Licenta Generator Eolian De Tip Darrieus2 [306328]
Introducere
Energia regenerabilă este o resursă naturală care se reînnoiește în mod constant în intervale de timp relativ scurte. [anonimizat], cum sunt: cărbunele, petrolul și gazele naturale. Sursele regenerabile sunt utilizate pentru a [anonimizat], dar și pentru producția de combustibili pentru transport.
[anonimizat] a curenților de aer (sau energie eoliană) în mișcare în energie electrică.
Omenirea folosește energie eoliana de mii de ani. Vântul a fost folosit pentru a umfla velele corăbiilor și la punerea în funcțiune a morilor de vânt. Energia vîntului a fost întotdeauna disponibilă în aproape toate colțurile Pămîntului. Energia eoliană este ecologică: [anonimizat]. Vîntul, [anonimizat]. Această sursă de energie poate fi utilizată descentralizat. Nu este nevoie de linii de distribuție a energiei electrice.
Capitolul I. Studiu documentar
1.1. [anonimizat], pomparea apei pentru irigare sau prevenirea inundațiilor în zone joase față de nivelul oceanului.
Fig. 1.1. Concept moară de vânt persană 773 d.Hr.1
[anonimizat] 5.000 ani în urmă. În jurul anului 700, [anonimizat]. [anonimizat], sunt una din cele mai mari performanțe a secolelor medii. Moara de vânt este strămoșul generatoarelor eoliene. .(PARTICULARITĂȚI SPECIFICE PRIVIND DEZVOLTAREA MICROTURBINELOR EOLIENE COMBINATE CU AX VERTICAL G. Porcescu, MSc Universitatea Tehnică a Moldovei)
Fig. 1.2. Moară de vânt (foto 1939) (https://en.wikipedia.org/wiki/The_Old_Mill_(Nantucket,_Massachusetts)
O [anonimizat], iar una dintre ele este prin adaugarea unor pânze pe pale pentru a [anonimizat].
Fig. 1.3. Moară de vânt cu pale din pânză ( http://www.olympia.nl/home1-5/griekenland/kos/pages-kos/atmz/beziensw-antimachia-kos.html)
Și perioada Renașterii și-a pus amprenta pe dezvoltarea energiei eoliene de-a lungul evolutiei sale. [anonimizat], s-a fost inspirat de la morile de vânt pentru a duce la realizare multe din invoatiile sale.Acesta a fost punctual de înmulțire al morilor de vânt în Europa. S-a adăugat un material mai rezistent în construcția acestora și anume: metalul; s-a [anonimizat] “eoliene”. (https://dokumen.tips/documents/centrala-eoliana.html)
Fig. 1.4. Moară de vânt modernă (sursa http://www.babilim.co.uk/)
1.2. Istoria generării energiei cu ajutorul vântului
Prima țară care a folosit vântul pentru a produce energie electriă a fost Danemarca. Danezii foloseau în anul 1890 o turbina cu un diametru de 23 de metri pentru generarea electricității. Până în anul 1910, în Danemarca erau opționale câteva sute de unități cu capacități de la 5 la 25 kw.
În anul 1925 au apărut pe piața din America centrele electrice bazate pe puterea vântului ce foloseau elici cu două sau trei palete. Mărcile cele mai comune erau Wincharger și Jacobs. Acestea erau folosite la încărcarea bateriilor de stocare utilizate la alimentarea aparatelor radio, lămpilor și a dispozitivelor mici de voltaje de 12,32V sau 100V.
Pentru construcția liniilor necesare pentru alimentarea cu electricitate a fermierilor s-au acordat împrumuturi de interes scăzut. În jurul anului 1939, energia electrică putea furniza clienților la un preț de 3 până la 6 cenți pe kWh. Incluzând costurile de interes, de preciere și mentenanță, prețul corespunzător energiei generate cu ajutorul vântului era de 12 până la 36 cenți, ducând la sfârșitul rapid al generatorului electri domestic acționat de vânt.
În afară de generarea domestică a energiei electrice, un număr de companii din întreaga lume s-au ocupat de construirea de turbine electrice de vânt mai mari, pentru furnizarea energiei electrice către clienții lor. Cea mai mare turbină de vânt construită înainte de sfârșitul anilor ‘70 a fost o instalație de 1250 kW realizată de Grandpa’s Knob, lângă Rutland, Vermond, în 1941.
Conceptul pentru aceasta a pornit în 1934 când inginerul Palmer C. Putnam a început să privească generatoarele electrice acționate de vânt ca o metodă de reducere a costului energiei electrice necesare alimentării casei sale din Cape Cod. În 1939, Putnam și-a prezentat ideea si rezultatele unui proiect energetic, luând astfel naștere experimentul turbinei de vânt Putnam-Smith. Instalația de vânt urma să fie conectată la rețeaua corporației Central Vermont Public Corporation.(Jhonson, G.L.,2001. Wind Energy Systems(electronic edition). Manhattan KS)
Fig. 1.5. Turbina eoliană Putnam-Smith (http://www.wind-works.org/cms/index.php?id=223)
Instalația Putnam-Smith avea un turn cu înălțimea de 34 metri și un rotor cu diametrul de 53 metri. Rotorul avea o săgeată de 3.45 metri. Fiecare din cele două palete erau din otel inoxidabil și cântăreau 7300 kg. Înclinarea paletei era reglabilă, pentru a asigura o viteză constantă a rotorului de 28,7 rot/min. Această vitezăde rotație era menținută pentru viteze ale vântului până la 32 m/s. La viteze ale vântului mai mari, paletele erau aliniate cu vântul și instalația se oprea. Rotorul acționa un generator asincron care producea o putere electriă de 1250kW la viteze ale vântului mai mari de 13 m/s.
Între anii 1941 și 1945, instalația Putnam-Smith a acumulat aproximativ 1100 ore de funcționare. Ar fi acumult mai multe ore dacă nu se punea problema funcționării de piese critice de schimb în timpul războiului. În 1945 s-a defectat una din palete, cauză principală fiind mai degrabă design-ul inadecvat decât limitările tehnologice. Proiectul a fost revizuit și s-a dovedit a fi un succes tehnologic. Totuși, economia din acea vreme nu a justificat construcția mai multor astfel de instalații. Se pare că instalații Putnam-Smith suplimentare puteau fi construite cu aproximativ 190 $/kW putere instalată. Această diferență era prea mare, astfel încât proiectul a fost stopat și instalația de vânt a fost demontată.
Rezultatele tehnologice ale turbinei Putnam-Smith l-au convins pe Percy H.Thomas, un inginer din „ Power Commision, să investească 10 ani în analiza detaliată a generării electricității cu ajutorul puterii vântului. Thomas a utilizat date economice de la turbina Putnam-Smith și a ajuns la concluzia că, pentru o fiabilitate economică, sunt necesare instalații și mai mari. El a proiectat două instalații cu capacitățile presupuse de el a fi cele mai potrivite. Una avea capacitatea de 6500 kW, iar cealaltă 7500 kW. Înălțimea turnului de instalației de 6500 kW trebuia să fie de 145 metri cu două rotoare fiecare cu un diametru de 61 metri. Fiecare rotor trebuia să conducă un generator de curent continuu. Prin intermediul unui convertizor cuplat la rețeaua de putere, curentul continuu era transformat în curent alternativ.
Thomas a estimat costul capital pentru instalația sa, ca fiind 75 $/kW putere instalată. Acesta era destul de scăzut pentru a capta interesul, astfel Comisia Federală de Energie a abordat Congresul în vederea finanțării unui prototip pentru această instalație. Acest lucru se întampla în 1951, când începea și războiul din Coreea și, deci, Congresul a ales să nu finanțeze prototipul. Proiectul a fost mai târziu anulat. Acest lucru a marcat sfârșitul cercetărilor americane în domeniul puterii vântului pentru aproape 20 de ani, până când resursele de combustibil au devenit o problemă.
Alte țări au continuat cercetările asupra puterii vântului pentru o perioadă mai lungă de timp. Danemarca a construit turbina Gedser în 1957. Aceasta turbină producea 20 kW la o viteza a vântului de 15 m/s. Era conectată la sistemul electric public danez și producea aproximativ 400000 kWh pe an. Turnul avea 26 de metri înalțime, iar rotorul avea 24 metri în diametru. Generatorul se afla în carcasa din vârful turnului. Costurile de instalare pentru acest sistem erau de aproximativ 250 $/kW. Această turbină de vânt a funcționat până în 1968, când a fost oprită.
Fig. 1.6. Turbina Gedser (http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/en/pictures/juul.htm)
Dr. Ulrich Hutter din Germania a construit o instalație de 100 kW în 1957. Atingea puterea pentru o viteză a vântului de 8 m/s, care este substanțial mai mică decâ cea necesară instalațiilor menționate anterior. Această instalație avea în componență palete din fibră de sticlă cu o greutate specifică mică, cu diametrul de 35 metri, un turn cilindric tubular susținut cu sârme și ancore. Panta paletei se schimba la viteze ale vântului mai mari, pentru a păstra constantă viteza unghiulară a elicei. Turbina Dr. Hutter a funcționat peste 4000 de ore în 11 ani, la putere nominală maximă, o mărime substanțială pentru o instalație experimentală. Ea a adus o contribuție importantă în proiectarea unor turbine de vânt mai mari. (Jhonson, G.L.,2001. Wind Energy Systems. Manhattan KS)
Studiu privind turbina de vânt cu ax vertical de tip Darrieus
Majoritatea turbinelor de vânt proiectate pentru generarea energiei electrice, erau construite cu două sau trei palete ce se roteau în jurul unei axe orizontale. Paletele aveau tendința să fie costisitoare, obiecte de înaltă tehnologie, iar turbina trebuia orientată în vânt, o altă sarcină costisitoare pentru instalațiile de mari dimensiuni. Aceste problem i-au condus pe mulți cercetători spre a căuta soluții ce constau în instalații mai simple și mai putin costisitoare.
