Costurile energiei eoliene debitată: off-shoreon-shore [306186]

CUPRINS

CAPITOLUL 1. STUDIUL TURBINELOR EOLIENE FIXE ȘI MOBILE

Costurile energiei eoliene debitată: off-shore/on-shore

Costul cablurilor și fundațiile din largul mării sunt principalii doi factori majori care influențează puternic costul investiției. [anonimizat] 1,5-2 ori decât o [anonimizat]. Costurile conectării la rețea sunt în mod uzual cu 25% [anonimizat].

Totuși dacă are loc o [anonimizat] o scădere a costurilor cu cel puțin 40% pe următorii 20 de ani,.

[anonimizat]-shore, sunt în Sulina și Capul Midia. [anonimizat] a [anonimizat]. [anonimizat].

[anonimizat]-shore este format din mai multe turbine eoliene ancorate în amplasament sub diverse moduri. Elementele definitorii ale acestui lucru vor fi studiate în acest capitol și sunt structurate astfel:

– turbinele eoliene;

– piloni pentru turbine eoliene;

– fundațiile;

– racordarea la rețea.

[anonimizat]:

– acțiunea valurilor asupra structurii.

– coroziunea pronunțată: mediu salin etc.

– funcționarea la viteze mari ale vântului (condiții extreme: rafale, îngheț etc.)

[anonimizat]-[anonimizat], [anonimizat] o [anonimizat]. Oricum, [anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat] 30% [anonimizat], se impune creșterea puterii nominale a turbinelor cât mai mult popsibil. Acest lucru duce la:

– reducerea costului specific pe unitatea de putere;

– creșterea producției de energie electrică (determinată, [anonimizat]-shore și de creșterea diametrelor palelor rotorice).

Fundațiile turbinelor eoliene (figura 4.2) pot fi de mai multe tipuri:

– monopilă;

– greutate suport (beton, oțel);

– cheson (mono sau tripod).

– multipilă (tripod);

Figura 1.1. [anonimizat], se detaliază câteva avantaje și dezavantaje ale acestor tipuri de fundații.

Tabelul 1.1.

[anonimizat] (figura 1.2.) – instalațiile sunt amplasate la adâncimi până la 10 m.

Figura 1.2. Fundație monopilă

Pilonul este introdus în sol prin presare/vibrare. În situația unui sol tare se execută o forare preliminară. [anonimizat] 3 m – 5 m și se introduce în sol la o adâncime de 18 m – 25 m.

[anonimizat] (figura 1.3.) se pretează pentru adâncimi de peste 15 m.

Figura 1.3. Fundație de tip multiplă (tripod)

[anonimizat], [anonimizat]. Este cea mai economică fundație pentru ape mai adânci și zone lipsite de eventualul impact cu ghețuri.

Fundațiile de tip gravitațional (figura 4.4.) sunt realizate sub forma unei mase compacte de beton amplasate pe fundul mării, la adâncimi de până în 50 m.

Partea din structură care iese din apă are o formă apropiată de conică pentru protejare la impactul cu eventualele sloiuri de gheață. La partea superioară, pe o platformă, se montează turnul turbinei eoliene.

Fundația de tip plutitoare se poate folosi pentru adâncimi mari de peste 100 m. Soluția are unele avantaje:

– costuri mici pentru demontare/dezafectare.

– reducerea costurilor de investiție și întreținere;

Figura 1.4. Fundație gravitațională din beton

Principalul dezavantaj este generat de problemele datorate interacțiunii platformă – fundație – turbină eoliană, în condiții de vânturi și valuri extreme și dificultăți privind ancorarea structurii.

Conectarea la sistem a acestor turbine, nu poate fi făcută decât prin cablu submarin. Soluția tehnică de racordare la această rețea (de regulă de 110 kV/220kV/400 kV), prin cablu submarin, trebuie să fie cât mai ieftină și să asigure pierderi minime de energie.

Cea mai uzuală schemă este prezentată în figura 1.5.

Figura 1.5. Exemplu de conectare la rețea a unui parc eolian off-shore de 600 MV

Conform acestei scheme, ieșirea din transformatorul turbinei eoliane este cuplată printr-un cablu submarin la o substație electrică aflată pe mal. Fiecare turbină eoliană este prevăzută cu transformatorul propriu și se cuplează împreună cu celelalte turbine din ferma eoliana off-shore la o stație de transformare. De la această stație, energia electrică este transportată prin cablu submarin până la mal, unde, printr-o stație de tranziție, se cuplează la substanția de înaltă tensiune 110 kV/220 kV/400 kV în vederea racordarii la linia electrică onshore din zonă.

CAPITOLUL 2. SITUAȚIA ACTUALĂ ȘI TENDINȚE PRIVIND UTILIZAREA ENERGIEI EOLIENE

2.1.ENERGII REGENERABILE. INFORMAȚII GENERALE

2.1.1. Efectele schimbării climatice

Datorită activității umane, concentrația de gaz cu efect de seră a crescut începând cu perioada preindustrială (1750-1800). Creșterea efectului de seră ridică temperatura la nivel globa a planetei.

Gazul de seră cu ponderea cea mai ridicată este bioxidul de carbon (CO2), a cărui concentrație a crescut cu 30% încă din era preindustrială. Efectele combinate ale tuturor gazelor cu efect de seră (CO2, metan, ozon, …) sunt echivalente cu o creștere a CO2 cu 50% față de acea perioadă. Temperatura medie a scoarței terestre a crescut cu 0,6°C față de anul 1860. Conform diferitelor statistici, dacă planul de consum și filierele energetice nu vor fi modificate în anul 2100 temperatura va înregistra o creștere între 1,5 și 6°C. Ca și consecință, această creștere considerabilă este însoțită de o creștere a nivelului mării de la 20 cm la 1 m. Dacă modificarea climatului se dovedește ireversibilă, reducerea acestei evoluții este însă posibilă, prin diminuarea semnificativă a emisiilor de gaze cu efect de seră.

Solurile, arborii și oceanele care reprezintă absorbanții naturali de CO2, nu vor mai fi capabili să absoarbă decât puțin peste jumătate din cantitatea de CO2 produsă de activitatea umană (nivelul din 2000). Pentru a stabiliza concentrația de CO2 la nivelul actual, trebuie deci redusă urgent emisia de gaz între 50% … 70%. Este imposibil să se realizeze brusc această reducere, dar trebuie să se acționeze urgent, deoarece ne găsim în fața unei probleme cumulative. Deoarece, durata de viață a bioxidului de carbon în atmosferă este de ordinul secolelor, sunt necesare mai multe generații pentru obținerea stabilizării concentrațiilor de CO2 la un nivel acceptabil.

CO2-ul este produs prin arderea tuturor combustibililor fosili: petrol, cărbune și gaz. Reziduurile de CO2 generate de arderea cărbunelui sunt de aproximativ două ori mai mari decât cele datorate gazului natural, cele corespunzătoare petrolului aflându-se între cele două.

La începutul anilor 2000, repartiția pe sectoare a emisiilor de CO2 în lume a fost următoarea:

producția electrică 39%,

transport 23%,

industrie 22%,

locuințe 10%,

alte domenii 4%

agricultură 2%.

Această repartiție este foarte diferită de la o țară la alta. De exemplu, în Franța, unde numai o zecime din electricitate este produsă pe bază de combustibili fosili, sectorul de transporturi are ponderea cea mai ridicată, fiind de 40% din CO2 emis în atmosferă.

2.1.2. Creșterea cererii de energie

În 2000, consumul energetic mondial a fost de ordinul a zece Gtep (tep = tonă echivalentă petrol). 1 tep este echivalentul energiei produse prin arderea unei tone de petrol. Combustibilii fosili reprezintă în jur de 8 Gtep.

În fiecare an organismele specializate în domeniul energiei elaborează numeroase scenarii energetice. Aceste scenarii indică un necesar de 15 până la 25 Gtep pentru anul 2050.

Aceste scenarii de viitor se bazează pe diferiți parametri cum ar fi creșterea populației mondiale, creșterea economică, accesul progresiv la electricitate a 1,6 milioane de persoane, nevoile crescânde ale țărilor în curs de dezvoltare și punerea la punct de politici cu scopul de a proteja mediul ambiant. Neclaritățile cu privire la evoluția acestor diferiți parametrii explică diferențele importante între scenariile existente.

În același timp, este indicat să se prevadă că pană la jumătatea secolului, cererea energetică se va dubla.

2.1.3. Limitarea rezervelor de combustibil fosil

Aceasta generează urgența dezvoltării unor noi tehnologii, inevitabil scumpe la început. La consumul din prezent, se estimează că rezervele actuale de petrol se vor epuiza în circa 40 de ani. Alte opinii ale experților estimează epuizarea rezervelor într-o perioadă cuprinsă între 20 și 80 de ani, în funcție de descoperirea de noi rezerve sau de creșterea consumului.

Deoarece consumul de gaz crește în fiecare an, rezervele actuale de gaz natural, se prevede a fi epuizate în 60 de ani,. Dacă pentru reducerea emisiilor cu efect de seră,se înlocuiesc petrolul și cărbunele cu gaz, rezervele se vor consuma în maxim 17 ani. Înlocuirea energiei nucleare cu energia produsă prin intermediul gazului natural de către unele țări poate accelera consumarea resurselor.

Cărbunele este combustibilul fosil cu rezervele cele mai importante. Se estimează că acestea ar fi suficiente pentru încă cel puțin 200 de ani.

Cererea energetică pană în 2050 (prevăzută intre 15 și 25 Gtep) va fi îndeplinită în mare parte, ca și până în prezent, prin energia produsă de combustibili fosili. Acest fapt va avea consecințe dramatice asupra mediului, ignorând necesitățile generațiilor viitoare.

Pentru ca creșterea temperaturii să nu fie mai mare de 1…3°C, trebuie ca totalul emisiilor de gaz în secolele viitoare să reprezinte cel mult o treime din emisiile cauzate de arderea resurselor accesibile de gaz natural, petrol și cărbune. Aceasta înseamnă să se interzică omenirii arderea a două treimi din energia accesibilă și relativ ieftină. Deci nu este întemeiată speranța precum căreia, consumarea rapidă a resurselor va determina reducerea naturală a emisiei de gaze cu efect de seră. Pe de altă parte prețul scăzut al resurselor, împiedică apariția de noi tehnologii, inevitabil mai costisitoare, atâta timp cat ele nu vor atinge o producție de masă.

Randamentul global al sistemului energetic este mic. De exemplu, în anul 2000, pentru satisfacerea nevoilor de energie utilă ale francezilor, de 86 Mtep, s-au consumat 252 Mtep. Acest lucru corespunde unui randament de aproximativ 34%. În transformările energetice (rafinare, producție de electricitate,) și în utilizările finale (randamentul aparatelor electrocasnice, vehicule,) au fost pierdute 166 Mtep. Această pierdere de 166 Mtep constituie prima poziție în consumul de energie și deci deține ponderea cea mai mare în emisia de CO2.

