipamentului – Institutul ICDT al Universitatii T ransilvania din Brasov, Str. Institutului nr. 10;

descărcarea, manevrarea/manipularea pân ă la locul de punere în funcțiune se va face de către furnizor;

livrare în maxim 2 luni de la data semnării contractului, dar nu mai tarziu de 30.07.2013.

Notă:

costurile privind livrarea, manipularea și instalarea echipamentelor vor fi incluse în propunerea financiară a ofertantului pentru fiecare lot.

Modalitatea de plată

plata se va realiza integral de către beneficiar, în maxim 90 de zile de la data semnării procesului verbal de predare-primire și punere în funcțiune a echipamentelor la parametrii prevăzuți în ofertă;

valoarea estimata contract: 6000 lei fără TVA

Perioada de valabilitate a ofertei

perioada de valabilitate a ofertei: 90 zile de la termenul limită de depunere a ofertelor.

Termen de garanție

minim 24 luni începând cu data semn ării procesului verbal de predare-primire și punere în funcțiune la parametrii prevăzuți în ofertă.

Specificația tehnică din partea producătorului

ofertantul va face dovada respectării cerințelor solicitate (sau superioare) ale echipamentelor ofertate, prin documentație originală a producătorului;

toate caracteristicile tehnice (minime și evaluabile), cuprinse în caietul sarcini, vor fi susținute prin fise de catalog, broșuri, specificație de livrare, specificație detaliată produse, emise de producător. În cazul în care unele caracteristici tehnice nu se regăsesc în aceste documente, ele pot fi susținute cu manualele de operare/service emise de producător;

documentele de susținere a caracteristicilor tehnice (fișe de catalog, broșuri, specificație detaliată produse, emise de producător, etc) vor fi prezentate în limba român ă sau engleză;

la livrarea echipamentelor se vor preda beneficiarului: cartea tehnica, manualul de operare, licențele în original (pe suport electronic CD/DVD) care să permită reinstalarea software, certificatul de garanție al echipamentului și alte documente necesare operării și funcționarii.

Scrisoare de garanție din partea ofertantului / producătorului

scrisoare de garanție din partea ofertantului / producătorului către beneficiar, dedicată pe modelul oferit de echipament, din care să rezulte că produsul este unul nou, nu este un produs demo sau refuzat de către alt beneficiar, nu este reconstruit și nu conține componente (subansamble) remanufacturate și nu a fost utilizat în prezentări, expoziții, târguri etc.

50

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

4.5 Controlul calității

Verificarea calității are următoarele aspecte:

Verificarea randamentului produs de generatorul electric după ce a fost realizată conversia, prin măsurarea tensiunii produse, cu ajutorul unui multimetru;

Verificarea amplasării captatorului eolian, ținând cont de condi țiile meteo. Sistemul trebuie amplasat întru−un punct unde este captat ă o putere a vântului de minim 3 m/s;

Verificarea cablurilor electrice conectate la bobină, respectiv la LED pentru a nu fi în scurtcircuit;

Verificarea axului ce se rotește în jurul suportului, pentru a evita eventualele frecări ce ar duce la frânarea sistemului. În aceast ă situație se va putea unge axul cu ulei pentru a înlesni oscilația.

Măsuri de protecție a muncii

Se respectă normele de protecția muncii în instalații electrice și în special cele împotriva electrocutării.

4.6.1 Protecția împotriva electrocutării prin atingere directă

Pentru a se evita accidentele prin electrocutare la atingeri directe, se iau următoarele măsuri de protecție:

Inaccesibilitatea la atingeri întâmpl ătoare, realizată prin:

izolarea electrică a tuturor elementelor conducătoare de curent care fac parte din circuitele curenților de lucru;

utilizarea de carcase de protecție, fixate sigur pe suporturi;

amplasarea la înălțimi inaccesibile în mod normal;

folosirea de blocări electrice sau mecanice care să nu permită accesul persoanelor neautorizate;

Mijloace pentru protecția personalului, care se împart în următoarele categorii:

mijloace de protecție electroizolante care să protejeze personalul împotriva electrocutărilor prin izolarea față de părțile aflate sub tensiune;

mijloace de protecție cu rol de a verifica prezența sau lipsa de tensiune;

mijloace de protecție contra apariției accidentale a tensiunii la locul de muncă;

mijloace cu rol de avertizare și semnalizare vizuală;

Tensiuni reduse de alimentare a utilajelor.