Aceste tipuri de instalații au suferit nenumărate schimbări. Turbina Darrieus a fost patentată în S.U.A. de către G.J.M. Darrieus în 1931. Aceasta este una dintre turbinele care a avut parte de o varietate mare de schimbări. A fost reinventată de către inginerii de la Consiliul Național de Cercetare din Canada, la începutul anilor ’70. În anul 1974, laboratoarele Sandi au construit o turbină Darrieus cu un diamtreu de 5 metri în anul 1974 și atunci s-au implicat foarte tare în viitoarele cercetări despre aceasta turbină. (2D CFD simulation of dynamic stall on a vertical axis wind turbine: verification and validation with PIV measurements)
Fig. 1.7. Turbina Darriues construita de firma FloWind (https://www.symscape.com/blog/vertical_axis_wind_turbine)
În figura 1.7. este prezentată o turbină Darrieus de 17 metri construită de firma FloWind, care nu mai este activă în prezent.
Turbina Darrieus are câteva caracteristici atractiva, una dintre acestea este că instalația se rotește in jurul axei verticale și nu mai trebuie orientată pe direcția vântului. O altă caracteristică importantă este aceea că paletele au forma unei corzi, asupra ei acționând astfel toate forțele centrifuge mari. Această formă este numita ”troposkein”. De vreme ce paleta funcționează sub o tensiune aproape pură, este suficient o lamă relativ ușoară și ieftină. Un alt avantaj îl constituie amplasamentul aproape de sol ale: trenului de putere, generatorul și elementele de comandă, fiind astfel ușor de construit și întreținut. Eficiența unei astfel de turbine Darrieus, este aproape la fel de bună ca în cazul turbinelor cu ax orizontal. Din punct de vedere al costului, turbina Darrieus este mai puțin costisitoare.
Un dezavantaj al turbinei Darrieus este că, în mod normal, nu poate porni singură. Adică, în momente în care vântul are o viteză prea mică și turbina s-a oprit, aceasta nu repornește când viteza vantului crește înapoi. Pornirea este realizată cu ajutorul unui motor inductiv legat la rețeaua locală a instalației. Acesta nu este, în mod necesar, un dezavantaj major, deoarece același motor inductiv poate fi folosit ca un generator inductiv pentru furnizarea de putere electrica necesara rețelei utilitare, atunci când turbina se află la viteza operațională . Instalațiile inductive sunt simple, nu necesită finisaje și nu necesită alte organe de control în afară de un contractor pentru a conecta instalația la rețeaua utilitară. Pentru aceste motive, ele sunt des folosite ca generatoare eoliene. (2D CFD simulation of dynamic stall on a vertical axis wind turbine: verification and validation with PIV measurements)
Prima turbină Darrieus de dimensiuni mari a fost o instalație de 230 kW construită de Lagdalen Island, Quebec, Canada; în mai 1977 de către firma Dominion Aluminium Fabricators din Ontario, Canada. Puterea medie la ieșire a acestei instalații era de 100 kW în primul an de funcționare, care este destul de bună. Apoi s-a observat un zgomot la transmisie iar instalația a fost oprită pentru inspecție și reparații. În timpul inspecției au fost scoase frânele, lucru care nu trebuia să fie periculos de vreme ce turbina nu trebuia să fie capabilă să pornească singură.
Pe 6 iulie 1978, turbina a pornit singură si fără nici o încărcare (sarcină) sau alt mijloc de a o opri, a trecut peste viteza de 38 m/s pentru care fusese proiectată. Spoilerele nu s-au activat cum trebuie, iar când turbina a atins viteza de 68 rot/min s-a rupt cablul de susținere lăsând turbina să se prăbușească. Probabil că cea mai importantă lecție învățată din acest accident a fost accea ca turbina Darrieus poate porni câteodataă, în anumite condiții de rafale neobișnuite, iar sistemul de frânare trebuie proiectat ținându-se cond de acest fapt.
Un efort de dezvoltare major al turbinelor Darrieus a fost depus de către compania Alcoa, din America. Prima dată s-a proiectat o instalație cu un diametru de 5.5 metri, care ar fi produs o putere de aproximativ 8 kW, dar s-a renunțat la aceste dimensiuni în favoarea unor instalații mai mari si mai economice. Alte dimensiuni dezvoltate de Alcoa includ un diametru de 12.8 metri (de la 30 la 60 kW), un diametru de 17 metri (de la 60 la 100 kW) și un diametru de 25 metri (de la 300 la 500 kW) în funcție de raportul de transmitere al transmisiei.
Fig. 1.8. Paleta din aluminiu extrudat, de la turbina Darrieus în timpul fabricației (https://www.turbinesinfo.com/darrieus-wind-turbines/)
Scandia a continuat să lucreze la teoria turbinelor Darrieus de-a lungul anilor 1980, astfel încât turbina este înțeleasă foarte bine astăzi. Se pare că nu există nici un motiv ca turbina Darrieus să nu fie un contribuitor important la producerea de energie cu ajutorul vântului. Este nevoie doar de o companie mare, care să fie disponibilă să poată extruda aluminiu și să aștepte câțiva ani înainte să obțină un profit semnificativ din investiție.
Cea mai mare turbină eoliana cu ax vertical de tip Darrieus a fost construită în Canada, în Insulele Magdalen (fig. 1.9), având o putere instalata de 4 MW. Aceasta a fost folosită în mod curent pentru a produce doar 2.5 MW pentru a proteja structura mecanică a turbinei. La ora actuală, aceasta este scoasă din uz, datorită ineficienței în operare. Costurile pentru dezafectarea agregatului fiind extrem de mari, în acest moment turbina reprezintă doar o atracție turistică.
Fig. 1.9. Turbina eoliană cu ax vertical tip Darrieus 4 MW (https://en.wikipedia.org/wiki/Darrieus_wind_turbine)
1.4. Studiu privind turbina de vânt cu ax orizontal
Programul Federal pentru energia vântului își are începutul în 1972, când o întâlnire a membrilor societăților Fundația Națională de Științe și Administrația Națională Aeronautică și Spațială din America, a recomandat dezvoltarea energiei vântuluiîn vederea lărgirii listei de noi surse de energie pentru care să poată opta națiunea. În 1973, NSF i-a fost atribuită responsabilitatea pentru Programul Federal pentru Energia Solara, din care făcea parte și energia vântului. Centrul de Cercetare Lewis, un Laborator Federal control de NASA, a fost selectat pentru a se ocupa de dezvoltarea tehnică și amplasarea inițială a turbinelor mari de vânt. Încă din 1974, NASA a fost finanțată de NFS pentru a proiecta, construi și opera o turbină de vânt (numită MOD-0), în scopul cercetării, în scopul de a iniția studii despre turbine de vânt pentru aplicații utilitare, și inițierea unui program de cercetare și dezvoltare tehnologică pentru turbine de vânt.
În perioada de dupa 1973, s-au implicat și alte laboratoare federale în diferite aspecte ale sistemelor de colectare a energiei vântului. Laboratoarele Sandia, un laborator DOE, ce se află în Albuquerque, New Mexico, a devenit responsabil de cercetări sponsorizate asupra turbinelor de vânt Darrieus. Laboratoarele Battle Pacific Northwest din Richland, Washington, au devenit responsabile cu evaluarea surselor de vânt. Institutul de Cercetare a Energiei Solare din Golden, Colorado, a devenit responsabil cu turbinele de vânt inovative. Studiul turbinelor de vânt mici era condus de Rockwell International la centrul lor de la Rocky Flots de lângă Golden, Colorado. Aplicațiile în domeniul agriculturii erau susținute de Departamentul de Agricultură al S.U.A. , prin instalațiile de la Beltsvile, Maryland și Bushland, Texas. Această diviziare a efortului permitea ca ppersonalul și instalațiile existente să se axeze pe studiul puterii vântului, pentru ca rezultatele să poată fi obținute într-o perioadă relativ scurtă de timp.
1.4.1. Turbina eoliana MOD-0
Încă de la începutul programului s-a decis ca turbina MOD-0 sa fie evaluată la 100 kW, pentru o configurație cu două palete, la un diametru de 38 de metri.Această instalație va încorpora cât mai multe aplicații din aeronautică, materiale performante, aplicandu-se la datele obținute din vremea instalației Putnam-Smith. Instalațiile cu două palete, au fost construite în mărimi mai mari și au operat mai multe ore decât toate celelalte tipuri de turbine, deci, încă de la început, aveau cea mai mare probabilitate de funcționare rezonabila. Din motive politice, era foarte important a aduce ceva funcțional cât mai repede posibil. Această instalație a devenit operațională în 1975 la centrul de colectare Plum Brook al Nasa de langa Sandusky, Ohio.