2.1.4. Dependența energetică

Aproximativ 50% din energia consumată în cadrul U.E. provine din țări care nu sunt membre ale U.E. Fără schimbarea nivelului producției energetice și ținând cont de creșterea previzibilă a consumului, până în 2030, această dependență va ajunge la 70%.

Va crește dependența față de țările Orientului Mijlociu, care dețin 65% din rezervele actuale de petrol. Începând cu 2020 – 2030, tensiunile economice și politice pot determina diminuarea resurselor fosile ușor de exploatat și concentrarea lor în zone instabile politic. Acest lucru dăunează securității aprovizionării țărilor Uniunii Europene.

2.2. ASPECTE GENERALE PRIVIND UTILIZAREA ENERGIEI EOLIENE

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vanturilor, a proceselor biologice, a apelor curgătoare și a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni prin diferite procedee. Sursele de energie neregenerabile includ energia nucleară și energia generată prin arderea combustibililor fosili, cum ar fi țițeiul, cărbunele și gazele naturale. Aceste resurse sunt, limitate la existența zăcămintelor respective și sunt considerate în general (a se vedea teoria academicianului roman Ludovic Mrazec de formare anorganică a țițeiului și a gazelor naturale) neregenerabile.

Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:

energia eoliană

energia apei:

energia hidraulică

energia mareelor

energia solară

energie derivata din biomasa:

biodiesel,

bioetanol,

biogaz

energia geotermală

Energie eoliană

Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă provenită din puterea vântului. La sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică.

Deși este încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea țărilor, producția energiei eoliene a crescut de cinci ori intre 1999 și 2006, ajungându-se ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie reprezentativ:

Danemarca (23%),

Spania (8%),

Germania (6%).

Figura 2.1 Turbine de vânt

Formarea vânturilor este datorată neîncălzirii uniforme a pământului de către soare, fapt care creează mișcări de aer. Energia cinetică din vânt se folosește pentru a roti niște turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deși aceasta necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe oră. Aceste viteze se găsesc în puține zone de pe pământ, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mari și în zone oceanice.

Energia eoliană este folosită extensiv în ziua de astăzi fiind construite turbine noi de vânt în toată lumea. Energia eoliană este sursa de energie cu cea mai rapidă creștere în ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.

Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată în prezent. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafața pământului (excluzând oceanele) să fie acoperită cu parcuri de turbine, presupunând că 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 folosite.

Figura 2.2 Puterea eoliană instalată și predicții pe 1980-2015,

Sursa: World Wind Energy Association

Avantaje:

Deoarece în prezent creșterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă este necesară reducerea dependenței de acești combustibili.

Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o variantă foarte bună la problema energetică mondială. Utilizarea resurselor regenerabile nu se adresează numai producerii de energie, prin modul particular de generare reformulează și modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor.

În special energia eoliană este printre formele de energie regenerabilă care se pretează aplicațiilor la scară redusă.

Principalul avantaj al energiei eoliene constă în faptul că datorită faptului că nu se ard combustibili și nu se emit substanțe poluante și gaze cu efect de seră,.

Nu produce deșeuri. Producerea de energie eoliană nu implică producerea nici unui fel de deșeuri.

Costuri reduse pe unitate de energie produsă. Costul energiei electrice produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanțial în ultimii ani, în S.U.A. ajungând să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalitățile negative inerente utilizării combustibililor clasici. În 2004, prețul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime față de cel din anii 80. Deoarece se pun în funcțiune tot mai multe unități eoliene cu putere instalată de mai mulți megawați, previziunile sunt de continuare a scăderii prețului,.

Costuri reduse de scoatere din funcțiune. De exemplu, spre deosebire de centralele nucleare, unde costurile de scoatere din funcțiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcțiune, la sfârșitul perioadei normale de funcționare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.

Dezavantaje:

Principalele dezavantaje sunt resursa energetică relativ limitată, inconstanța datorită variației vitezei vântului și numărul redus de amplasamente posibile. Puține locuri pe pământ oferă posibilitatea producerii a suficientă electricitate folosind energia eoliană.

La început, un important dezavantaj al producției de energie eoliană a fost prețul destul de mare de producere a acesteia și fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii ani, prin îmbunătățirea parametrilor tehnici ai turbinelor, prețul de producție pe unitate de energie electrică a scăzut drastic, ajungându-se la cifre de ordinul 3 – 4 eurocenți pe kilowatt oră.

Un alt dezavantaj îl reprezintă "poluarea vizuală" și de asemenea "poluarea sonoră" (sunt prea gălăgioase). Se afirmă că turbinele afectează mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări și necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor. Argumentele aduse împotriva acestor dezavantaje sunt că turbinele moderne de vânt au o apariție atractivă stilizată, că mașinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele și că alte surse de energie, precum generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, prin faptul că duc la efectul de seră și creează poluare.

Un alt dezavantaj îl constituie riscul mare de avariere în cazul furtunilor, în cazul în care viteza vântului depășește limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depășită.

2.3. ANALIZA CONSTRUCTIVĂ A TURBINELOR EOLIENE NAVALE

Hywind

Figura 2.3 Turbina eoliana off-shore de tip Hywind

Proiectul turbinei de tip Hywind constă dintr-o structură subțire de formă cilindrică, stabilizata prin intermediul balastului. Flotorul este de tip scondru și are o suprafață a planului de apă scăzuta ceea ce minimizează forțele induse de valuri, cat și o structură care minimizează costul de producție. Sistemul de ancorare consta în trei linii/cabluri de ancorare care sunt conectate la chilă prin intermediul legăturilor care au și rolul de a prevenire a efectului excesiv de rotație deasupra axei verticale (mișcarea de deschidere). Sistemul de ancorare a moștenit o redundantă de proiectare, având o rezervă adecvată de rezistență, care este foarte utilă în momentul în care cedează liniile de ancorare.

În anul 2009 în Norvegia a fost instalata o unitate demonstrativa, aceasta fiind prima turbina eoliana din lume realizată la scara întreaga și care a fost instalata în largul marii. Aceasta este instalata la 10 km vest de coasta norvegiană intr-o zona în care adâncimea apei atinge 200 de metri. A fost verificata intens în timpul primilor doi ani de funcționare și nu a prezentat deloc semne de uzură, avarie, deteriorare, semne care puteau fi generate de mediul în care a fost amplasată. Proiectul flotorului a fost optimizat și upgradat pentru a putea folosi turbine cu intervalul de putere 3 MW – 7 MW. Următorul pas ar putea fi instalarea unui câmp cu cinci unități de acest fel.

Blue H TLP

Figura 2.4. Turbina eoliana off-shore de tip Blue H TLP

Platforma scufundată de mare adâncime este formată dintr-un corp gol. Acest lucru asigurându-i o flotabilitate. Este menținuta semiscufundată fiind legata cu lanțuri, cabluri sau pripoane, conectând corpul plutitor de o contragreutate care este amplasată pe fundul mării.

Datorită flotabilității corpului plutitor care este menținut semiscufundat se creează o forța ridicare care menține lanțurile tensionate constant.

În anul 2007, în Italia, tehnologiile Blue H au fost testate și instalate. Această turbina a generat o putere de 80 kW, iar după un an de testare a fost scoasă din funcțiune.

În prezent compania încearcă să proiecteze o instalație de acest tip cu o putere de 5 MW, având ca baza de plecare vechiul model. Acest model va avea o flotabilitate mai stabilă pentru turbinele cu puteri în intervalul 5-7 MW. Planul de producție a început în anul 2015, iar primele modele au intrat în exploatare în anul 2016.

WindFloat

Figura 2.5 Turbina eoliana off-shore de tip Blue H TLP

Proiectul turbinei de tip WindFloat este format dintr-un flotor semiscufundat dotat un sistem de blocare al apei format din placi de blocare și ridicare, la baza fiecărui picior al flotorului. Aceste placi îmbunătățesc performanțele de mișcare ale întregului sistem datorita proceselor de evacuare și intrare a apei. Aceste caracteristici ale stabilității permit folosirea tehnologiei existente pe piața în materie de turbine de vânt. Sistemul de balansare al chilei de tip bucla închisa atenuează forța de împingere indusa de vântul care acționează asupra sistemului. Sistemul auxiliar asigură conversia de energie optima urmărind schimbările vitezei și direcțiile vântului.

Pentru a reduce costul și complexitatea sistemul de ancorare este format din lanțuri și funii din poliester. Prin intermediul ancorelor montate înainte de începerea procesului de dragaj, impactul și pregătirea locului de amplasare sunt minimizate la maxim.

In anul 2011 WindFloat a fost instalat în dreptul coastei Portugaliei. Aceasta a fost dotata cu o turbina de 2 MW de tip Vestat, și a început să genereze energie din anul 2012. Alte proiecte care totalizează 30 MW energie sunt planificate pentru zonele din apropierea Oregonului, în Oceanul Pacific.

Floating Haliade 150

Figura 2.6. Turbina eoliana off-shore Floating Haliade 150

Bazându-se pe un concept de tensiune stabilizată, Alstrom și-a conceput și dezvoltat turbina plutitoare de tip Haliabe 150 de 6 MW. Cele mai potrivite configurații sunt TLB pentru adâncimi ale apei intre 50 – 80 m, sau TLP pentru adâncimi ale apei cuprinse intre 80 – 300 m.

Activitățile companiei Alstrom R&D împreuna cu companiile Acciona și Gamesa au început odată cu lansarea programului Azimut Offshore Wind Energy 2020, și au ca scop dezvoltarea modurilor de cunoaștere și construire la scara larga a turbinelor eoliene maritime, cat și dezvoltarea tehnologiei de construcție a unui parc de turbine eoliene de 15 MW, depășind provocările financiare și cele tehnice.

S-a format un parteneriat intre b_Tech și MIT pentru a putea dezvolta proiectarea și modelarea picioarelor platformelor tensionate pentru modelul TLB și dezvoltarea unor modele robuste și fiabile pentru modelele TLP. Departamentul de Energie al Statelor Unite a acordat un grant de cercetare pentru găsirea de noi metode pentru reducerea prețului energiei prin elaborarea unor metode avansate de îmbunătățire a strategiilor în domeniul energetic.

WINFLO

Figura 2.7. Turbina eoliana off-shore WINFLO

Proiectul include o platforma plutitoare, bazată pe o unitate concepută ca unitate semisubmersibilă, pe care se montează o turbină eoliană proiectată în conformitate cu specificațiile tehnice ale turbinelor off-shore ( rezistenta la mișcările mării ) cât și un sistem de ancorare care dispune de puține limitări, fiind potrivit la orice tip de relief care se poate găsi pe fundul mării.

În 2010 și 2011, după două perioade de testare într-un tanc de flotabilitate, modelul la scara reală a fost testat în condiții de mare reală în anul 2013. După un an de testare, urmează construirea unui parc întreg în decursul anului 2016. Instalațiile se vor produce în serii premarcate și vor fi scoase pe piață în decursul acestui an.

Fiind recunoscut în mod oficial și de Pole de Mer Bretagne, în anul 2008, WINFLO a primit și suport financiar de la ADEME, Agenția Franceza de Protecție a Mediului și Management al Energiei, bucurându-se de un program de investii din partea statului francez.