Izolarea suplimentară de protecție.

Protecția împotriva electrocutării prin atingere indirectă

Elementele instalațiilor care în mod normal nu sunt sub tensiune, dar care pot intra sub tensiune datorită unui defect, vor fi prevăzute cu una sau mai multe măsuri de protecție în funcție de:

tipul rețelei de alimentare (cu neutral izolat față de pământ sau cu neutral legat la pământ);

tensiunea nominală de lucru;

tipul echipamentului electric;

locul de amplasare al utilajului electric.

În cazul rețelelor cu neutral legat la pământ, se va aplica una din urm ătoarele măsuri principale:

protecția prin legare la nul;

alimentarea la tensiune redusă sau separarea de protecție, pentru echipamentele mobile sau portabile;

și una din următoarele măsuri suplimentare:

51

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

legarea la pământ de protec ție;

izolarea suplimentară de protecție;

egalizarea sau dirijarea distribuției potențialelor;

deconectarea automată în cazul apariției unei tensiuni periculoase de defect sau a unui curent periculos de defect;

folosirea mijloacelor individuale de protecție, pentru echipamente mobile sau portabile. În cazul rețelelor cu neutral izolat față de pământ se aplic ă concomitent următoarele măsuri de

protecție:

legarea la pământ de protec ție;

controlul permanent al rezistenței de izolație a rețelei față de pământ, cu deconectarea sectorului defect și semnalizarea acustică sau optică a scăderii nivelului de izolație sub

valoarea de 8 kΩ/fază pentru rețelele de 3  400V și 4kΩ/fază pentru rețelele de 3  230V ;

egalizarea sau dirijarea distribuției potențialelor;

deconectarea rapidă a punerilor duble la pământ.

52

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

NOTIȚĂ TEHNICĂ (N.T.)

Destinația și descrierea produsului

Instalația eoliană cu generator sincron cu magneți permanenți cu flux axial va fi montată la o locuință izolată și va deservi la alimentarea locuinței cu energie electrică.

Turbina eoliană de 1 kW se va amplasa la o înălțime corespunzătoare și va debita energie pe un tranformator. Aici energia va fi strâns ă în acumulatori electrici.

Celelalte elemente ale instalației eoliene, acumulatorii, regulatorul de încărcare a acumulatorilor, invertorul și echipamentele de protecție și comutație se vor instala într-o încăpere special amenajată.

5.2 Modul de funcționare

Turbina eoliană alimentează bateriile de acumulatori, iar aceștia alimentează o sarcină de curent alternativ, prin intermediul invertorului. Tabloul electric de forță și comandă asigură cuplarea consumatorilor și protecția acestora la supratensiuni și/sau suprasarcini respectiv la defecte interne ale echipamentului electric.

Tabloul electric de forță și comandă asigură următoarele comenzi:

PORNIREA:

generatorul eolian începe producerea curentului electric prin rotire numai dacă condițiile de vânt sunt optime func ționării, adică între limitele impuse de domeniul de viteze al vântului (viteza minim ă de pornire și viteza maximă la care turbina este frânat ă);

după pornirea turbinei aceasta va alimenta acumulatoarele;

energia de curent continuu este convertită cu ajutorul invertorului în energie de curent alternativ;

prin intermediul invertorului, care se alimentează din acumulatori, se va alimenta o sarcină de curent alternativ.

OPRIREA NORMALĂ:

când nu exist ă sarcină electrică și acumulatoarele sunt încărcate, regulatorul de încărcare va cupla generatorul eolian pe rezistența de sarcină (dump load sau diverse load) și turbina va fi frânat ă;

în caz de viteză prea mare a vântului când tura ția turbinei ajunge la valori periculoase regulatorul de sarcină scurtcircuitează generatorul care va frâna puternic turbina;

turbina eoliană este automat oprită.

OPRIREA DE AVARIE:

are loc dacă au acționat protecțiile , la apariția unui defect intern , la căderea rețelei sau la comandă manuală (de serviciu);

se comandă deschiderea întrerupătorului;

se asigură semnalizările optice și acustice la inițierea secvenței de oprire de avarie.

53

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

Funcțiile echipamentului de forță și comandă :

o alegerea regimului de comandă manual sau automat; o comenzile de pornire/oprire normală și de avarie;

o măsurarea parametrilor electrici tensiune și curent;

protecția la :

supratensiuni; supracurenți; ambalare.

o semnalizare optică și acustică a avariilor.