MOD-0 era proiectată astfel încât rotorul să se învârtească cu viteză constantă de 40 rot/min, cu excepția momentelor de pornire și oprire. O transmisie creștea turația la 1800 rot/min, pentru a acționa un generator asincron care era conectat la rețeaua utilitară. Pornirea se făcea prin activarea unui sistem hidraulic astfel încât viteza rotorului să fie menținută la 40 rot/min. În acest moment era activat un sincronizator, curentul generat fiind sincronizat cu rețeaua utilitară.
Daca viteza vântului scădea sub valoarea necesară obținerii puterii de la rotorul cu viteza de 40 rot/min, generatorul era deconectat de la rețeaua utilitară, paletele erau poziționate sub formă de drapel (înclinate astfel încât să nu mai genereze putere la ieșire) iar rotorului îi era permisă oprirea. Toți pașii de pornire, sincronizare controlul puterii și oprirea, erau controlați de un microscop.
Fig. 1.11. Sistem acționat prin puterea vântului NSF-NASA MOD-0 (MOD-1 WIND TURBINE GENERATOR ANALYSIS AND DESIGN REPORT General Electric Company Space Division May 1979)
Tensiunile din paletele de aluminiu erau prea mici când unitatea a fost pusă pentru prima oară în funcțiune, iar umbra turnului a fost determinată ca fiind prea mare. Turnul bloca fluxul de aer mult mai mult decât se estimase. O scară din interiorul turnului care fusese adaugată mai târziu în plan, a fost îndepărtată rezolvandu-se astfel problema.
În afară de aceasta problemă de blocaj a turnului, MOD-0 s-a comportat destul de bine și a furnizat o bună bază de experiență pentru proiectarea unor turbine mai mari și mai bune. În 1975 s-a luat decizia de construire a mai multor astfel de turbine, numite MOD-0A. Dimensiunile turnului și ale rotorului rămâneau aceleași, însă capacitatea generatorului a fost dublată de la 100 la 200 kW. Puterea superioară urma sa fie produsă la viteze ale vântului ceva mai mari decât viteza vântului estimată pentru MOD-0.
Prima MOD-0A a fost instalată la Calyton, New Mexico spre sfârșitul anului 1977, cea de-a doua la Culebra, Puerto Rico la mijlocul anului 1978, cea de-a treia, la Block Island, Rhode Island la începutul anului 1979, și cea de-a patra la Kahuku Point, Ohau, Hawaii la începutul anului 1980. Primele trei instalații foloseau palete din aluminiu, pe când cea din Kahuku folosea palete din compuși de lemn. Paletele din lemn cântăreau 1360 kg fiecare, cu 320 kg mai mult decât cele din aluminiu, dar durata de viață era mai mare.
Predecesoarele turbinelor MOD-0 și MOD-0A au fost o serie de alte instalații: MOD-1, MOD-2, etc. (MOD-1 WIND TURBINE GENERATOR ANALYSIS AND DESIGN REPORT)
1.4.2. Turbina eoliană MOD-1
Fig.1.12. Turbina eoliana NASA / GE MOD-1 din Boone, Carolina de Nord a fost prima turbina din lume care produce 2 MW (https://en.wikipedia.org/wiki/NASA_wind_turbines#/media/File:NASA_Mod_1_wind_turbine.jpg)
MOD-1 a fost construită ca o instalație de 2000 kW cu un diametru al rotorului de 61 metri. Controlul total al înclinației anvergurii a fost folosit pentru reglarea vitezei rotorului la o valoare constantă de 35 rot/min. Instalația a fost construită la finalul anului 1978 la Howard’s Knob, lângă Boone, Carolina de Nord. Viteza vântului estimată pentru MOD-1 era de 14 m/s la înalțimea centrului, semnificativ mai mare decât celorlalte turbine. Acest lucru permite turbinei MOD-1 să aibă o putere nominală de 10 ori mai mare decât MOD-0A.
Transmisia si generatorul aveau un aspect asemănător cu cele de la MOD-0A, cu excepția gabaritului. Turnul avea o formă de grindă tubulară din oțel. Compania General Electric, Space Divizion din Philadelphia, Pennsylvania era cotractorul principal pentru proiectarea, fabricarea și instalarea turbinei MOD-1.
Datorită costurilor anticipate mari pentru construirea turbinei MOD-1, în stadiul de proiectare; principalele aspecte luate în considerare erau criteriul de proiectare a turnului, sistemului de control al înclinației paletei care implică mecanisme grele și complicate și un spațiu mare în zona centrala și un postament masiv ce suporta greutatea din vârful turnului. Un număr mare de posibile îmbunătățiri ce puteau fi aduse au fost observate târziu pentru a mai putea fi incluse în construcție. A fost construită o singură instalație datorită costurilor mari din producție. La fel ca MOD-0, instalația a fost folosită doar ca unitate de testare pentru a ajuta la proiectarea generațiilor mai noi de turbine.
MOD-1 a întâmpinat ca primă problemă, producerea de vibrații infraacustice care ar fi influențat ferestrele caselor din împrejurimi. Rotorul ar fi interacționat cu turnul producând două pulsații pe rotație, rezultând o frecvență de vibrație de aproximativ 12 Hz. Tehnicile de reducere a acestor neplăceri includeau reducerea vitezei de rotație și înlocuirea paletelor de oțel cu unele din fibră de sticlă. Alte probleme operaționale, inclusiv un ax de viteză redusă rupt, plus reducerea fondurilor federale, au cauzat demontarea turbinei MOD-1 în 1982. (MOD-1 WIND TURBINE GENERATOR ANALYSIS AND DESIGN REPORT)
1.4.3. Turbina eoliană MOD-2
Următoarea instalație din aceste serii, MOD-2, a reprezentat un efort de a construi o instalație cu adevărat competitivă din punct de vedere al costului.
Rotorul avea două palete, un diametru de 91.5 metri și se apla în fața vântului în raport cu turnul. Viteza rotorului era menținută la o valoare constantă de 17.5 rot/min. Puterea nominala era de 2500 kW(2.5 MW), la o viteză a vântului de 12.3 m/s măsurată la înălțimea centrului axului de 61 metri. Pentru simplificarea configurației și reducerea greutății și a costului, s-a folosit controlul parțial al înclinației anvergurii în locul celui total: doar 30 % ale paletei de rotire pentru controlul turației și puterii rotorului.
Pentru a reduce încărcăturile asupra sistemului, cauzate de rafalele de vânt și de efortul tangențial al vântului, rotorul a fost proiectat astfel încât să permita balansarea cu până la 5 grade în planul de rotație în jurul unui punct de pivotare vertical. Acesta a redus încărcăturile, greutatea îi deci costul rotorului, nacelei și al turnului.
Turnul turbinei MOD-2 era proiectat să fie flexibil. Flexibilitatea se referă la primul mod de frecvență naturală a turnului în raport cu frecvența opțională a sistemului. Pentru un motor cu două palete, turnul primește de două ori la o rotație a rotorului. Dacă frecvența de rezonanță a turnului este mai mare decât frecvența de excitație, atunci rotorul este considerat rigid. Un turn este considerat flexibil dacă frecvența de rezonanță este mai mică decât cea de excitare. Turnul turbinei MOD-2 era exitat de frecvența sa de rezonanță doar pe perioade scurte de timp în momentul pornirii și opririi așa că trebuia să se acorde o atenție deosebită acestor momente pentru ca oscilația să nu crească prea mult și să deterioreze turnul.
Fig.1.13. Trei turbine eoliene MOD-2,Goodnoe Hills în 1981 (https://en.wikipedia.org/wiki/NASA_wind_turbines)
Turnul instalației MOD-2 avea forma unui tub cilindric din oțel sudat. Acest design era mai eficient din punct de vedere al costului decât cel deschis compus din grinzi cu zăbrele caracteristic primelor generații de instalații.
Sistemul de numerotare a întâmpinat câteva probleme în acest timp, întrucât următoarea isntalație după MOD-2 a fost MOD-5. De fapt, această a treia generație de instalații a fost proiectată de două companii distincte, cu versiunea de la General Electric care a fost numita MOD-5A, în timp ce versiunea de la Boeing a fost denumită MOD-5B. Obiectivele programelor MOD-2 și MOD-5 erau identice cu excepția că prețul țintă aș energiei electrice a fost redus cu 25% la 3.75 cenți/kWh în dolarii anilor 1980. (The Mod-2 Wind Turbine Development Project)
1.4.4. Turbina eoliana MOD-5
Proiectul realizat de General Electric pentru turbina MOD-5A avea nevoie de un rotor cu diametrul de 122 metri și avea o putere nominală de 2.6 MW. Puterea nominală ar fi fost atinsă la o viteză a vântului de 13 m/s măsurată la înălțimea axului de 76 metri. Rotorul din lemn ar fi avut două viteze de rotație: 13 și 17 m/s în funcție de condițiile de vânt.
Turbina MOD-5 de la Boeing, a fost proiectată ca o instalație și mai mare, cu o putere de 7.2MW și un diametru al rotorului de 128 de metri. Rotorul a fost proiectat să fie construit din oțel cu extremități din lemn. A fost un generator cu viteză varianilă față de generatorul cu turație fixă de la turbina MOD-2.
Cercetările federale asupra seriilor de turbine MOD au fost oprite la mijlocul anilor 1980, iar toate turbinele au fost dezmembrate. Unul dintre motivele pentru această decizie, a fost faptul că, turbinele puteau fi construite la prețuri mai mici și cu performanțe mai bune decât turbinele mai mari. A fost subestimată dificultatea construirii de turbine mari de vânt singur.