PelaStar

Figura 2.8. Turbina eoliana off-shore PelaStar

PelaStar este o platforma de tip picior tensionat (TLP) care integrează tehnologia confirmata de tip TLP. Este folosită la scara largă în industria petroliera off-shore, fiind și adaptata industriei eoliene off-shore.

PelaStar include următoarele caracteristici:

Tendoanele, cu orientarea lor verticala montate sub chila, creează o amprenta de montare compacta care reduce riscul interferentelor sub linia de plutire;

Asamblarea se poate face ușor la cheu, cat și testarea turbinei, cat și punerea în funcțiune parțiala, reducând munca la locul de amplasare, cat și întârzierile ce pot fi cauzate de condițiile meteo, cât și utilizarea echipamentelor off-shore care sunt destul de scumpe;

Tehnologia este concentrata pe reducerea costului producerii energiei ducând la cea mai mare reducere de costuri capitale pentru proiectele de platformă eoliene plutitoare.

Simplitatea proiectului – o structura de otel optimizata fără sisteme mecanice;

Accelerații și mișcari minime transmise turbinei – nu apar mișcări de tip tangaj, ruliu, sau hula, care poate degrada performanta și care pot degrada componentele prin uzura sporita.

TLP-ul platformei PelaStar este proiectata sa suporte turbine cu capacitați între 5 și 10 MW la adâncimi ce variază intre 50 și 200 metri.

În anul 2011 a fost efectuata testarea modelul la o scara de 1:50. Testarea unui model la scara întreaga a fost efectuată în anul 2015, cu o turbina de 6 MW, fiind urmata de un proiect de creare a unui parc de eoliene în anul 2017.

IDEOL

IDEOL variază ca dimensiuni intre parcuri mici de eoliene pana la parcuri foarte mari de eoliene, bazându-se pe folosirea unei chile de beton construită în parteneriat cu companii importante de construcții civile. Construcția la fata locului se face folosindu-se metode de construcție versatile care depind de condițiile de la fata locului, cat și de autorizațile locale ce trebuiesc obținute.

Figura 2.9. Turbina eoliana off-shore IDEOL

IDEOL a patentat și dezvoltat sistemul Damping Poll. Fundația sa plutitoare poate fi folosita în cazul oricărui tip de turbină eoliana off-shore, fără a suferi modificări. Damping Pool permite reducerea mișcărilor flotorului folosind propietățile hidrodinamice ale masei de apă prinsă într-un perete de beton. Oscilațiile sunt,opuse forței de excitație generate de valuri.

În momentul de față IDEOL lucrează cu alți parteneri la construirea și instalarea unor doua instalații pilot, aceasta etapa fiind începuta din anul 2014.

Proiectul Hexicon Energy

Figura 2.10. Proiectul eolian Hexicon Energy

Legenda:

Sistem centralizat de vârtej care permite întregii platforme să se rotească în jurul axei sale și se aliniază automat direcției vântului în timp ce ramâne ancorată;

Turbine cu traiectorie efectiva dovedita;

Poziționare dinamică și propulsată prin folosirea unor propulsoare;

Sistem de ancorare tensionat (fără lanțuri de ancorare);

Sistemul protecție al chilei;

Cablu electric de alimentare și clești ale vârtejului, incluzând și substația, care sunt localizate la suprafața apei;

Facilitați de doc și de service, care sunt localizate în spatele platformei, incluzând și zona în care este puntea heliport

Zona de cazare, management, supraveghere și mentenanță non-stop.

Acest proiect se bazează pe o platforma plutitoare care încorporează tehnologiile existente și confirmate ale domeniului eolienelor off-shore. Turnurile sunt instalate direct pe platforme, permițând și instalarea aplicațiilor de captare a energiei electrice generate de valurile marii.

CAPITOLUL 3. CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE ÎN ENERGIE ELECTRICĂ

3.1. PRINCIPIUL DE FUNCȚIONARE AL TURBINELOR EOLIENE

Energia eoliană, sau energia vântului, poate fi considerată o formă de energie solară, deoarece vântul este produs în principal de încălzirea neuniformă a atmosferei terestre, de către Soare. Alți factori care contribuie la producerea vântului sunt neregularitățile scoarței terestre și mișcarea de rotație a Pământului în jurul axei proprii.

Conversia energiei eoliene în energie mecanică și apoi în energie electrică, poate fi realizată cu ajutorul turbinelor eoliene. Într-o manieră simplificată, se poate spune că principiul de funcționare al turbinelor eoliene este cel al unui ventilator inversat. În loc să producă vânt cu ajutorul energiei electrice, așa cum se întâmplă în ventilator, turbina eoliană utilizează vântul pentru a produce energie electrică. Astfel, vântul antrenează în rotație paletele, care sunt fixate pe arborele turbinei. Energia mecanică obținută prin rotația arborelui, este convertită în energie electrică de către un generator de curent electric.

Din punct de vedere istoric, prima utilizare a energiei vântului datează de peste 5000 ani, când egiptenii utilizau deja energia eoliană pentru deplasarea corăbiilor. De asemenea, cu 2000 ani î.e.n., în Babilon funcționau deja primele mori de vânt. Se pare că lumea occidentală a descoperit mult mai târziu forța vântului, primele referiri scrise la mașini care utilizau energia vântului datează abia din sec. 12, fiind vorba de echipamente pentru măcinarea grânelor.

În figura 3.1, sunt prezentate principalele părți componente ale unei turbine eoliene.

Figura 3.1. Principalele părți componente ale unei turbine eoliene

3.2. CALSIFICAREA TURBINELOR EOLIENE

Turbinele eoliene pot fi clasificate după mai multe criterii, în continuare fiind prezentate doar câteva dintre acestea:

După puterea electrică furnizată

Turbine de putere redusă (sub 100kW) utilizate în principal pentru uz casnic, agricol, etc.;

Turbine de putere mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în sistemele energetice naționale.

În figura 3.2 este prezentată o turbină eoliană de putere mică, iar în figura 3.3, una de putere mare.

După direcția de orientare a axei

Turbine cu axă orizontală (cele mai răspândite) având axa paralelă cu direcția vântului;

Turbine cu axă verticală (aflate în stadiu de cercetare) având axa perpendiculară pe direcția vântului.

În figura 3.4 este prezentată o turbină eoliană verticală de tip Darrierus, după numele celui care a realizat prima astfel de turbină. Asemenea modele se află deocamdată în stadiul de cercetare, nefiind încă disponibile pe piață.

Fig. 3.4. Turbine eoliene verticale

După modul de amplasare a paletelor

În contra vântului (vântul întâlnește întâi paletele și apoi nacela) – “upwind”;

În direcția vântului (vântul întâlnește întâi nacela și apoi paletele) – “downwind”.

După numărul de palete

Cu două palete;

Cu trei palete (cele mai răspândite).

În figura 6.5 este prezentată o turbină cu două palete, de tip “upwind”.

Figura 3.5. Turbină “upwind” cu două palete

După locul de amplasare

Amplasare terestră;

Amplasare marină.

În figura 3.6 sunt prezentate câteva turbine eoliene marine.

Figura 3.6. Turbine eoliene marine

3.3. PĂRȚILE COMPONENTE ALE TURBINEI EOLIENE

Câteva dintre părțile principale ale turbinelor eoliene sunt prezentate în figura 3.1, dar în principiu, cele mai importante părți componente ale turbinelor eoliene, sunt:

butucul rotorului;

paletele;

nacela;

pilonul;

arborele principal (de turație redusă);

multiplicatorul de turație cu roți dințate;

dispozitivul de frânare;

arborele de turație ridicată;

generatorul electric;

sistemul de răcire al generatorului electric;

sistemul de pivotare;

girueta;

anemometrul;

sistemul de control (controller).

Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei și este montat pe arborele principal al turbinei eoliene. În figurile 3.7 și 3.8 sunt prezentate două imagini ale unor butuci de turbine eoliene.

Paletele reprezintă unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene și împreună cu butucul alcătuiesc rotorul turbinei. Cel mai adesea, paletele sunt realizate cu aceleași tehnologii utilizate și în industria aeronautică, din materiale compozite, care să asigure simultan rezistență mecanică, flexibilitate, elasticitate și greutate redusă. Uneori se utilizează la construcția paletelor și materiale metalice sau chiar lemnul. În figurile 3.9 și 3.10 sunt prezentate două palete de turbine eoliene de mari dimensiuni.

Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene, care se montează în interiorul acesteia și anume: arborele principal, multiplicatorul de turație, dispozitivul de frânare, arborele de turație ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric și sistemul de pivotare. În figurile 3.11 și 3.12 sunt prezentate două nacele de dimensiuni mari.

Pilonul are rolul de a susține turbina eoliană și de a permite accesul în vederea exploatării și executării operațiilor de întreținere, respectiv reparații. În interiorul pilonilor sunt montate atât rețeaua de distribuție a energiei electrice produse de turbina eoliană, cât și scările de acces spre nacelă. În figura 3.13 este prezentată fundația unui pilon, iar în figura 3.14, este prezentat un tronson de pilon pentru susținerea unei turbine eoliene.

Figura 3.13. Fundația unui pilon de turbină eoliană

Figura 3.14. Tronson al unui pilon de turbină eoliană

Arborele principal al turbinelor eoliene are turație redusă și transmite mișcarea de rotație, de la butucul turbinei la multiplicatorul de turație cu roți dințate. În funcție de tipul turbinei eoliene, turația arborelui principal poate să varieze între 20…400 rot/min. În figura 3.15 este prezentat un asemenea arbore.

Figura 3.15. Arborele principal al unei turbine eoliene

Multiplicatorul de turație cu roți dințate are rolul de a mări turația de la valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorul de curent electric. În figura 3.15, pe arborele principal, este montat și multiplicatorul de turație. În figura 3.16 este prezentat principiul de funcționare al acestei componente, iar în figura 3.17 este prezentat un multiplicator de turație eolian.

Figura 3.16. Principiul de funcționare al multiplicatorului de turație eolian

Figura 3.17. Multiplicator de turație eolian

Dispozitivul de frânare este un dispozitiv de siguranță și se montează pe arborele de turație ridicată, între multiplicatorul de turație și generatorul electric. Viteza de rotație a turbinei este menținută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor în funcție de viteza vântului și nu prin frânarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivul de frânare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai în cazul în care mecanismul de reglare a unghiului de înclinare a paletelor nu funcționează corect, sau pentru frânarea completă a turbinei în cazul în care se efectuează operații de întreținere sau reparații. În figura 3.18 este prezentat principiul de funcționare al mecanismului de frânare, iar în figura 3.19 este prezentat un asemenea mecanism.

Arborele de turație ridicată denumit și arbore secundar sau cuplaj, are rolul de a transmite mișcarea de la multiplicatorul de turație la generatorul electric. Turația acestui arbore, ca și cea a generatorului electric, are valori între 1200…1800 rot/min. În figura 6.20 este prezentat un arbore de turație ridicată, montat pe multiplicatorul de turație.