Toate secvențele de comandă și protecție sunt asigurate de un automat programabil.

Defecte posibile și mod de depanare

5.3.1. Turbina eoliană nu pornește

Cauze: -posibil să nu fie suficientă putere de alimentare și atunci sistemul nu va funcționa normal, sau dacă există suficientă putere posibil să nu fie conectate corect cablurile electrice între invertor și baterii .

Remediere: -se verifică dacă invertorul este conectat corect la baterii.

5.3.2. Vibrații și zgomote în timpul funcționării

Cauze: -slăbirea fixării pe fundație a turbinei și generatorului; -centrarea defectuoasă a generatorului în raport cu turbinele; -palete rupte la turbină.

Remedieri:-se verifică eventualele rupturi și îndoiri ale ancorelor și structurii de bază; -se verifică centrarea și se reface în cazul unor abateri de la coaxialitate; -se demontează turbinele și se verifică starea paletelor.

5.3.3. Generatorul funcționează, dar nu generează energie electric

Cauze: -funcționarea defectuoasă a regulatorului de turație;

Remediere: – se verifică funcționarea regulatorului de turație și se înlocuiește în caz de defect.

5.3.4. Bateriile nu se încarcă

Cauze: -turbina eoliană nu funcționează la viteze prea mari sau prea mici ale vântului;

Remediere: – dacă rotorul turbinei funcționează, dar bateriile nu se încarcă, atunci se deconectează cablurile electrice care fac legătura între generator, baterii și regulatorul de încărcare și se verifică tensiunea de ieșire a generatorului cu ajutorul unui voltmetru; dacă tensiunea este bună se vor verifica dacă bateriile sunt în stare bună de funcționare; se verifică conexiunea intre generator și baterii.

54

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

VI. DOCUMENTAȚIA ECONOMICÃ (D.E.)

6.1. Lista de material

Tabel VI.1 Lista de materiale

.2. Fișa de mano peră direc tă

abel VI.2 Fișă de mano peră

6.3. Deviz estimativ

Tabel 6.3 Deviz estimativ

55

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

56

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

VII. CONCLUZII

Un generator cu flux axial este o opțiune bună dacă se urmărește minimizarea costurilor de producție și o eficiență ridicată. Datorită faptului că acest generator eolian functionează la viteză scăzută este ideal în conversia energiei eoliene în energie electrică în special pe plan local la locuințe individuale. Un generator eolian cu flux axial poate ajunge pân ă la o putere de ordinul MW, totuși de menționat că cea mai bună și eficientă utilizare a acestor generatoare este la puteri de ordinul kW. Generatoarele cu magneți de putere mare montați pe suprafața rotorului vor avea un randament aproximativ egal cu cel al generatoarelor cu flux radial care pot fi achiziționate de la producător, totuși costurile de proiectare și producție nu sunt cu mult mai scăzute.

Acest tip de generator propus în această lucrare de disertație este promițător pe viitor deoarece va fi nevoie din ce în ce mai mult de forme de energie alternativă pentru a satisface necesarul global de energie electrică și datorită faptului că combustibilii fosili cu ajutorul cărora se producea energie electrică se vor epuiza într-un viitor nu foarte indepărtat. Dezvoltarea acestor noi tehnologii în combinație cu tehnologiile dezvoltate în celelalte forme de energie alternativă, energia solară, energia mareelor, fuziunea nucleară și multe alte metode alternative de producere a energiei electrice, promit să înlocuiască metodele actuale de producere a energiei. În ceea ce privește proiectarea generatorului ales în lucrarea de disertație există aspecte care ar trebui investigate în continuare pentru o și mai bună eficiență. Unele părți ale metodei de design pot fi de asemenea îmbunătățite pentru a spori precizia.

BAIA MARE 20 IULIE 2013

57

GENERATOR EOLIAN CU TURBINĂ VERTICALĂ PE LAGĂR MAGNETIC – BORDAN

VIII. BIBLIOGRAFIE

Jacek F. Gieras; Rong-Jie Wang; Marten J. Kamper. „ Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines”.KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS

NEW YORK, BOSTON, DORDRECHT, LONDON, MOSCOW, 2005

Comșa D., Darie S., Maier V., Chindriș M. – Proiectarea instalațiilor electrice industriale, Ediția a II-a. București, EDP, 1983

Darie S., Vădan I., – Producerea, Transportul și Distribuția Energiei Electrice, Instalații pentru producerea energiei electrice, Editura UTPRES, Cluj-Napoca, 2000