Un al doilea motiv a fost acela că industria aerospațială americană nu dorea să creeze un produs comercial avantajos din punct de vedere al costului. Cercetările asupra turbinelor de vânt au fost potrivite doar ca un alt contract guvernamental.
Un al treilea motiv pentru lipsa de interes asupra vântului a fost abundența și costul redus al produselor din petrol în toată perioada anilor `80 până în anii `90. La mijlocul anilor `70 exista o opinie standard că se termină gazele naturale. Multe utilități au trecut de la gaz natural la cărbune sau energie nucleară. Prețul gazelor a crescut substanțial de la valorile lor mici. Dar spre mijlocul anilor `80 s-a descoperit că există rezerve substanțiale de gaz natural, iar unitățile au trecut dinnou la gaz natural pe post de combustibil, în special pentru turbinele de gaz. Dezvoltarea puterii vântului a fost cu siguranță întârziată de toate aspectele economice. (The Mod-2 Wind Turbine Development Project – NASA CR-1 59496 – may 1979)
1.5. Turbine de vânt inovative
Fig.1.14. Turbina Savonius produsă de Kansas State University (https://www.turbinesinfo.com/innovative-wind-turbines/)
Un alt tip de turbină dezvoltată în același timp cu turbina Darrieus, era turbina Savonius, dezvoltată în Finlanda de S.J. Savonius. Aceasta este o alta instalație cu ax vertical ce nu necesita nici o orientare pe direcția vântului. Entuziștii energiei alternative construiau adesea această turbina din butoaie de ulei, tăind butoaiele pe jumătate pe direcția lungimii și sudând cele doua părți una în spatele celeilalte și decalate astfel încat să prindă vântul. O poză a unei unități ceva mai avansat dezvoltate la Kansas State University, Manhattan, Kansas, este prezentată în figura 1.14.
Turnul turbinei Savonius avea o înălțime de 11 m și o lățime de 6 m. Fiecare rotor avea 3 m înălțime și 1.75 m în diametru. Rotoarele erau conectate și acționau un generator trifazic cu magneți permanenți de 5 kW. La o viteză nominală a vântului de 12 m/s turația rotorului era de 103 m/s, turația generatorului era de 1800 rot/min, iar frecvența de 60 Hz.
Tensiunea de ieșire și frecvența au variat odată cu viteza și încărcarea vântului, ceea ce a însemnat că această turbină nu putea fi legată direct cu grila de utilități. Aplicațiile curentului nesincronizat erau limitate la încălzirea electrică și la acționarea motoarelor trifazate cu inducție în situații care pot tolera funcționarea cu viteză variabilă. Acestea includeau pompe de căldură, unele pompe de apă și ventilatoare. Astfel de aplicații consumă cantități mari de energie electrică, astfel încât operarea cu frecvență variabilă nu este atât de restrictivă cât ar putea apărea. Sistemele asincrone nu necesită instalații complexe de înclinare a paletelor, organe de control al volajului și frecvenței, deci ar trebui să fie mai ieftine.
Principalele avantaje ale turbinei Savonius sunt momentul mare de pornire și construcția simplă. Dezavantajele sunt: greutatea materialelor și dificultatea în proiectarea unui rotor care să reziste la viteze mari ale vântului. Aceste dezavantaje pot fi depășite prin tehnici adecvate dacă beneficiile ar fi destul de mari să justifice efortul ingineresc necesar.
Convenția asupra eficienței turbinei Savonius a fost atinsă la jumătate de secol după inventarea ei. Savonius estima o eficiență de 31% în tunel de vânt și 37% în aer liber. Totuși el a comentat: „Din calculele profesorului Betz rezultă un maxim teoretic de 20% pentru morile verticale, care în circumstanțele cele mai bune nu pot avea o eficiență mai mare de 10%”. Rezultatele exprimate și teoretice nu au reușit să aprobe acestea. Savonius nu a specificat forma și dimensiunile turbinei sale destul de bine astfel încât alții să poată încerca să reproducă rezultatele sale.
O mică unitate de aproximativ 2 m înălțime cu diametrul de 1 m a fost construită și testată la Universitatea de Stat din Kansas în perioada 1932-1938. Această unitate a fost distrusă de un vânt puternic, însă cercetătorii au pretins o eficiență între 35 și 40%. Testele în tunelul vânt au fost efectuate de către Sandia pe o turbină Savonius cu o înălțime de 1,5 m având o eficiență maximă de 25% pentru paletele semicirculare. Diferite forme de lame care au fost testate la Universitatea din Illinois au arătat o eficiență maximă de aproximativ 35%. Mai multe turbine Savonius au fost testate la Kansas State University, cu o eficiență raportată de aproximativ 25%. Astfel se pare că turbina Savonius, dacă este proiectat corespunzător, are o eficiență aproape la fel de bună ca turbina elicei axei orizontale sau ca turbina Darrieus. Turbina Savonius deține, prin urmare, promisiuni în aplicații în care tehnologia mică sau medie este necesară sau în cazul în care cuplul de pornire ridicat este important.
În figura 1.15 este prezentat un grafic al eficiențelor pentru șase tipuri de turbine. Coeficienții de eficiență sau putere, variază în funcție de raportul dintre viteze de vârf a palei și viteza vântului, cu valoarea maximă menționată pentru comparația turbinelor. Se poate observa că randamentele maxime ale celor două palete, Darrieus și Savonius sunt peste 35%, în timp ce turbinele Multiblade americane și morile de vânt olandeze au un maxim de aproximativ 15%. Aceste măsuri de eficiență indica faptul că Multiblade nu este competitivă pentru generarea electricității, ci este foarte competitivă pentru pomparea apei.
Fig. 1.15. Performanțe turbinelor eoliene (https://www.turbinesinfo.com/innovative-wind-turbines/)
Curbele de eficiență pentru Savonius și pentru Multiblade sunt cunoscutede mult timp. Din păcate, etichetele celor două curbe ai fost interschimbate în unele publicații de specialitate în ultimii ani, astfel încât mulți autori au folosit curbe eronate în lucrările lor. Acest accident istoric va necesita probabil ani buni pentru corectare. (https://www.turbinesinfo.com/innovative-wind-turbines/)
Capitolul II
Turbine eoliene: principii și funcționare
2.1. Principiul de funcționare al generatoarelor eoliene
Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile. Energia cinetică produsă de vânt este folosită pentru a antrena arborele rotorului din aero-generator, această energie este transformată în energie mecanică, care ulterior este transformată în energie electrică de către generatorul cuplat mecanic la turbina eoliană.
Cuplajul mecanic se poate face direct, caz în care generatorul și turbine au viteze de același ordin de mărime, fie se poate realiza prin multiplicatorul de viteză. Energia electrică produsă poate fi utilizată în mai multe feluri: distribuită prin intermediul unei rețele electrice, este stocată în acumulatori sau sunt alimentate sarcini isolate.
Ca orice sistem, și sistemele eoliene de conversie au pierderi. Se poate menționa un randament de ordinal a 59% pentru rotorul eolienei și pentru multipicator 96%. De asemenea nu trebuie neglijate și pierderile suferite de generator și al eventualelor sisteme de conversie.
(http://em.ucv.ro/elee/ro/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien1.htm)
Fig. 2.1. Transformarea energiei (Sursa: Departament Génie Electrique, HEI)
Principalele utilizări ale energiei mecanice obținute la axul turbinei eoliene sunt: pomparea apei, comprimarea aerului, producerea de căldură, dar cel mai important domeniu este producerea energiei electrice. Energia electrică produsă pe cale eoliană are câteva caractereistici specifice care afectează utilizarea ei și integrarea generatoarelor electrice eoliene în sistemele electroenergetice:
este accesibilă în multe țări, dar concentrații în arii specifice;
intermintentă, adică are caracter aleatoriu;
fluctuantă, adică chiar când avem vânt, producerea energiei electrice se poate schimba în
câteva secunde;
difuză, adică în zonele favorabile, turbinele se amplasează pe suprafețe întinse(km2);
imprevizibilă, nu se poate prevedea decât pe termene foarte scurte.
Fig. 2.2. Turbină eoliana cu 3 pale 750 kw (http://www.scritub.com/economie/DEZVOLTAREA-DURABILA-SI-ENERGI74448.php)
2.2. Tipuri de instalații
Amprenta la sol a unei turbine eoliene este mică, astfel este permis ca în jurul acesteia sa se foloseasca terenul pentru activităților industriale sau agricole. Eolienele sunt instalate individual, nu sunt conectate între ele, nu sunt conectate la o rețea. În caz contrar eolienele sunt așezate sub forma unor ferme eoliene. Acestea sunt instalate pe sol, dar în ultima vreme sunt preferate poziționările în largul marii, deoarece prezența vântului este mai regulată. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor și ameliorarea estetică.