Figura 3.20. Arbore de turație ridicată

Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanică a arborelui de turație ridicată al turbinei eoliene, în energie electrică. Spirele rotorului se rotesc în câmpul magnetic generat de stator și astfel, în spire se induce curent electric. Există atât generatoare electrice care furnizează curent continuu (de regulă pentru aplicații casnice și turbine de dimensiuni reduse), cât și generatoare electrice du curent alternativ într-o gamă extrem de variată de puteri. În figura 3.21 este prezentat generatorul electric al unei turbine eoliene de 5 MW, cea mai mare din lume în martie 2005.

Figura. 3.21. Generator electric eolian de 5MW

Sistemul de răcire al generatorului electric preia excesul de căldură produs în timpul funcționării acestuia. În figura 3.21 se observă că răcirea este asigurată de un ventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusă au răcirea asigurată de ventilatoare axiale. Uneori sistemul de răcire al generatoarelor electrice este proiectat să funcționeze cu apă de răcire, caz în care există un circuit suplimentar pentru răcirea apei.

Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, are rolul de a permite orientarea turbinei după direcția vântului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorul de pivotare și elementul de transmisie a mișcării. Ambele componente au prevăzute elemente de angrenare cu roți dințate. Acest mecanism este antrenat în mișcare cu ajutorul unui sistem automatizat, la orice schimbare a direcției vântului, sesizată de giruetă. În figura 3.22 este prezentat motorul sistemului de pivotare, iar în figura 3.23 elementul de transmisie.

Figura 3.22. Motorul sistemului de pivotare

Figura 3.23. Elementul de transmisie al sistemului de pivotare

Girueta este montată pe nacelă și are rolul de a se orienta în permanență după direcția vântului. La schimbarea direcției vântului, girueta comandă automat intrarea în funcțiune a sistemului de pivotare al turbinei. În cazul turbinelor de dimensiuni reduse, nacela este rotită automat după direcția vintului cu ajutorul giruetei, fără a fi necesară prezența unui sistem suplimentar de pivotare. În figura 3.24 este prezentată o giruetă.

Anemometrul este un dispozitiv pentru măsurarea vitezei vântului. Acest aparat este montat pe nacelă și comandă pornirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 3…4m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 25m/s. În figura 6.25 este prezentat un anemometru cu cupe.

Controler-ul este calculatorul principal al unei turbine eoliene, care cel puțin în cazul turbinelor de puteri mari, este integrat într-o rețea de calculatoare, care controlează buna funcționare a tuturor componentelor. De regulă controler-ul este amplasat în nacelă, iar alte calculatoare pot fi amplasate inclusiv la baza pilonilor. În figura 3.26 este prezentat un controler din componența unei turbine eoliene.

Figura 3.26. Controler

CAPITOLUL 4. CALCULUL DE PROIECTARE AL PARCULUI EOLIAN ȘI AL GENERATORULUI

4.1. ALEGEREA LOCULUI DE MONTARE A PARCULUI

INDICATORI ECONOMICI

Comparând costurile de instalare a unei turbine on-shore cu o turbină off-shore, rezultă fără nici un dubiu că turbina amplasată în largul mării este cu mult mai scumpă.

Centralele eoliene off-shore necesită o fundație puternică și o conexiune care presupune un cablu de mulți kilometri pentru a transporta energia la țărm. Construcția și mentenanța trebuie efectuate în condiții bune de vreme, folosind specialiști navali și echipament adecvat.

Din punct de vedere al factorului de capacitate, deci al orelor de funcționare pe unitate/parc, pentru aria Mării Nordului, se consideră ca acceptată valoarea de 3500 de ore de funcționare la puterea nominală, iar pentru apele interioare din zona Danemarcei 3000-3300 ore.

În zona off-shore a Mării Negre, se estimează o durată echivalentă de funcționare la puterea nominală de cca 3000…3500 ore, valoare întâlnită și pe uscat în zona Dobrogei.

Pentru a face o comparație reală a costurilor energiei pentru centralele eoliene aflate în exploatare, trebuie să se țină cont de:

metodele de finanțare diferite;

costurile cu exploatarea și mentenanță;

tipul de fundație și distanța până la țărm.

Repartiția costurilor pe componente (figura 4.1) este foarte diferită între centralele off-shore și on-shore.

Figura 4.1. Repartiția costurilor pe componente

Din condițiile generale ale țărmului românesc și ale Mării Negre, se poate trage concluzia că cel mai potrivit loc de instalare al parcului eolian este în vecinătatea orașului Agigea, cu adăpost de la digul de sud al Portului Constanța, în punctul φ = 44ș4” și λ = 28ș 39”, prezentat în figura 4.2. de mai jos. În zona prezentată este o adâncime de 50 m.

Figura 4.2. Zona preconizată a fi instalat parcul eolian

4.2. PREZENTAREA CONSTRUCȚIEI PARCULUI

Puterea impusă în tema de proiectare a parcului eolian este de . Știind că puterea nominală a unei turbine eoliene calculată anterior este de se vor obține un număr de eoliene egal cu:

Acestea vor fi montate la o distanță de între acestea circa pe o latura și ceea ce înseamnă un număr de:

montate pe o arie de :

și fiecare latură este de : ; .

În scopul asigurării unei autonomii, mai mari și pentru acoperirea unor consumuri la bordul fermei se va considera că parcul eolian are în total 10 grupuri. Numărul total de eoliene va fi împărțit într-un pătrat cu dimensiunile de mai jos:

Figura 4.3. Schema fermei eoliană

Figura 4.4. Conexiunea cu rețeaua națională de energie electrică

Așadar se va încadra la scară așa cum este prezentat în figura 4.10. cu scara desenului cu vedere din satelit/Google map. Distanța la cheu este de aproximativ 0,6 km.

Așadar conform calculelor anterioare parcul eolian proiectat va transmite rețelei naționale prin intermediul grupului electrogen o putere de 25MW. Cablul conductor este izolat corespunzător și îngropat în nisip la circa 50 cm, pe fundul apei, având o lungime totală de circa 1 km.

Cele mai întâlnite moduri de montare ale turbinelor eoliene în cadrul parcului eolian sunt cele menționate mai jos.

4.3. CALCULUL ELECTROMAGNETIC AL GENERATORULUI TURBINEI EOLIENE

Următorul calcul are drept scop parcurgerea întregii metodologii de proiectare a mașinii sincrone, în regim de generator, pe un exemplu concret.

Pentru o edificare cât mai concretă a calculului electromagnetic, se va avea în vedere mai întâi mașina sincronă cu poli aparenți, apoi în aproximativ același stator se vor exemplifica și celelalte variante constructive de rotoare (variantă combinată și cu poli înecați).

Se proiectează un generator sincron trifazat având următoarele date :

Putere aparentă: SN = 2500 kW

Tensiune nominală: UN = 110000 V ;

Turație sincronism: n1 = 30 rot/min ;

Frecvența: f1 = 50 Hz ;

Numărul de faze: m = 3 ;

Factorul de putere: cos φN = 0,8 ;

4.3.1. Calculul principalelor mărimi

Curentul nominal pe fază, pentru conexiunea Y este :

T.e.m. nominală pe fază :

în care tensiunea nominală pe fază pentru conexiunea Y este :

– coeficient ce ține cont de căderile de tensiune

Puterea aparentă interioară nominală :

Stabilirea dimensiunilor principale se va face cu puterea interioara .

Numărul de perechi de poli :

Factorul de înfășurare kw, de forma a t.e.m. kB și factorul de acoperire ideală a pasului polar αi.

factorul de înfășurare:

kw = 0,92

factorul de forma kB și factorul de acoperire ideală a pasului polar αi:

αi = 0,61

pentru următoarele valori alese :

;

4.3.2. Calculul dimensiunilor principale

Diametrul interior al statorului :

în care :

– coeficientul de utilizare al mașinii

– factorul de formă al mașinii

Pentru a obține dimensiuni mai mici se estimează λ = 2.

Diametrul exterior al statorului:

Diametrul exterior stator pentru prima valoare a lui D:

Valoarea normalizată este pentru care rezulta diametrul interior D, recalculat:

Se adoptă:

Pasul polar :

Solicitările electromagnetice A și Bδ au valorile :

pătura de curent inițială

;

inducția magnetică din întrefier, valoare inițială

Se vor lua măsuri astfel încât mașina să fie bine ventilată. Se adoptă o valoare a păturii de curent majorată cu 7%.

Se obține astfel :

;

Lungimea ideala :

factorul de bobinare al înfășurării statorului, valorile orientative:

lungimea ideală:

Verificarea coeficientului λ :

adică foarte aproape de valoarea estimată în calculul diametrului D.

Geometria miezului:

Pentru valorile lui și D stabilite, rezultă o construcție divizată a miezului feromagnetic.

Se impun orientativ = 9 canalele de ventilație radiantă cu lățimea = 1 cm.

Deoarece mașina este cu poli aparenți se ia :

;

Rezultă lungimea geometrică:

Lungimea unui pachet de tole, considerând că toate pachetele sunt uniforme :

Întrucât se încadrează în limitele admise (4 ÷ 6 cm) rezultă că miezul feromagnetic va avea canale de ventilație cu lățimea = 1 cm și + 1 = 10 pachete de tole cu lungimea rotunjită = 5 cm.

Recalculând, rezultă următoarele dimensiuni ale miezului magnetic :

lungimea fierului miezului (a tuturor pachetelor):

lungimea geometrică

lungimea ideală.

4.3.3. Înfășurarea și crestăturile statorului

Tipul și izolația înfășurării

Fiind mașina de înaltă tensiune, înfășurarea statorului va fi cu bobine prefabricate – secții rigide.

Pentru astfel de înfășurare crestăturile sunt deschise. Astfel în conformitate cu literatura de specialitate, pentru clasa de izolație F, schema de izolație a înfășurării este următoarea :

pe partea activă (în crestătură) : teacă izolantă cu grosimea de 1,8 mm unilaterală;

pe partea frontală : bandă izolantă clasă F de 0,15 x 20 mm, în 6 straturi ½ suprapuse, peste care se prevede în strat cap la cap, banda de contracție pentru consolidare ;

izolația intre straturi : sticlotextolit sau liatex grosime de 2 mm.

Numărul de crestături ale statorului

numărul de crestături pe pol și fază, valori recomandate

în care s-a ales:

numărul de crestături ale statorului

Considerând numărul de căi de curent în paralel , se verifică condițiile de simetrie:

unde: t = cel mai mare divizor comun (Z1 , p) = c.m.m.d.c. (20, 3 ) = 3.

Pasul dentar al statorului :

se încadrează în limitele (orientative) indicate.

Pasul înfășurării:

adică: y1 = 1 ÷ 11, ceea ce înseamnă că înfășurarea se poate face fie cu bobine egale (nc =număr par) fie cu bobine neegale (nc = număr impar) însă grupate două cate două, deoarece y1/2 = 5 număr impar.