Dunnett S., Khennas S., Piggott H. – Small wind systems for battery charging- a guide for development workers, 2001

Ilie V., László A., Nedelcu V., Borzași D., Luncă G., Gábor M. -Utilizarea energiei vântului, Editura TEHNICĂ, București, 1984

Joliet Technology SL, www.joliet-europe.com

Maghiar T. – Surse noi de energie, Editura MEDIAMIRA, 1996

Vădan I. – Energetică generală și conversia energiei, Editura MEDIAMIRA,

Danish Energy Agency, 1999. “Wind Power in Denmark – Technology, Policiesand Results.” Risø National Laboratory, Roskilde

American Wind Energy Association (A.W.E.A.), (n.d). “Comparative Cost of Wind and Other Energy Sources.” Retrieved June 04, 2004

Anders Grauers. „Design of direct-driven Permanent- magnet Generators for Wind Turbines”

Hugh Pigott; „PGM construction manual”, Scotland, C.A.T Publications.

Hugh Pigott; „How to build a wind turbine”, Scotlan d, C.A.T Publications, 2003

Hugh Pigott; „Windpower Workshop”, Scotland, C.A.T Publications.

Super magnets; „http://www.supermagnete.de”

Windmax; „http://www.greenpower4less.com/”

Wind Power; „http://windpower.org.za/”

Wind Stuff now; http://www.windstuffnow.com/main/

Wind Gen Kits; http://www.windgenkits.com/

Scoraing Wind Electric; http://www.scoraigwind.com/

Helix wind turbine; http://www.helixwind.com/

http://www.earth-policy.org/indicators/C49

http://www.energies-renouvelables.org/observ-er/stat_baro/observ/baro-jde12.pdf

Latest barometers released

http://www.utgjiu.ro/revista/ing/pdf/2012-3/1_Lucian%20RUS.pdf

58

BIBLIOGRAFIE

Jacek F. Gieras; Rong-Jie Wang; Marten J. Kamper. „ Axial Flux Permanent Magnet Brushless Machines”.KLUWER ACADEMIC PUBLISHERS

NEW YORK, BOSTON, DORDRECHT, LONDON, MOSCOW, 2005

Comșa D., Darie S., Maier V., Chindriș M. – Proiectarea instalațiilor electrice industriale, Ediția a II-a. București, EDP, 1983

Darie S., Vădan I., – Producerea, Transportul și Distribuția Energiei Electrice, Instalații pentru producerea energiei electrice, Editura UTPRES, Cluj-Napoca, 2000

Dunnett S., Khennas S., Piggott H. – Small wind systems for battery charging- a guide for development workers, 2001

Ilie V., László A., Nedelcu V., Borzași D., Luncă G., Gábor M. -Utilizarea energiei vântului, Editura TEHNICĂ, București, 1984

Joliet Technology SL, www.joliet-europe.com

Maghiar T. – Surse noi de energie, Editura MEDIAMIRA, 1996

Vădan I. – Energetică generală și conversia energiei, Editura MEDIAMIRA,

Danish Energy Agency, 1999. “Wind Power in Denmark – Technology, Policiesand Results.” Risø National Laboratory, Roskilde

American Wind Energy Association (A.W.E.A.), (n.d). “Comparative Cost of Wind and Other Energy Sources.” Retrieved June 04, 2004

Anders Grauers. „Design of direct-driven Permanent- magnet Generators for Wind Turbines”

Hugh Pigott; „PGM construction manual”, Scotland, C.A.T Publications.

Hugh Pigott; „How to build a wind turbine”, Scotlan d, C.A.T Publications, 2003

Hugh Pigott; „Windpower Workshop”, Scotland, C.A.T Publications.

Super magnets; „http://www.supermagnete.de”

Windmax; „http://www.greenpower4less.com/”

Wind Power; „http://windpower.org.za/”

Wind Stuff now; http://www.windstuffnow.com/main/

Wind Gen Kits; http://www.windgenkits.com/

Scoraing Wind Electric; http://www.scoraigwind.com/

Helix wind turbine; http://www.helixwind.com/

http://www.earth-policy.org/indicators/C49

http://www.energies-renouvelables.org/observ-er/stat_baro/observ/baro-jde12.pdf

Latest barometers released

http://www.utgjiu.ro/revista/ing/pdf/2012-3/1_Lucian%20RUS.pdf