Fig. 2.3. Fermă eoliană offshore (https://blacknews.ro/cel-mai-mare-parc-eolian-offshore-din-lume-a-fost-lansat-in-nord-vestul-marii-britanii/)
Alegerea unui amplasament bun pentru turbinele eoliene necesită studierea pe intervale lungi a vântului și evaluări statice ale datelor obținute. Există însă și o serie de criterii ușor de aplicat care permit evaluări practice în teren. Dintre acestea se enumeră:
un teren plat cu vegetație măruntă, lacuri, dealuri cu plante line situate în zonele deschise
cu potențial energetic ridicat, reprezintă amplasamente ideale;
unele văi lungi cu versanși abrupți orientate pe direcția vântului sunt un indiciu aproape
sigur al unui potențial bun;
amplasarea instalațiilor de conversie a energiei vântului, se recomandă a se face în zone
fără obstacole mari în apropiere cum ar fi clădiri, arbori înalți, etc. Dacă acestea nu pot fi însă evitate, se va recurge la supraînalțarea turbinei.
De asemenea amplasarea centralelor eoliene trebuie să țină cont și de prețul terenului, impactul vizual și asupra structurilor din vecinătate și din apropierea de rețeaua de distribuție a curentului.
Instalațiile eoliene pe uscat încep să devină mai scumpe din cauza creșterii valorii terenurilor. În plus, nu de puține ori proiectele de eoliene au suferit amânări costisitoare sau chiar au fost anulate din cauza efectelor asupra mediului, în principal a populatiilor de păsări din zonele respective. În largul mării, aceste probleme nu există, iar funcționarea eolienelor nu afectează viețuitoarele marine.
Deoarece turbinele eoliene folosesc forța vântului pentru a produce energie electrică, devine foarte clar de ce soluția eolienelor marine este atât de atractivă: curenții mărilor și oceanelor produc vânturi mai puternice și cu o durată mai mare decât se întâmplă pe uscat. Ceea ce înseamnă o eficiență mai bună, fiind nevoie de mai puține eoliene decât pe uscat, pentru producerea aceleiași cantități de energie. (http://ecoprofit.ro/turbine-eoliene-marine-offshore-wind-eficienta-energia-verde/)
2.3 Construcția și funcționarea turbinelor eoliene
Indiferent de categoria din care fac parte, în construcția sistemelor de conversie a energici eoliene în energie electrică intră rotorul cu palete, multiplicatorul de turație (acesta nu este necesar la unele modele de turbine de putere mică), frâna și generatorul. La turbinele cu ax orizontal este de asemenea necesar un sistem de orientare a rotorului pe direcția vântului.
În funcție de orientarea axei rotorului, turbinele pot fi cu ax orizontal și cu ax vertical. Modelele cu ax orizontal sunt cele mai răspânidite, la rândul lor clasificându-se după amplasarea sistemului în raport cu vântul, în (figura 2.4):
Fig. 2.4 (a) amplasare în amonte, cu sistem activ de orientare; (b) arnplasare în
amonte, cu sistem pasiv de orientare; (c) amplasare în aval
Sisteme cu amplasare în amonte, când primul contact cu vântul îl iau paletele rotorului. Este necesar ca rigiditatea paletelor să fie mai mare pentru a evita contactul cu turnul prin încovoiere sub acțiunea curenților de aer. De asemenea, se impune existența unui sistem de orientare după direcția vântului.
Sisteme cu amplasare în aval, când turnul și nacela au primul contact cu vântul, după care rotorul cu palete. Spre deosebire de modelele cu amplasare în amonte, flexibilitatea paletelor poate fi mai mare și nu este necesar sistemul de orientare întrucât ansamblul nacelă-rotor se auto-orientează.
Aceste avantaje se traduc printr-o valoare mai mică a investiției inițiale. Pe de altă parte însă, datorită turbulențelor și pierderilor de viteză a vântului la interacțiunea cu nacela și turnul, aceste sisteme au un randament mai scăzut. De asemenea, atât turbulențele cât și pierderile de presiune din spatele turnului conduc la variații bruște și periodice ale solicitărilor în palete, acestea necesitând o rezistență sporită la oboseală.
Componentele unei turbine eoliene sunt puse în evidență în figura 2.5. Paletele turbinei pot fi confecționate din fibră de sticla, lemn, oțel, aluminiu sau titan și sunt în număr de maxim patru, existând și un model cu o singura paletă și o contragreutate în locul paletei pereche. Această soluție aparte oferă avantajul unui preț mai scăzut. Totuși, între versiunile comerciale, cea mai ieftină este cea cu două palete însă, la fel ca și modelul cu o paletă, nivelul lor de zgomot este mai ridicat.
Rotoarele cu patru palete sunt bine echilibrate însă au o masă mare și o eficiență raportată la cost mai scăzută.
De asemenea, datorită numărului par de palete, construcția manifestă probleme de stabilitate la fiecare rotație atunci când paleta superioară se află în poziție verticală superioară, datorită faptului că dezvoltă putere maximă în timp ce paleta inferioară se află în umbra turnului de susținere. Figura 1.6 arată o diferență considerabilă a valorii factorului de putere între rotoarele cu o paletă și cele cu două palete, creșterile fiind însă nesemnificative în raport cu investiția inițială pentru un număr de palete mai mare de trei. Soluția de compromis utilizată în prezent pe scară largă este rotorul cu trei palete. Pentru acest tip de rotor parametrul λ are valori optime cuprinse între 6 și 7, ceea ce arată că turația optima a turbinei variaza cu viteza vântului.
Fig. 2.5 – Elementele componente ale unui sistem de conversie a energiei eoliene
Fig. 2.6 – Variația coeficientului de putere (Cp) cu numărul paletelor rotorului (z) și raportul λ
Butucul rotorului poate fi rigid sau cu o ușoară “bătaie” radială care permite eliberarea unei părți din solicitările structurale transmise de palete. Turațiile la care ajung rotoarele turbinelor moderne de mare capacitate sunt cuprinse între 5 și 20 rot/min. În același timp, generatoarele funcționează la 800-3000 rot/min, ceea ce impune existența unei transmisii între generator și rotor care să multiplice turația acestuia din urmă. Transmisiile sunt supuse unor solicitări mecanice cu variații și frecvențe mari datorită momentului rezistent variabil opus de generator, în tendinta acestuia de a-și sincroniza permanent turația cu frecvența fixă la care trebuie să livreze energie electrică, în condiții de fluctuații ale vitezei vântului. Este deci necesară o construcție robustă, care trebuie ridicată la înălțimea nacelei în cazul turbinelor cu ax orizontal și care necesită o întreținere permanentă.
Datorită problemelor ridicate de investiția inițială și de costurile de întreținere, devin din ce în ce mai populare soluțiile cu conectare directă la generator sau cu generatoare cu funcționare la turație variabilă. Această din urma variantă reduce semnificativ solicitările mecanice asupra transmisiei și crește randamentul global al întregului sistem. Generatoarele antrenate direct de la rotor elimină transmisia, însă au dimensiuni și mase semnificativ mai mari decât generatoarele cu antrenare prin intermediul transmisiei, ceea ce le face dificil de utilizat în special în construcția turbinelor de mare capacitate (figura 2.7).
Turbinele moderne cu injectarea energiei direct în rețea necesită sincronizare cu frecvența rețelei. În trecut, soluția constă în utilizarea generatoarelor asincrone, însă controlul turației acestora contribuia la destabilizarea rețelei, ceea ce a impus soluții de compensare reactivă pentru parcurile de turbine de mari dimensiuni. Utilizarea unui generator sincron convențional presupune o turație constantă a acestuia pentru a furniza energie la frecvența rețelei, ceea ce înseamnă că și rotorul turbinei trebuie sa aibă o turație constantă.
Se utilizează astfel doar parțial potențialul energetic al curenților de aer, care au viteze variabile în timp. O soluție care rezolvă parțial problema, implementată de unii producători, constă în utilizarea a două generatoare, fiecare cu câte o turație nominală, pentru vânt cu viteză mică respectiv mare. Rămâne însă nerezolvată problema momentului rezistent variabil cu care generatorul acționează asupra transmisiei în încercarea de a-și menține constantă turația.
În prezent există două tipuri de generatoare pentru turbine eoliene care pot funcționa la turații variabile:
cu conversie partială, care permit variații ale turației între 10 și 20%;
cu conversie totală, mai costisitoare din punct de vedere al prețului însă mult mai flexibile la variațiile vitezei vântului.
Fig. 2.7. Generator cu antrenare directă de la arborele rotorului; dimensiunea este de 10 ori mai mare decât a unui generator antrenat prin intermediul transmisie.
Turnurile utilizate în prezent la turbinele de mare capacitate sunt în general din beton sau oțel și sunt fixate pe o fundație solidă, cu un diametru mai mare decât cel al turnului. Cea mai întâlnită soluție o constituie însă turnurile din secțiuni cilindrice metalice îmbinate între ele. Elementele în funcție de care se stabilește diametrul turnului sunt înălțimea turbinei și diametrul rotorului, ambele fiind influențate de capacitatea nominală a sistemului și de necesitatea de a ridica rotorul la o înălțime suficientă pentru a-l feri de turbulențele din apropierea solului și pentru a beneficia de viteze mai mari ale vântului. Pentru fiecare 10 m castigați pe înălțime este posibilă o creștere a puterii cu până la 36%. Din punct de vedere estetic, se consideră optimă varianta în care înălțimea turnului este egala cu diametrul rotorului.