Factorul de înfășurare al statorului:

factorul de scurtare al înfășurării statorului

unghiul electric între două crestături ale statorului

factorul de repartizare al înfășurării statorului

Rezultă factorul de înfășurare:

Numărul de spire pe fază.

fluxul magnetic util:

numărul de spire pe fază:

Numărul de conductoare efective din crestătură:

Se iau conductoare/crestătură.

Verificări necesare

Numărul real de spire pe fază:

Verificarea încadrării în limite a păturii de curent:

foarte apropiate de valoarea aleasă inițial.

Fluxul maxim util la sarcină nominală pe pol:

Fluxul nominal la funcționarea în gol:

Fluxul magnetic al undei fundamentale pentru tensiunea nominală:

Valoarea maximă a inducției în întrefier:

față de 0,8 aleasă inițial, înseamnă că dimensionarea este bine făcută.

Secțiunea conductorului.

Densitatea de curent în înfășurarea statorului, valori recomandate:

în care densitatea de curent

Dimensiunile conductorului.

Lățimea (orientativă) a crestăturii:

,

Lățimea (orientativă) a conductorului:

unde: n – numărul conductoarelor pe lățimea crestăturii, iar grosimile totale ale izolațiilor, jocului, istmului și penei pe lățime biz și pe înălțime (generator) hiz se iau din tabelul de mai jos:

Pozițiile, denumirea și dimensiunile materialelor utilizate în crestătură statorului

Din STAS 2873/1-86 se alege conductor din cupru electrolitic moale (O), izolat cu E2S și anume:

Sârmă O-6,7 x 1 izolat E2S STAS 2873/1-86 = 6,48 mm2 .

Dimensiunile definitive ale crestăturii:

lățimea a crestăturii

înălțimea crestăturii

Se stabilește, prin rotunjire, crestătura cu dimensiunile :

4.3.4. Verificări necesare :

Inducția magnetică în jugul statorului:

în care înălțimea jugului statorului, fără canale axiale de ventilație este:

Inducția magnetică aparentă maximă în dinții statorului:

Pentru compensarea energiei reactive se folosesc o serie de baterii de condensatoare. Echipamentul este destinat să funcționeze în încăperi închise în următoarele condiții:

medii lipsite de agenți corozivi, pulberi conducătoare de electricitate, pericol de explozie

temperatura mediului ambiant –10C…+40C

umiditatea relativa 80% la 20°C

se recomanda instalarea astfel încât să fie ferita de radiația directa solara sau a altor surse de căldura

încăperea în care se instalează va fi ventilata corespunzător

Instalația este destinata funcționarii în rețele poluate cu armonici superioare de curent și tensiune, fiind echipata cu bobine antirezonanta 7%.

Este obligatoriu ca beneficiarul să ia cunoștința de conținutul prezentelor instrucțiuni înainte de montajul și exploatarea echipamentului. Nerespectarea lor atrage după sine scoaterea să din garanție.

Principalele elemente componente sunt:

regulatorul automat de factor de putere cu 12 trepte.

6 trepte de compensare compuse din contactări trifazați, bobine trifazate pe miez de fier și condensatoare monofazate. 2 trepte au puterea de 50 kvar și 4 trepte de 100 kvar, treptele de 100 kvar fiind obținute prin comanda simultana a doua trepte de 50 kvar.

Figura 4.5. Bobine trifazate și condensatoare

2 sisteme de bare cupru 30x10mm pe care sunt montate separatoare orizontale trifazate cu siguranțe fuzibile de 125A sistem de ventilație forțata, termostatat.

transformatorul de alimentare monofazat pentru circuitele auxiliare de 1500kVA

transformator sumator de curent 5 x 5/ 5A.

termostatele T1 și T2 și releele D1, D2 pentru comanda ventilației și realizarea funcției de protecție la supratemperatura în cazul în care ventilația nu funcționează butonul pornit/ oprit și lampa de semnalizare a supratemperaturii pe ușa dulap.

CAPITOLUL 5. REALIZAREA PRACTICĂ A PARCULUI EOLIAN

5.1. PROCESE TEHNOLOGICE DE CONSTRUCȚIE A EOLIENELOR FIXE

5.1.1. Transportul materialelor de construcție

Activitățile de transport se vor realiza pe toată perioada etapei de construcție și cuprind:

Conform bilanțului de terasamente furnizat de beneficiar, toată cantitate de pământ rezultat din excavații, platforme tehnologice, drumuri de acces, fundații turbine eoliene și fundații stația electrica, în volum total de circa 200.000 mc, va fi utilizata pentru executarea lucrărilor de umplutura din șantier. Din aceasta cantitate, circa 125000 mc v-a fi dislocată și pusă în operă folosind doar utilaje terasiere, iar diferența de aproximativ 75.000 mc va fi transportata cu navele la o distanta medie de 10 Mm pentru a fi folosita la umpluturi în diverse locații pe raza șantierului.

Distanta medie de transport este 10 Mm (luând în considerare ca punct de livrare Portul Constanța).

Beton, în cantitate totală de circa 45.000 mc. Distanta medie de transport este de 10 Mm.

Alte materiale de construcție auxiliare pentru fundațiile turbinelor eoliene și ale stației de transformare. Acestea vor fi aprovizionate de la furnizori situați în afara amplasamentului fermei eoliene și furnizate direct la punctele de lucru din șantier.

Părțile componente ale turbinelor vor fi transportate cu ajutorul trailerelor de mare capacitate până la portul Constanța și de aici cu ajutor unor nave tehnice speciale vor fi transportate spre amplasamentul fiecărei turbine. Pentru transportul componentelor turbinelor eoliene vor fi necesare 144 transporturi cu trailere din care 54 de transporturi se vor face pentru transportul palelor daca acestea vor fi fabricate în țară sau cu navele tehnice în cazul în care ele sunt aduse pe mare.

Echipamentele, materialele și instalațiile electrice necesare realizării rețelelor electrice și stației de transformare.

5.1.2. Realizarea fundațiilor și instalarea turbinelor eoliene

Principalele lucrări de terasamente:

Excavarea fundației de forma circulara, cu un diametru aproximativ de 25 m și adâncime de aproximativ 5 m. Volumul total de sol excavat pentru realizarea celor 30 fundații va fi de cca 75.000 mc.

Principalele activități pentru lucrările de rezistenta ale fundației și instalarea turbinei sunt:

Armarea fundației cu armaturi de otel-beton.

Turnarea betonului în fundație. Betonul este livrat direct la amplasament cu nava tehnică. Cantitatea de beton utilizata la realizarea celor 30 fundații este de cca 75.000 mc.

Instalarea turbinei eoliene cu ajutorul macaralei: secțiunile turnului (4 tronsoane), nacela, axul rotor cu pale.

5.1.3. Realizarea stației de transformare, a liniei de MT:

Activitățile principale:

Pentru stația de transformare:

Excavarea fundațiilor aferente clădirii stației de transformare.

Armarea fundației cu armaturi de otel-beton.

Turnarea betonului în fundație care este livrat direct la amplasament cu autobetoniera.

Instalarea transformatoarelor și a echipamentelor electrice.

Pentru cablurile subterane de medie tensiune:

Excavarea de șanțuri de-a lungul drumurilor de exploatare existente, până la o adâncime de 2,0 – 5,0 m.

Realizarea unui pat de nisip, amplasarea cablurilor electrice, îngroparea cablurilor electrice și umplerea șanțurilor cu pământ.

Refacerea terenului prin așternere de umplutură.

5.2. PROCESE TEHNOLOGICE DE PRODUCȚIE

Activitatea de baza în cadrul unei ferme eoliene o reprezintă producția de energie electrica și furnizarea acesteia în Sistemul Energetic National.

5.2.1. Producerea de energie electrică

Figura 5.1. Schema de obținere a energiei electrice din sursa eoliana

Funcționarea turbinelor eolienelor cu ax orizontal este bazată pe principiul transformării energiei cinetice a vântului.

Aerogeneratorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului, astfe aceasta este transformata în energie mecanica, care la rândul ei, prin intermediul generatorul cuplat mecanic la turbina eoliana este transformata în energie electrica. Acest cuplaj mecanic poate fi făcut fie direct, daca turbina și generatorul au viteze de același ordin de mărime, fie prin intermediul unui multiplicator de viteza. Exista mai multe posibilitati de a utiliza energia electrica produsa:

poate fi stocata în acumulatori,

distribuita prin intermediul unei rețele electrice,

alimentarea unor consumatori izolați.

În mod uzual la transformarea energiei cinetice în energie electrica se poate obține un randament în jur de 90 %.

Turbinele eoliene cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece au randamentul aerodinamic cel mai ridicat, sunt mai puțin supuse unor solicitări mecanice importante și au un cost mai scăzut.

Pentru a obține randament maxim, palele eolienelor cu ax orizontal vor fi orientate întotdeauna în direcția forței vântului. Acest lucru este posibil cu ajutorul dispozitivelor de orientare a nacelei pe direcția vântului și de orientare a palelor în funcție de intensitatea acestuia (pitch-control). Aceasta caracteristica permite rotorul sa funcționeze cu viteze variabile (RPM), prin aceasta optimizându-se eficient aerodinamica rotorului.

Tipul de turbina ce va fi folosit în cazul fermei eoliene propuse realizează cerințele pentru obținerea randamentului maxim. Cele 3 pale sunt confecționate din fibra de sticla consolidata epoxidic și fibre de carbon. Ele sunt conectate la o bila de sprijin, confecționata din otel special, cu patru puncte de legătura care este asamblat la axul paletelor. Tunelul principal al axului transmite puterea la generator prin cutia de viteze. Generatorul este unul de tip special asincron cu 4 poli având rotor înfășurat.

Transformatorul de înalta tensiune este amplasat în spatele nacelei intr-un compartiment separat. Transformatorul este confecționat din rășina uscata, realizata special pentru operarea cu turbine de vânt. Indiferent de viteza curenților de aer, sistemul Optispeed maximizează puterea chiar la variații mari de temperatura și densitate a aerului. La viteze mari ale vântului, acest sistem menține la valoarea nominala energia produsa. Prin utilizarea generatoarelor Optispeed se reduce gradul de uzură al cutiei de viteze, a palelor și a turnului.

Turbina este echipata cu un sistem de frânare aerodinamic, ce va opri rotirea la viteze ale vântului mai mici decât 3,0 m/s, respectiv, mai mari decât 25 m/s.

Toate funcțiile și operațiile turbinei de vânt sunt monitorizate și controlate de un procesor aflat pe unitatea de control. Sistemul de control este echipat cu senzori pentru operarea sigura și optima a turbinei eoliene.

Energia electrica de medie tensiune generată de sistemul generator al turbinelor, este distribuită prin intermediul unui sistem de cabluri electrice. Aceste cabluri sunt conduse prin interiorul pilonului de susținere a turbinei eoliene la baza acesteia, unde se racordează la rețeaua de cabluri colectoare de medie tensiune.

La fiecare cablu se conectează un număr de 4 – 5 turbine eoliene, după care acesta intra intr-o celula de medie tensiune din cadrul stației proprii de transformare din incinta fermei eoliene.