Un aspect important luat în considerare în procesul de proiectare al turnului îl constituie frecvențele de rezonanță ale acestuia, care nu trebuie să se suprapună ca valoare cu turația rotorului. Acest fenomen este cu atât mai probabil cu cât înălțimea turnului este mai mare. De asemenea, turnul este supus la solicitări semnificative de încovoiere (figura 3.8) și torsiune generate de amplasarea unei mase mari (nacela și rotorul cu palete) la partea superioară și de forțele pe care le exercită vântul asupra rotorului. Variabilitatea acestor solicitări trebuie luata în considerare în procesul de proiectare atunci când se calculează rezistența la oboseală. Turnul servește și ca incintă pentru sistemele de comandă și control, pentru cablurile electrice și pentru liftul și scările de acces ale personalului de întreținere la nacelă.
Fig. 2.8. Depășirea limitei la încovoiere a turnului unei turbine eoliene din districtul Lincoln (USA), în condiții de furtună
2.4. Tipuri de turbine eoliene
Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii: eoliene cu ax vertical și eoliene cu ax orizontal. Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor petnru a antrena generatorul.
Figura 2.9 prezintă cele mai răspândite concept existente la ora actuală.
Fig. 2.9. Tipuri de turbine eoliene, după orientarea axei rotorului: rândul superior – cu ax orizontal; rândul inferior – cu ax vertical
2.4.1. Turbine eoliene cu ax vertical
Construcția turbinelor din această categorie este mai simplă, având în vedere faptul că atât transmisia cât și generatorul pot fi amplasate la nivelul solului. De asemenea majoritatea variantelor constructive presupun amplasarea unui rulment de susținere a rotorului la nivelul solului. Aceste caracteristici se reflectă într-o întreținere mai ușoară în comparație cu turbinele cu ax orizontal. Un alt avantaj constă în faptul că nu este necesar un sistem de orientare în vânt, întrucat funcționează indiferent de direcția acestuia, ceea ce le recomandă utilizării în zone cu variații frecvente ale direcției vântului.
Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălțimea de 0,1 – 0,5 din înălțimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operațiunile de întreținere. În plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Acesta este un avantaj pentru locurile în care direcția vântului este foarte variabilă.
Eolienele cu ax vertical sunt generatoare foarte silențioase și care nu lasă umbre deranjante ca turbinele clasice. Totuși, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă și turbulențelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din aceste motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal. Cele mai răspândite două structuri de eoliene cu ax vertical se bazează pe principiul tracțiunii diferențiale sau a variației periodice a incidenței. [Bandoc G Degeratu – Instalatii si echipamente pentru utilizarea energiei mecanice nepoluante -1-].
Turbina Darrieus, inventată de inginerul francez Georges Darrieus în 1931, este caracterizată de paletele de forma literei C, care au capetele prinse de ax la partea superioara și inferioară a acestuia (figura 2.10 a). Ca variante ale acestui concept pot fi întâlnite turbine cu rotor în H cu paletele dispuse vertical (turbinele Gyromill), drepte (figura 2.10 b) sau elicoidale (cicloturbine – figura 2.10c). Versiunile constructive includ două, trei sau patru palete, uniformitatea în funcționare crescând cu numărul acestora. Un avantaj propriu acestor turbine constă în faptul că viteza periferică a paletelor este mai mare decât viteza vântului, chiar comparativ cu turbinele cu ax orizontal, ceea ce le face adecvate aplicațiilor de generare a energiei electrice.
a. b. c.
Fig. 2.10. Tipuri de turbine eoliene
(a) Turbina eoliană TEV 100, produsa de ICPITMUA Brașov: putere nominală – 100 kW; viteză nominală a vântului – 11… 13 m/s; profil paletă – NACA 00156; Cp maxim – 0,38;
(b) Turbina eoliană TEV 20, produsa de ICPITMUA Brașov: putere nominală – 20 kW; profil paletă – NACA 0012; viteză nominală a vântului – 11 m/s; Cp maxim – 0,31
(c) Turbina cicloidală
Turbinele Darrieus prezintă însă și unele dezavantaje care le-au limitat aplicabilitatea practică:
Fluctuații semnificative ale cuplului motor la fiecare rotație, datorită faptului că paletele din aval (opuse direcției din care bate vântul) vor fi influențate de turbulențele create de paletele aflate în amonte și de turnul de susținere. Prin urmare, asupra lor se exercită forțe de torsiune cu un caracter asimetric și eratic, care sunt transmise și către turnul de susținere. Mai mult decât atât, partea inferioară a paletelor funcționează într-o zonă mai turbulentă, specifică proximității terenului, ceea ce are ca efect o distribuție inegală a încărcării paletelor pe lungimea lor. Însumate, toate aceste solicitări conduc la un fenomen accentuat de oboseală a întregii structuri.
Coeficient de putere ceva mai mic decât cel al unei turbine similare cu ax orizontal;
Capacitate limitată de reglare a turației la viteze mari ale vântului, majoritatea modelelor fiind prevăzute cu sisteme de frânare prin fricțiune. Unele modele sunt prevăzute însă cu frâne aerodinamice (voleți amplasați pe palete) cu declanșare automată atunci când turația depășește o anumită limită.
Capacitate redusă de auto-pornire. De obicei este necesară utilizarea unei surse externe, cel mai adesea cu generatorul funcționând pe post de motor, până când rotorul turbinei atinge turația la care forțele aerodinamice care acționează asupra paletelor pot asigura funcționarea independentă a turbinei. O alternativă constructivă presupune montarea pe același ax atât a paletelor Darrieus cât și a unei turbine Savonius, cunoscută pentru capacitatea de a intra în funcțiune la viteze scăzute ale vântului. Există însă și situații în care aceste turbine pornesc singure, fapt care a condus în unele cazuri la autodistrugerea sistemelor respective.
Turbina Savonius a fost inventată de inginerul finlandez Sigurd Johannes Savonius în 1922. Versiunea clasică are o construcție foarte simplă care constă în două jumătăți de cilindru dispuse în forma literei S, cu un spațiu de trecere a aerului între ele. În figura 2.11 a se observă principiul constructiv al acestor turbine și principalele dimensiuni, între care suprapunerea S dintre cei doi semicilindri și diametrul d al acestora, precum și unghiul de atac α.
Spre deosebire de celelalte tipuri, funcționarea turbinelor Savonius nu se bazează pe forța portantă care se manifestă asupra unui profil aerodinamic, ci pe forța rezistentă generată la deplasarea unui corp într-un curent de aer.
Diferența de tracțiune dintre cei doi semicilindri orientați diferit față de direcția de deplasarea a aerului dă naștere unui cuplu motor, care însă variază semnificativ cu unghiul de atac, existând o poziție în care sistemul se află în echilibru (cuplu motor zero). De aceea, pentru a menține mișcarea de rotație, este necesară dispunerea a minim două etaje (figura 2.12 a) sau “spiralarea” semicilindrilor (figura 2.12 b). Varianta din urmă are și avantajul unui cuplu motor uniform pe parcursul unei rotații.
Au o eficiență scăzută, de doar 12-15%, surclasată însă de simplitatea constructivă, de valoarea ridicată a cuplului la pornire (pornesc singure), de caracterul omnidirecțional al funcționării și de faptul că se comportă bine în condiții de vânt turbulent.
De asemenea, silențiozitatea, reziliența și rezistența la viteze mari ale vântului constituie avantaje suplimentare. (Edmon Maican – Sisteme de energii regenerabile)
a) b)
Fig. 2.11 – (a) Principiul constructiv al turbinelor Savonius ;
(b) simularea comportării fluxului de aer în jurul turbinei pentru α = 90° (orig.)
a) b)
Fig. 2.12 – (a) Turbina Savonius cu 3 etaje, fiecare cu cate 3 cupe27;
(b) Uniformizarea cuplului turbinei Savonius prin spiralarea cupelor []
Datorită curbei de putere similare cu cea a pompelor de apă, turbinele Savonius sunt adecvate aplicațiilor de pompare a apei, dar pot fi utilizate și pentru producerea de energie electrică. Figura 2.13 prezintă o schemă de utilizare a turbinei TS1 cu puterea nominală de 1 kW la viteza nominală de 10 m/s și cu plaja de funcționare între 3 și 25 m/s, produsa de ICSITMUA Brasov.
Fig. 2.13 – Utilizarea turbinei Savonius pentru pomparea apei ()
2.4.2. Turbine eoliene cu ax orizontal
Detalii constructive și funcționale privind turbinele cu ax orizontal au fost deja prezentate pe parcursul subcapitolului 2.3. Rotorul, nacela cuprinzând transmisia și generatorul, precum și sistemul de orientare a turbinelor cu ax orizontal după direcția vântului, sunt amplasate la partea superioară a turnului de susținere, ceea ce ridică gradul de complexitate al construției și al procesului de mentenanță în raport cu turbinele cu ax vertical.
Dezvoltă un cuplu redus la pornire iar viteza nominală a vântului se încadrează de obicei între 10 și 13 m/s. În ciuda acestor neajunsuri, datorită eficienței superioare modelelor cu ax vertical, acestea sunt predominante pe piața producției de energie electrică utilizând resursa eoliană, atingând capacități individuale de peste 3 MW și diametre ale rotorului ce pot depăși 100 m. Soluția cu ax orizontal este de asemenea preferată și pentru aplicații rezidențiale de câțiva kilowati. Indiferent de capacitatea nominală, din punct de vedere al amplasării în raport cu direcția vântului predomină turbinele cu rotorul dispus în amonte.
Tabelul 2.1 prezintă în mod centralizat principalele avantaje și dezavantaje ale celor două tipuri de turbine. (Edmon Maican – Sisteme de energii regenerabile)
Tabelul 2.1. Avantaje si dezavantaje ale celor două tipuri de turbine eoliene. (Edmon Maican – Sisteme de energii regenerabile)
Capitolul III
Perspective în utilizarea energiei
3.1. Situația actuală
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 ce carbon.