5.2.2. Mentenanța

Activități principale:

Verificarea regulat a componentelor turbinelor aflate în rotire în vederea identificării zgomotelor anormale și a funcționarii necorespunzătoare.

Verificarea și schimbarea uleiului utilizat la ungerea componentelor aflate în miscare.

Verificarea componentelor metalice în vederea tratării ruginii.

Lucrări de înlocuire a elementelor uzate și deteriorate.

Lucrări de reparații ale componentelor turbinelor.

5.3. ANALIZA NAVEI DE TRANSPORT ȘI MONTAJ TURBINE EOLIENE

Tip: Nava pentru instalare turbine eoliane;

Numele navei: “OceanicTec1”;

Numarul de chila: J006;

Pavilion: Singapore;

Constructor: Nantong Jiaolong Heavy Industries Development Co.l Ltd.;

Tara de constructie: China;

Clasa: Clasificare conform Biroul American de Trasport

Maritim (ABS): “Unitate de Foraj cu Autoridicare”,

AMS, ACCU, DPII;

Proiectant: Arhitectii navali și inginerii marini Bennett și Asociatii; JHI Singapore Pte., Ltd.;

Finalizare constructie: Al treilea semestru din anul 2013.

Lungime: 72,00 m, 75,75 m, inculzand bulbul propulsorului;

Latime: 38,00 m;

Pescaj: 7,00 m;

Pescajul liniei de incarcare: 4,0 m;

Distanta intre picioare prova-pupa: 40,0 m;

Distanta intre picioare babord-tribord: 30,0 m;

Lungimea picioarelor: 95 m;

Numarul de picioare tubular: 4;

Diametrul picioarelor: 3,66 m;

Posibilitati de cazare: 58 de persoane în cabine de o persoana sau 106 persoane în cabine de una sau două persoane. Toate cabinele sunt pe puntea principala.

Punte heliport(optional): Proiectata pentru elicopterele de tip Sikorsky S-61/S-92;

Tancuri de apa dulce: 470 m3;

Tancuri de apa potabila: 500 m3;

Tancuri de combustibil: 460 m3;

Tancuri de ulei uzat: 51 m3;

Tancuri rezervor tampon: 94 m3;

Tancuri de balansare: 1170 m3 (nu sunt necesare tancuri de preincarcare).

Tanc de drenaj contaminat: 56 m3;

Figura 5.2. Nava pentru instalare turbine eoliene

5.3.1. Prezentarea principalelor instalații de la bordul navei

Echipamentul de ridicare

O macara montată pe pedestal (certificata în conformitate cu Ghidul ABS pentru Macarale) cu un brat al macaralei (o biga) de 75 de metri:

Carligul principal are aproximativ 600 de tone metrice cu o raza de acțiune de aproximativ 14 – 22 m și la 200 tone metrice cu o raza de aproximativ 55 m.

Troliul macaralei este de aproximativ 40 de tone metrice și este certificat pentru transportul special al unei persoane.

Înăltimea de ridicare este de 145 m peste nivelul marii la o adancime de 40 de metri și o lungime de penetrare a picioarelor de 3 metri.

Un braț de macara articulat:

Cârligul principal are o greutate de aproximativ 600 kg cu o raza de acțiune de aproximativ 25 de metri.

O zona de acces/coridor de trecere retractabil cu o lungime de 25 de metri.

Extensia coridorului de trecere poate atinge inca 25 de metri de la partea invelisului navei.

Sistemul de propulsie și de pozitionare

Trei propulsoare de tip Azimuth de 1000 kW și trei propulsoare de tip Bow Tunnel (Tunel Prova) actionate prin intermediul tehnologiei VFD.

Viteza de croaziera este de 9 noduri și dispune de capacitate DP II.

Motoarele principale și auxiliare

Patru seturi de motoare principale diesel fiecare având o putere de 1820 ekW, cu un total de 7280 ekW.

O instalatiei dotata cu un motor diesel de avarie cu o putere de 550 ekW.

Sistemul rețelei electrice și al pinionului cu cricuri

Capacitatea normala de ridicare este de 7760 tone metrice.

1,2 m/min pentru ridicarea cu sarcina aplicată;

2,4 m/min pentru ridicarea fara sarcina aplicată.

Sarcinile de proiectare

Capacitatea totală de ridicare a navei: 6800 tone metrice;

Sarcina totala de pe punte: 2150 tone metrice;

Capacitatea variabila totală: 2600 tone metrice;

Sarcina totala de pe puntea principala: 7,5 tone metrice/m2; 10,0 tone metrice/m2.

Temperaturile de proiectare

Temperatura de proiectare a structurii de otel: -200 C;

Temperatura maxima a aerului: +450 C.

Temperatura minima a aerului: -100 C;

Figura 5.3 Dotarea navei cu macarale

Sistemul/echipamentul de siguranță

Nava este doatata cu sisteme de detectare a incendiilor și sisteme de lupta impotriva incendiilor, acestea fiind în conformitate cu cerintele MODU.

Toate spatiile în care sunt cazati membrii echipajului sunt dotate cu sisteme de sprinklere.

Nava are în dotare două plute de salvare a cate 106 locuri și o nava de salvare de tip MOB dotata cu un motor de 300 CP, toate indeplinind cerintele impuse se SOLAS.

În bordure sunt amplasate cate cinci plute de salvare cu 25 de locuri.

Spatiile de locuire/cazare

Nava dispune de 58 de cabine pentru o persoană, în care sunt incluse și cabinele speciale pentru ofiterii superiori. Dacă situația o impune, dintre acestea un numar de 48 de cabine pot fi convertite în cabine de două persoane pentru a putea pune la dispzitie un numar de 106 cusete.

Toate cabinele sunt pozitionate deasupra nivelului puntii principale și dispun de iluminat natural. Nava mai este dotata cu o bucătărie, sala de mese, oficii gen vestiar pentru lenjerie și asternuturi, camere pentru spalatorie, camere cu scop recreațional, camera de sedinte, camere pentru schimburi, cat și o infirmerie cu doua paturi.

Sistemul de instalatii

Nava este doatată cu un Sistem de Descarcare Zero dotat cu un Sistem Separator de Apa/Ulei.

Nava mai este dotata cu o instalatie de tratare a apei uzate ce functioneaza pe baza de vacuum.

Un desalinizator ce funcționeaza pe principiul osmozei inverse.

Un purificator complet de combustibil.

Sistemul de comanda

Un Sistem de Management al Navei este instalat în conformitate cu cerințele ACCU, cât și cu cerintele operaționale.

Statia de comanda principala este amplasata pe Puntea de Comanda de pe al treilea nivel a turnului spatiilor de locuire/cazare.

Pe puntea principală lângă pedestalul macaralei de 600 tone metrice este amplasata o statie de comanda secundară.

Figura 5.4. Poziționarea macaralei

5.3.2. Condiții de funcționare ale navei

Nava poate fi pozitionată și ancorata pentru operatiunile de preincarcare în ape adanci de 50 de metri, în conditii de inaltime de val de cel putin 2 m, o viteza a curentului de 1,03 m/s și o viteza a vantului de 18,52 m/s.

5.4. SIMULAREA CU AJUTORUL PROGRAMULUI HOMER

A MONTĂRII UNEI EOLIENE DISPONIBILĂ ÎN PROGRAM

În acest subcapitol este prezentat un studiu de fezabilitate a unui sistem autonom de furnizare a energiei. Ca sursă potențială de energie a fost considerată o turbină eoliană.

Ca program de optimizare a fost utilizat HOMER- The Hybrid Optimization Model for

Electric Renewable.

Luând în considerare prețurile actuale a echipamentului necesar, studiul prezintă cel mai avantajos cost pentru o configurație a surselor regenerabile de energie. Una dintre cerințele majore ale unui astfel de sistem energetic este asigurarea unui flux continuu de energie prin stocarea energiei în exces de la sursa regenerabilă de energie.

Din moment ce performanța unui sistem autonom de energie depinde foarte mult de condițiile de mediu, o analiză specifică unui anumit loc necesită investigarea costurilor asociate, a mărimii elementelor componente și a economiei globale.

Programul simulează mii de configurații, optimizează costul în timpul funcționării și generează rezultate ale analizei asupra tuturor datelor de intrare, grafice cu variații în timp (zi/lună/an) ale diverselor mărimi ce intervin în sistem: energie vândută, energie cumpărată, putere produsă, energia sarcinii în cazul de față, precum și reprezentări ale dependențelor dintre aceleași mărimi.

Figura 5.5. Prezentarea poziției navei în cadrul programului

Considerăm sistemul format din:

o turbină eoliană prezentată de program de tip Vergnet GEV MP-R cu o

capacitate de 275 kW și o greutate de 21000 lbs și o durată de viață de 20 ani. Înălțimea pilonului este de 32 m. Această turbină are puterea maximă care poate fi aleasă din program și reprezintă apoximativ jumătatea turbinei reale considerate anterior.

Figura 5.6. Prezentarea turbinei eoliene

consumatorii alimentați sunt reprezentați în figura de mai jos având distribuția consumului lunar.

Figura 5.7. Analiza consumatorilor

pentru stocarea energiei se folosesc baterii de acumulatoare de tip 280kW-

1MWh Primus Power. Acestea care absorb energia prin intermediul unui convertor. Bateriile au o capacitate de 1008 kWh și un current nominal de 1200 Ah.

Figura 5.8. Specificațiile bateriilor acumulatoare

condițiile de mediu sunt precizate de program și sunt prezentate în figura de mai jos:

Figura 5.9. Condițiile de vânt impuse pentru zona aleasă

În urma simulării, programul confirmă posibilitatea utilizării turbinei eoliene în zonă și prezintă parametrii de cost ai acestei simulări.

Figura 5.10. Raportul programului

5.5. ANALIZA SISTEMELOR DE TRANSPORT A ENERGIEI LA MAL ȘI CONECTAREA LA REȚEAUA NAȚIONALĂ

Exploatarea unei ferme eoliene nu este o sarcină ușoară. Producătorii de echipamente cunosc acest lucru iar misiunea lor este să ofere produse de înaltă calitate, ce fac această sarcină mai ușor de gestionat. Responsabilitatea funcționării echipamentelor și a supravegherii lucrărilor o au operatorii centralelor eoliene și constructorii. Pentru a se asigura că fiecare proiect se execută și funcționează fără incidente pe toată durata de viață a echipamentelor, aceștia se bazează pe expertiza și experiența unor companii renumite pe piața mondială.

În cazul fermelor de eoliene offshore cel mai folosit cablu de tensiune pentru transport este de tipul 2XS(F)K2YRM 76/132. Acesta face parte din categoria cablurilor XLPE și are o capacitate de transport a de până la 145kV. Acestea cabluri sunt rezistente la apă, la presiuni mari, pot fi îngropate în nisip sau pietriș și rezistă până la o temperatura minimă de -20° C. Acest tip de cablu are firul conductor din cupru, izolat cu mai multe straturi protective de PVC, cauciuc și sârmă de oțel.