Trei factori au determinat ca soluția eolienelor să devină mai competitivă:
• noile cunoștințe și dezvoltarea electronicii de putere;
• ameliorarea performanțelor aerodinamice în conceperea turbilneor eoliene;
• finanțarea națională pentru implantarea de noi eoliene.
Fig. 3.1. Resurse consumate pentru producerea energiei electrice
În prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile în producerea energiei electrice, este scăzută. Se poate spune că potențialul diferitelor filiere de energii regenerabile, este sub-exploatat. Totuși, ameliorările tehnologice au favorizat instalarea de generatoare eoliene, într-un ritm permanent crescător în ultimii ani, cu o evoluție exponențială, având o rată de creștere de 25% în 2003.
Fig. 3.2. Evolutia puterii eoliene instalate pe plan mondial (MW)
Filiera eoliană este destul de dezvoltată în Europa, deținând poziția de lider în topul energiilor regenerabile. Acest tip de energie regenerabilă asigură necesarul de energie electrică pentru 10 milioane de locuitori. Dealtfel, 90 % din producătorii de eoliene de medie și mare putere, se află în Europa.
Fig. 3.3. Repartiția puterii eoliene, pe plan mondial
Repartiția în Europa a energiei electrice produse pe baza eolienelor, arată diferențe între state. Germania este liderul pe piața europeană, în ciuda unei încetiniri în 2003 a instalărilor. Spania, pe poziția a doua, continuă să instaleze intensiv parcuri eoliene. Danemarca este pe a treia poziție, având dezvoltate eoliene offshore și trecând la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani.
Fig. 3.4. Producția de energie electrică de origine eoliana în Europa
Costurile și eficiența unui proiect eolian trebuie să țină seama atât de prețul eolienei, cât de cele ale instalării și întreținerii acesteia, precum și de cel al vânzării energiei. O eoliană este scumpă. Trebuiesc realizate încă progrese economice pentru a se putea asigura resursele dezvoltării eolienelor. 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 estimat. Prețul unui kWh depinde de prețul instalării eolienei, ca și de cantitatea de energie produsă anual. Acest preț variază în funcție de locație și scade pe măsura dezvoltării tehnologie.
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.
Repartiția în Europa a energiei electrice produse pe baza eolienelor, arată diferențe între state. Germania este liderul pe piața europeană, în ciuda unei încetiniri în 2003 a instalărilor. Spania, pe poziția a doua, continuă să instaleze intensiv parcuri eoliene. Danemarca este pe a treia poziție, având dezvoltate eoliene offshore și trecând la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani.
Fig. 3.5. Parcuri eoliene în Europa, anul 2003
Costurile și eficiența unui proiect eolian trebuie să țină seama atât de prețul eolienei, cât de cele ale instalării și întreținerii acesteia, precum și de cel al vânzării energiei. O eoliană este scumpă. Trebuiesc realizate încă progrese economice pentru a se putea asigura resursele dezvoltării eolienelor. 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 estimat. Prețul unui kWh depinde de prețul instalării eolienei, ca și de cantitatea de energie produsă anual. Acest preț variază în funcție de locație și scade pe măsura dezvoltării tehnologie.
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.
3.2. Perspective
Energia eoliană este considerată ca una din opțiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vântului fiind imense. Se estimează 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.
În Europa, potențialul este suficient pentru asigurarea a cel puțin 20% din necesarul de energie electrică până în 2020, mai ales dacă se ia în considerare noul potențial offshore.
Fig. 3.6. Scara zgomotelor
Chiar dacă eolienele de primă generație erau deranjante din punct de vedere sonor, se pare că în prezent, dezvoltările tehnologice au permis reducerea considerabilă a zgomotului produs de astfel de instalații. Astfel, pe scara surselor de zgomot, eolienele se situează undeva între zgomotul produs de un vânt slab și zgomotul din interiorul unei locuințe, respectiv la aproximativ 45 dB. Evoluția nivelului sonor în funcție de numărul de eoliene este logaritmică, respectiv instalarea unei a doua eoliene determină creșterea nivelului sonor cu 3 dB și nu dublarea acestuia.
Pentru diminuarea poluării sonore există mai multe căi:
multiplicatoarele sunt special concepute pentru eoliene. În plus, se încearcă favorizarea acționărilor directe, fără utilizarea multiplicatoarelor.
profilul palelor face obiectul unor cercetări intense pentru reducerea poluării sonore determinată de scurgerea vântului în jurul palelor sau a emisiilor datorate nacelei sau pilonului. Arborii de transmisie sunt prevăzuți cu amortizoare pentru limitarea vibrațiilor.
antifonarea nacelei permite, de asemenea, reducerea zgomotelor.
Capitolul IV. Soluții constructive
Turbinele eoliene de mică și medie putere au avantajul că pot fi instalate mult mai ușor decât cele de putere mare și repectiv, și costurile de instalare sunt mult mai mici.
4.1. Windspire, turbină eoliană verticală
Turbinele eoliene verticale sunt un tip de turbină ce au că avantaje principale independența de direcția vântului și spațiul ocupat redus (dacă înălțimea nu este o problemă). Windspire este cel mai nou model de turbină eoliană verticală al Mariah Power ce poate fi cumpărată la un preț de aproximativ 4000 $.
Windspire se laudă cu funcționarea eficientă și în condițiile de vând moderat, mărind astfel aria geografică unde turbină eoliană poate fi instalată. La un vânt mediu de 17 Km/h, Windspire poate produce aproximativ 1800 KW ora pe an.
Fig. 4.1. Turbină Windspire
Alte avantaje constau în designul integrat, care cuprinde generatorul de electricitate, invertorul de curent și kitul de monitorizare wireless. Rotorul a fost special proiectat pentru a funcționa silențios, adresând astfel una din problemele de bază ăla turbinelor eoliene. La costurile inițiale se mai preconizează în jur de 1000 $ pentru instalare.
4.2. Turbine eoliene arhitecturale
Sună puțin cam ciudat, dar ele există și se referă la acele turbine eoliene cu impact minim asupra mediului din punct de vedere vizual ce sunt plasate pe acoperișurile clădirilor. Fiind deja montate la o înălțime respectabilă au costuri de instalare și întreținere reduse, ne mai necesitând un turn în vârful cărora să fie amplasate.
Fig. 4.2. Model turbină eoliana arhitecturală
Nu doar costurile sunt principalul atuu, ci și eficiența crescută pentru cele de pe marginea acoperișurilor datorită vitezei mai mari a curenților de aer ascendenți. Aerovironment este prima firmă care se aventurează să ofere aceste turbine eoliene de dimensiuni reduse, silențioase și cu eficiență ridicată.
4.3. Turbină eoliană verticală, Mariah Power
Cei de la Mariah Power au realizat un nou model de turbină de vânt, destul de diferită de varianta clasică bazată pe design-ul morilor de vând din antichitate. Ei s-au gândit că ar economisi spațiu dacă ar construi pe verticală. Drept urmare palele sunt verticale, trei la număr, situate de-a lungul perimetrului unui cerc.
Ele se rotesc în jurul unui ax central cu rol de suport. Deci ocupă mult mai puțin spațiu, putând fi mai dens amplasate. Totodată palele se învârt mult mai lent, fiind mai puțin periculoase pentru păsări, dar datorită dimensiunilor generoase (palele sunt foarte lungi) generează aproximativ același curent electric ca o turbină normală.
Primul model finalizat are o înălțime de nouă metri și un preț de 5000 $. Dar în acești bani primim și conectivitate Wi-Fi, pentru a putea monitoriza curentul generat prin intermediul PC-ului și a unui program special, și o garanție de cinci ani. O astfel de turbină ar genera într-un mediu normal aproximativ 2000 KW pe an, ceea ce înseamnă cam un sfert din consumul electric al unei case normale.
Fig. 4.3. Turbină eoliană (https://arenait.ro/2008/12/06/turbina-eoliana-verticala.html)
4.4. Generator Eolian
Turbinele eoliene de capacitate medie acum sunt disponibile și în România. Turbina eoliană Scirocco având un diametru al rotorului de 5,6 m și o putere de ieșire de 6KW, este generatorul eolian ideal pentru locații izolate, cu un necesar mediu de energie electrică. Acestă turbină este caracterizată prin eficientă foarte ridicată la viteze mici de rotație.
Fig. 4.4. Turbina eoliană Scirocco
Tabel 4.1. Date tehnice ale turbinei eoliene Scirocco
Fig.4.5. Sistemul centrifugal al turbinei eoliene Scirocco
Foarte important de notat că producția de energie începe la o viteză mică a vântului (< 3m/s) și obținerea puterii nominale de ieșire la o viteză de aproximativ de 12m/s, rămânând constantă până la viteze mari ale vântului ( în jur de 60m/s). Acestă performanță este obținută datorită sistemului unic de control centrifugal a rotației, care face din Scirocco, cea mai puternică turbină din clasa sa. Energia produsă fiind superioară și turbinelor cu diametru de 7m.
(http://www.lpelectric.ro/ro/products/wind/turbina_eoliana_scirocco_ro.html)
3.5. Realizări românești în domeniu eolianelor
3.5.1. Turbina de vânt TS 4
Destinată alimentarii cu apă a micilor consumatori, instalatia pentru pompare a apei TS4 asigură un volum sporit de apă chiar și pentru zone cu potențial energetic eolian mai slab.