Figura. 5.11. Cablu 2XS(F)K2Y RM 76/132 de 132 – 145kV

5.5.1. Caracteristici

Tensiunea optimă de operare 132kV

Tensiunea maximă de operare 145kV

Aria secțiunii 220 mm2 / 185 mm2

Frecvența de funcționare 50 Hz

Izolație XLPE (chimic)

Greutate pe kilometru 20,9 kg/m

Cablurile sunt formate dintr-un conductor multifilar de cupru sau aluminiu, având un sistem de izolație extrudată. Toate liniile de extrudare sunt echipate cu capete multiple, ceea ce permite aplicarea simultană a izolației și a celor două semi-conductoare în straturi.

Desigur că există și alte variante ale acestui tip de conductor folosit în instalațiile eoliene. Câteva exemple ar fi XLPE de 220 kV care poate susține o tensiune de 245 kV, XLPE de 345 kV , XLPE de 400 kV și XLPE de 500 kV, care poate susține o tensiune maximă de 550 de kV. În mod normal în aplicațiile submarine, cablul este proiectat cu o manta de plumb și armătură exterioară din sârmă de oțel.

5.5.2. Conectarea la rețea

Rețeaua de distribuție impune stabilitatea tensiunii și frecvenței. Din acest motiv, trebuiesc luate măsuri speciale în ceea ce privește etapele tranzitorii de funcționare ale turbinelor eoliene, cum ar fi pornirea, oprirea sau absorbția rafalelor. În ceea ce privește pornirea, aceasta se realizează cu ajutorul unor variatoare de tensiune alternativă (VTA) cu tiristoare. Prin modificarea unghiului de comandă ale acestora, se reglează tensiunea de alimentare a mașinilor, acestea pornind pe caracteristici artificiale de tensiune. Normele de calitate a energiei, impun, ca turbinele eoliene să genereze cât mai puține armonici.

Armonicile sunt cauzate de convertoarele de tensiune și frecvență statice utilizate pentru conectarea generatoarelor la rețeaua de distribuție. Trebuie găsite soluții pentru ameliorarea acestora și utilizarea filtrelor. Totodată, trebuie asigurată și energia reactivă necesară magnetizării mașinilor. Se vrea ca aceasta să fie în proporție cât mai mică asigurată din rețeaua de distribuție.

De asemenea, trebuie ținut cont de faptul că în realitate, rețeaua de distribuție nu are putere infinită, deci stabilitatea parametrilor ei (frecvența, valoarea eficace) poate fi influențată de eolienele cu puteri din ce în ce mai mari (în prezent, până la 5 MW). Aceste probleme de conectare a eolienelor, apar în cazul fermelor de eoliene de medie putere și a eolienelor conectate la rețea cu putere mai mare de 100 kW.

Energia produsă de eoliene este vândută direct societăților care gestionează rețelele.

Componente necesare pentru a introduce energia în rețea sunt :

Transformatorul ridicător de tensiune

Generatoarele eolienelor au tensiunea nominală, în general, de ordinul a 690 V. Transformatoarele asigură conectarea acestora la rețeaua de distribuție, care în general este de 20 KV. În prezent, nu există nicio eoliană care să fie conectată direct la rețea, fără utilizarea unui transformator ridicător

Bateriile de condensatoare

Acestea sunt constituite din trei baterii de condensatoare monofazate, conectate în triunghi și sunt folosite pentru ameliorarea factorului de putere al instalației. Bateriile de condensatoare asigură și compensarea puterii reactive consumate (ca o medie, ținând cont de neregularitățile vântului).

Pentru magnetizarea mașinilor asincrone este necesară energia reactivă. Astfel, bateriile de condensatoare, fiind surse de energie reactivă, asigură local energia necesară magnetizării, ameliorând astfel factorul de putere global al eolienei. În cazul funcționării autonome a eolienelor, bateriile de condensatoare sunt folosite pentru asigurarea energiei reactive necesare magnetizării mașinii.

Eolienele pot fi clasificate în funcție de puterea lor:

Ca ordin de mărime, 1 MW reprezintă necesarul de putere a aproximativ 900 de locuințe de 3 persoane, fără încălzirea electrică.

5.5.3. Cerințe tehnice minime pentru accesul la rețea

Inițial, generarea eoliană a însemnat o provocare tehnică deosebită, în primul rând din motive operaționale. Au existat probleme determinate de specificul funcționării generatoarelor eoliene, care au dus la înrăutățirea regimurilor de funcționare și chiar la avarii de sistem.

De cele mai multe ori, cauzele acestor probleme au constat în:

– incapacitatea generatoarelor eoliene de a face față unor defecte temporare, deconectându-se de la rețeaua electrică în situații de avarie, ceea ce a dus la pierderea unei puteri însemnate și pierderea echilibrului producție-consum în sistem;

– racordarea la rețea a unor grupuri eoliene având caracteristici tehnice necorespunzătoare, cu flexibilitate redusă și reacție nefavorabilă în cazul unor perturbații în sistem, ceea ce a dus la extinderea avariilor, uneori ajungându-se până la căderea sistemului sau a unei părți semnificative a acestuia.

Pe măsură ce interesul față de generarea eoliană a evoluat, constructorii de generatoare eoliene au îmbunătățit performanțele acestora. Au fost dezvoltate funcții ce îmbunătățesc integrarea generatoarelor eoliene în sistemele energetice – proprietăți electrice avansate („advanced electrical properties”). Aceste funcții permit reglajul tensiunii, reglajul frecvenței, trecerea peste defect ș.a.m.d.

Din experiența sistemelor energetice europene, pe lângă aspectul asigurării rezervei de putere și energie de reglaj a rezultat un al doilea aspect important, și anume necesitatea existenței unor reglementări tehnice care să prevadă cerințe tehnice minime obligatorii de racordare a generatoarelor eoliene la rețelele de interes public.

Similar celorlalți producători conectați la rețea, centralele eoliene trebuie să aibă caracteristici de funcționare care să permită stabilitatea sistemului la perturbații, să nu conducă la extinderea acestora, să contribuie la amortizarea abaterilor parametrilor de funcționare și la redresarea regimului.

Pentru stabilirea caracteristicilor tehnice minime a centralelor eoliene, s-a ținut seama de standardele internaționale, de prevederile din codurile de rețea ale sistemelor care au în funcțiune astfel de centrale și de rezultatele studiilor contractate de CNTEE Transelectrica S.A.

Proprietarii centralelor eoliene sunt responsabili pentru respectarea și verificarea îndeplinirii cerințelor tehnice minime de încadrare în SEN/racordare la RET.

5.6. SCHEMELE ELECTRICE DE CIRCUIT PÂNĂ LA INTRAREA ÎN STAȚIA DE TRANSFORMARE

Pentru asigurarea unui transport în condiții de siguranță a puterii debitate de centralele eoliene, acestea au fost împărțite în 5 grupuri de câte 2 generatoare. Știind că din fiecare generator eolian generează o tensiune de 690V, transferul de putere până la stația de transformare se face cu ajutorul unor cabluri de tip H07Z-U/R/K având conductori de Cu și secțiunea de 185 mm2, cu domeniul de funcționare nominală cuprins între 450 și 750 V. Aceste cabluri sunt pozate în tuburi de protecție, în stratul de leoss la o adâncime de 1m, cu ajutorul unor piloni cu coliere îngropați în pământ.

Figura 5.12. Schema generală ce cuprinde toate cele 5 grupuri de generatoare eoliene

5.6.1. Grupul de generatoare eoliene G1-G2

5.6.2. Stațile de conectare de medie tensiune

Când ferma eoliană este compusă din mai multe turbine, energia produsă trebuie colectată pentru și apoi distribuită în rețeaua electrică printr-o stație electrică. Pentru ca acest lucru să fie posibil în condiții de maximă siguranță și eficiență, personalul de exploatare al fermei eoliene are nevoie de o stație colectoare de medie tensiune. Acesta include echipamente cum ar fi tablouri și invertoare.

Ceea ce pune soluțiile Schneider Electric mai sus de concurență este faptul că toate aceste produse au fost proiectate să funcționeze împreună, asigurând compatibilitate electrică, mecanică și de comunicație.

Soluția care s-a ales pentru acest parc eolian este :

tablouri cu izolație SF6 cu performanțe îmbunătățite pentru a se obține o continuitate mai bună a serviciului;

invertoare "Container Invertor SCB1000.2".

Invertoarele "Container Invertor SCB1000.2"

Aceste invertoare sunt amplasate în interiorul stațiilor de conectare, în cabine de beton cu armătură Portland 525 B35, ce rezistă la o sarcină de 4400kg/cm2 . Acoperișul este protejat cu Sikalastic-621 TC care are rol de sporire a eficienței energetice prin reducerea costurilor pentru răcire, creșterea protecției solare și împotriva infiltrațiilor. Grilele de ventilație sunt din poliester armat cu fibră de sticlă și sunt prevăzute cu plasa antiinsecte montată pe aspirația de aer. De asemenea, pentru evacuarea forțată a aerului, aceste cabine au montate pe partea superioară a invertoarelor niște canale.

Figura 5.14. Container Invertor folosit în stațiile de conectare

Un invertor eolian este un echipament electronic, de putere, capabil să transforme curentul electric continuu produs de turbine în curent electric alternativ monofazat sau trifazat.

În orice centrală electrică realizată pentru surse de energie regenerabile, panouri fotovoltaice, eoliene, turbine eoliene sau hidro trebuie să existe cel putin un invertor de tensiune. În centralele electrice din fermele eoliene se ajunge până la zeci, sute sau mii de invertoare.

Prin modificarea parametrului de intrare Ui constant, în parametrii de ieșire Ue și fe constanți, invertoarele de tensiune produc tensiune alternativă din tensiune continuă,.

Majoritatea invertoarelor realizează aceasta prin convertirea tensiunii continue în tensiune alternativă, urmând ridicarea acesteia printr-un transformator. Scopul este de a efectua aceste conversii cât mai eficient posibil, fără pierderi de comutație și termice prea mari, astfel încât cea mai mare parte a tensiunii continue să fie transformată în tensiune alternativă,.

Tensiunea continuă este transformată cu ajutorul a două perechi de mosfet-uri (denumite și comutatoare statice). Mosfet-urile sunt folosite drept comutatoare statice deoarece în poziția „deschis” au o impedanță tinzând la ∞,iar în poziția „închis” doar câțiva miliohmi fiind foarte aproape de scurtcircuit. În practică sunt câteva mosfet-uri conectate în paralel pentru a putea suporta curenții care apar în circuit, totuși se poate considera ca un singur mosfet.

Deoarece mosfet-urile sunt folosite într-un ciclu închis-deschis invertorul nu produce o tensiune sinusoidală pură la ieșire, comparabilă cu cea de distribuție națională. Forma tensiunii de ieșire este de fapt un șir de impulsuri dreptunghiulare alternative. Forma de undă rezultantă se numește sinusoidă „modificată”, multe din echipamentele obișnuite putând să funcționeze în parametri normali. Dezavantajul constă în faptul că tensiunea de ieșire nu conține doar armonica principală, ci și pe cele de rang superior, unele echipamente fiind nefuncționale datorită acestora.

Unele tipuri de invertoare au încorporat un pornitor care permite echipamentelor de tip motor să pornească fără a intra în regim de protecție automată (curentul de pornire al acestor echipamente fiind de aproximativ Ip = 3…10 In ). Unele modele sunt dotate cu module de pornire automată, astfel încât se opresc din funcționare în momentul în care sarcina este decuplată, dar repornesc în momentul cuplării acesteia. Acest lucru se realizează doar dacă sarcina are încorporat un circuit de stand-by. Acest circuit permite circulația unui curent mic, care acționează în sensul deconectării etajului de putere al invertorului. În momentul cuplării etajului de forță a sarcinii, curentul crește, determinând cuplarea etajului de putere al invertorului.

5.7. SCHEMA ELECTRICĂ A STAȚIEI DE TRANSFORMARE ȘI CONECTARE LA REȚEAUA DE TRANSPORT

Figura 5.15. Schema electrică a stației de transformare

Soluția pentru racordare la rețeaua electrică de distribuție și pentru extinderea duratei de viață a instalației este puțin mai complicată. Racordarea la rețeaua electrică aduce cu sine un set unic de provocări: supratensiuni, goluri de tensiune, distorsiuni și desigur cerințele stricte ale codului de rețea. Chiar și cele mai mici schimbări ale fluxurilor de putere pot acționa întreruptoarele circuitului, determinând suprasarcini pe liniile învecinate și provocând avarii în lanț.

Soluția cuprinde tablouri electrice pentru distribuția primară, cu izolație SF6, proiectată pentru a garanta siguranță maximă în condiții de spațiu redus. La construcția tabloului trebuie să se aibă în vedere că acesta să nu fie afectat de condițiile de mediu și să permită o continuitate superioară a serviciului.

Figura 5.16. Stația de transformare și racordare la rețea

5.7.1. Comutatoare de alegere, butoane de comandă, lămpi de semnalizare

Comutatoarele trebuie să corespundă cerințelor CEI 60337. Construcția lor trebuie să nu permită acționarea incorectă sau blocarea, iar pachetele trebuie să fie bine strânse și izolate corespunzător între ele (conform cerințelor CEI 60204). Comutatoarele trebuie să fie prevăzute contacte auxiliare pentru semnalizarea la distanță a poziției de lucru. Butoanele și lămpile trebuie să corespundă cerințelor CEI 60947.

5.7.2. Transportul de energie

În centralele eoliene, condițiile de funcționare sunt din cele mai grele. Temperaturile scăzute sau prea ridicate, umiditatea excesivă și chiar fulgerele, sunt doar câteva din condițiile de mediu cărora echipamentele trebuie să le facă față. Este necesar să se aleagă un furnizor pentru fiecare dintre părțile care alcătuiesc circuitele auxiliare, de la tablouri de comandă până la relee de protecție.

Pentru această proiectare am ales Schneider Electric. Acest producător oferă toate echipamentele și componentele necesare, fiind garantate să reziste în condițiile ce mai dure din turbinele eoliene. Acestea îndeplinesc toate cerințele în ceea ce privește siguranța, posibilitatea de modernizare și controlul costurilor pe durata de funcționare.

Am ales de la această companie :

tehnologie verificată, inovatoare, care este simplu de utilizat, compactă și care satisface toate cerințele de control și semnalizare;

tablouri de comandă robuste, care asigură instalarea în siguranță și funcționarea fiabilă;

soft startere și variatoare de viteză (VSDs) care cresc atât precizia, cât și fiabilitatea.

protecție robustă împotriva descărcărilor atmosferice;

interfața om-mașină (HMIs) care asigură exploatarea eficientă economic cu acces de pretutindeni;

Cablul pentru transportul energiei de la centralele eoliene la stațiile de conectare a fost ales de tipul H07Z-U/R/K 450/750 V cu secțiunea de 185 mm2 . Acesta poate susține tensiuni de până la 750 V.

Figura 5.17. Dispozitiv de comandă și control cu interfață HMI

CONCLUZII

Energia eoliană sau energia vântului, este considerată oarecum o formă de energie solară, pentru că vântul este produs mai ales de încălzirea neuniformă a atmosferei terestre de către Soare. Neregularitățile scoarței terestre și mișcarea de rotație a Pământului în jurul axei proprii contribuie si ele, de asemenea, la formarea vântului.

În contextul actual, caracterizat de creșterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea dependenței de acești combustibili.

Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluție foarte bună la problema energetică globală. Utilizarea resurselor regenerabile se adresează nu numai producerii de energie, dar prin modul particular de generare reformulează și modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor.

Energia eoliană în special este printre formele de energie regenerabilă care se pretează aplicațiilor la scară redusă.

Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanțe poluante și gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili.

Nu se produc deșeuri. Producerea de energie eoliană nu implică producerea nici unui fel de deșeuri.

La finalul capitolului doi au fost prezentate turbinele utilizate în domeniul naval de tip:

– Hywind fixă de 3,7 MW produsă în Norvegia de firma Siemens;

– Blue HTLP scufundată la adâncime, produsă de firma Blue H în Olanda cu puterea instalată 5-7 MW;

– Wind Float semiscufundată produsă de firma Vestas cu puterea de 5-7 MW, folosintă în Portugalia;

– Floating Haliade 150 cu platformî de tip picior tensionat, produsă de firma Alstrom cu capacitatea de 6 MW;

– Winflo semiscufundată de 2,5 MW folosită în Franța;

– PelaStar cu platformă pe picior tensionat, utilizată în SUA având o putere de 2,5 MW;

– Ideol cu flotor de beton de 6 MW, utilizată din anul 2014 în Franța;

– Parcul eolian Hexicon Energy cu structura cu flotori, cu o capacitate de 54 MW pentru vânt și 15 MW pentru captarea valurilor utilizat în Suedia;

Capitolul trei prezintă posibilitatea folosirii energiei eoliene pe mare prezentându-se aspecte deosebite privind: principiul de funcționare al turbinelor eoliene, clasificarea turbinelor eoliene, părțile componente, proiectarea principalelor elemente electrice ale sistemului precum și sisteme de utilizare a energiei electrice obținute din energie eoliană.

Ultimile două capitole ale lucrării studiază aspecte deosebite privind considerații de calcul și proiectarea a generatoarelor eoliene marine acesta fiind structurat în: alegerea locului de montare a parcului, indicatori economici, prezentarea construcției parcului, procese tehnologice de producție a eolienelor fixe, procese tehnologice de producție, analiza navei de transport și montaj turbine eoliene, simularea cu ajutorul programului Homer a montării eolienei, analiza sistemelor de transport la mal și conectarea la rețeaua națională, scheme electrice de circuit până la intrarea în stația de transformare, schema electrică a stației de transformare și conectare la rețeaua de transport.

Costul cablurilor și fundațiile din largul mării sunt principalii doi factori majori care influențează puternic costul investiției. Costul investiției pentru instalarea unei turbine off-shore poate să fie mai mare de 1,5-2 ori decât o turbină on-shore. Costurile conectării la rețea sunt în mod uzual cu 25% mai mari decât în cazul on-shore.

Un parc eolian de tip off-shore este format din mai multe turbine eoliene ancorate în amplasament sub diverse moduri. Elementele definitorii ale acestui lucru vor fi studiate în acest capitol și sunt structurate astfel:

– turbinele eoliene;

– piloni pentru turbine eoliene;

– fundațiile;

– racordarea la rețea.

Parcul eolian se va monta în zona Eforie în minigolful creat de digul Portului Constanța. Parcul ale o putere de instalată de 25 MW fiind alcătuit din 10 de eoliene cu o putere fiecare de 2,5 MW.

Principalele activități pentru lucrările de rezistenta ale fundației și instalarea turbinei sunt:

Armarea fundației cu armaturi de otel-beton.

Turnarea betonului în fundație. Betonul este livrat direct la amplasament cu nava tehnică. Cantitatea de beton utilizata la realizarea celor 30 fundații este de cca 75.000 mc.

Instalarea turbinei eoliene cu ajutorul macaralei: secțiunile turnului (4 tronsoane), nacela, axul rotor cu pale.

BIBLIOGRAFIE

Constantin Bala – Masini electrice- Ed.Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1982.

Marius Babescu – Masini electrice. Culegere de probleme rezolvate – Ed. Tehnica, Bucuresti 1996.

Năstase Bichir, Constantin Raduti, Ana Sofia Diculescu – Masini electrice – Ed. Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1979.

Ioan Boldea– Transformatoare si masini electrice – Ed.Didactica si Pedagogica, Bucuresti 1994.

Ioan Boldea, Gheorghe Atanasiu – Analiza unitara a masinilor electrice – Ed. Academiei RSR, București 1987

Ion Cioc, Nastase Bichir, Nicolae Cristea – Masini electrice. Indrumar de proiectare. Vol. I, II, III. – Ed. Scrisul Românesc ,Craiova, 1981.

Kelemen G., Ursa D. – Alternativa energetica. Partea I. Argumente in favoarea utilizarii energiei solare, Rev. Tehnica instalatiilor nr. 5/2003.

Kelemen G., Ursa D. – Alternativa eneregtica. Partea II. Aplicatii ale sistemelor solare in instalatiile pentru constructii, Rev. Tehnica instalatiilor nr. 6/2003

Al. Stănescu, S. Bucurenciu, St Petrescu, Utilizarea energiei solare Editura Tehnică 1980

Volker Quaschning, Understanding Renewable Energy Systems, ISBN: 1-84407-128-6

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabil

http://www.ecomagazin.ro/energie-solara

http://www1.eere.energy.gov/solar/sh_basics_collectors.html#evacuatedtube

http://www.lpelectric.ro/ro/applications/applications_cab_ro.html

http://gotpowered.com/2011/enercon-e-ship-1-wind-powered-ship/

http://www.treehugger.com/cars/carbon-neutral-sail-powered-cargo-ships-scheduled-to-return-to-european-waters-in-2012.html

http://www.eeweb.com/blog/greg_atkinson/design-of-aquarius-solar-power-array-starts

http://ecofriend.com/eco-ships-nyk-shows-the-future-of-shipping-in-the-fuel-cell-powered-eco-ship-2030.html

http://www.b9energy.com/B9Shipping/tabid/4036/language/en-US/Default.aspx

http://www.naturenergy.ro/index.php?pag=7&id=560&titlu_pagina=Vapoarele%20viitorului,%20propulsate%20de%20energia%20solara,%20a%20v%C3%A2ntului%20si%20a%20valurilor

Skysails – Plus – Top 10 Green Ship Designs

http://www.scritube.com/diverse/Lucrari-de-intretinere-la-bord2211011119.php

http://www.theengineer.co.uk/in-depth/analysis/harnessing-the-sun-the-wind-and-the-sea-with-e/s-orcelle/1008538.article?sm=1008538

http://www.marineinsight.com/sports-luxury/futuristic-shipping/10-future-ships-that-would-change-the-face-of-the-shipping-industry/