Prezintă avantajul simplității constructive și funcționale, fiind o turbină lentă care nu necesită conditii pretențioase de exploatare.Rotorul dublu de tip Savonius este realizat din rășini poliesterice armate cu fibre de sticlă și antrenează o pompă volumetrică cu dublu efect.
Instalația este prevăzută cu un rezervor de stocare ce poate fi dimensionat în funcție de cerințele beneficiarului în ceea ce privește dinamica consumului și carcteristiciele regimului de vânt al amplasamentului. Funcționează complet automat și autonom, deși nu dispune de nici un fel de echipament de comandă și reglare, gratie proprităților de autolimitare a turației rotorului Savonius la viteze mari de vînt.
Intalația se racordeaza la un rezervor de stocar: castel de apă, hidrosferă, rezervor, baraj, adaptat cerintelor beneficiarului.
Tabel 4.2. Date tehnice ale turbine de vânt TS 4
Fig. 4.6. Turbina de vânt TS 4
3.5.2. Turbina de vânt TEV -M
Destinată alimentăii cu energie elctrică pentru consumatori izolați, turbina de vînt TEV M este recomandată în special pentru stații meteorologice automate instalate în zone de mare altitudine.
TEV M este o turbină de putere mică ( 2 kW ) echipată cu alternator și rederesor debitând curent continuu de joasă presiune (12V) în tampon cu o baterie de acumulatori. Rotorul turbinei este realizat cu pale drepte, metalice, având profil NACA 0015. Funcționarea turbinei este automată cu protecție la supraturație și deblocare la demarare.
Turbina poate fi amplasată în zone cu vitze ale vântului până la 200 km/oră, cadrul și rotorul fiind dimensionate pentru aceste limite. Turbina are construcție simplă și un rotor cu înalte performanțe aerodinamice.
Tabel 4.3. Date tehnice ale turbinei de vânt TEV-M
Fig. 4.7. Turbina de vânt TEV – M
3.5.3. Turbina de vânt TEV-6
Turbina de vânt TEV – 6 este destinată alimentăii cu energie elctrică pentru consumatori izolați. Pe lăngă avantajele certe pe care le oferă turbinele de vânt rapide cu ax vertical, ele prezintă un inconvenient legat de necesitatea demarării turbinei, ele nepronind în general singure, decât, eventual, la viteze foarte mari de vânt. Pentru a evita acest inconvenient, turbine de vânt TEV- 6 este dotată cu două demaroare de tip Savonius.
Rotorul turbinei este de tip Darrieus cu trei segmente de pale din tablă de oțel ambutisată. Turbina este așezată pe o structură metalică de susținere, iar lagărul superior este ancorat cu cabluri. Echipamentul electric cuprinde un generator de curent continuu de 6kW, 110V care debitează în tampon cu o baterie de acumulatori.
Tabel 4.4. Date tehnice ale turbinei de vânt TEV-6
Fig. 4.8. Turbina de vânt TEV-6
3.5.4. Turbina de vânt TEV 20
Destinată producerii de energie electrică, turbina TEV- 20 este prima turbină romanească cu ax vertical care frunizează emergie electrică la parametrii unei rețele de 3 x 380 V / 50 Hz.
Producerea energiei electrice la parametrii rețelei, rezolvă problema stocării energiei produse de instalațiile de conversie a energiei vântului, având efecte importante în planul eficientei economice a acestor instalații.Rotorul turbinei este de tip vertical cu pale drepte realizate din tablă de oțel ambutisată, de teren ( la bază ) .
Turbina este montată pe o structură din beton armat, ocupând o suprafață de cca. 30 m2 de teren ( la bază ) .Funcțonând complet automat, turbina de vânt TEV – 20 debitează energie electriă într- o rețea trifazică de 380 V, 50 Hz, ori de câte ori bate vântul cu viteze cuprinse în plaja de funcționare a turbinei.
Tabel 4.5. Date tehnice ale turbinei de vânt TEV 20
Fig. 4.9. Turbina de vânt TEV 20
3.5.5. Turbina de vânt TEV 50
Reprezentând a doua generație de turbine realizate de ICPITMUA – Sector Brașov, Laboratorul de Cercetare pentru Utilizarea Energiei Vântului, Turbina de vânt TEV – 50 debitează energie electrică la parametrii unei rețele de 3 x 380 V / 50 Hz.
Turbina este realizată cu două rotoare suparpuse de tip vertical cu pale drepte având caracteristici similare cu rotorul turbinei TEV – 20. Palele, realizate din tablă din oțel ambutisantă, au profil NACA – 0015, fapt care conferă turbinei performanțe aerodinamice superioare. Rotorul este susținut pe o structură suplă din beton armat și țevi de oțel care ocupă o suprafață de cca. 80 m2 de teren.
Pentru a asigura un randament de conversie superior, echipamentul electric cuprinde două generatoare, unul de 15 și unul de 35 kW, care sunt cuplate succesiv sau în paralel în funcție de sarcină și sunt racordate direct la rețeaua trifazică de 380V, 50Hz. Funcțonarea turbinei este complet automată, ea fiind demarată, respeciv oprită ori de câte ori bate vântul cu viteze cuprinse în plaja de funcționare a turbinei.
Tabel 4.6. Date tehnice ale turbinei de vânt TEV 50
Fig. 4.10. Turbina de vânt TEV 50
3.5.6. Turbina de vânt TEV – 100
Turbina de vânt TEV – 100 reprezintă o etapă superioară în procesul utilizării surselor neconvenționale de energie. Prin puterea debitată, realizarea acestui obiectiv conferă energiei vântului ponderea cea mai mare în comparație cu celalalte surse neconvenționale. Saltul calitativ este rezultatul acumularii experienței de concepție și realizare a turbinelor de vânt. TEV – 100 este precursorul turbinelor de vânt de mare putere.
Realizarea unor turbine de vânt de mare putere reprezintă unul din obiectivele fundamentale ale programului de dezvoltare a sistemelor de conversie a energiei vântului de energie electrică.În această gamă de puteri se manifestă pregnant avantajele turbinelor cu ax vertical care permit amplasarea multiplicatorului și a generatorului la nivelul solului.
Turbina de vânt TEV – 100 este o trubină verticală cu pale curbe de tip Darrieus, realizate din profile de aluminiu extrudate, soluție inovativă cu un mare potențial de valorificare a energiei vântului.
Tabelul 4.7. Date tehnice ale turbinei de vânt TEV – 100
Fig. 4.11. Turbina de vânt TEV – 100
3.5.7. Tubina de vânt TS – 10
Instalația de pompare a apei cu turbina de vânt lentă TS – 10 este destinată pompării apei pentru adăpatul la pășune sau pentru micile gospodării cu un amplasament într-o zonă cu potențial energetic eolian acceptabil. Turbina de vânt lentă funcționează pe principiul diferenței de forță aerodinamică ce acționează asupra palelor.Această forță aerodinamică se produce datorită rezistenței aerodinamice diferite a palelor, atunci când asupra acestora acționează vântul dinspre concavitate spre convexitate. Orientarea dupa direcția vântului nu este necesară, deoarece turbina este omnidirecțională. Protecția la supraturație în cazul vânturilor puternice nu este necesară, deoarece viteza periferică a turbinei nu depășește viteza vântului, deci, din punctul de vedere al turației turbina este “lentă“ și este dimensionată să reziste la vânturile cele mai puternice fără a fi necesară frânarea sau oprirea. Conversia energiei mecanice în energie de pompaj se face cu o pompă cu piston cu dublu efect acționată printr-o transmisie sistem bielă-manivelă.
Tabelul 4.8. Date tehnice ale turbinei de vânt TS-10
Fig.4.12. Instalație pentru pomparea apei TS – 10
3.5.7. Soluții innovative
Turbina eoliană MagLev
Fig. 4.13. Turbina eoliană MagLev
Turbina eoliană MagLev a fost prezentată pentru prima dată la expoziția Wind Power Asia în Beijing. Turbina folosește levitația magnetică pentru a susține lamele verticale fără a mai fi nevoie de un suport așa cum se întamplă la turbinele eoliene tradiționale. Turbina folosește magneți permanenți din neodymium cunoscuți și ca supermagneți. Prin acest sistem practic se elimină frecarea, iar turbina va avea o durată de viață mai mare și un cost mic de exploatare.
Turbinele eoliene MagLev au câteva avantaje față de cele clasice: funcționează de la o viteză a vântului de numai 1.5 metri pe secundă și chiar la viteze a vântului ce depășesc 40 m/s. O singură turbină MagLev poate genera 1 GW (gigawatt) de energie suficientă pentru 750.000 de case față de 5 MW cât produce o turbină clasică de dimensiuni mari. Costurile de operare sunt cu 50% mai mici față de turbinele eoliene clasice, iar durata estimată de viață a unei turbine eoliene MagLev e de 500 ani.
În China a început pe 5 Noiembrie 2007 construcția primei fabrici de turbine MagLev de către Zhongke Hengyuan Energy Technology ce a investit în această afacere 400 milioane yuan urmând să producă turbine cu capacități de 400 până la 5000 Watt, iar în Statele Unite aceste turbine eoliene vor fi produse de către compania MagLev Wind Turbine Technologies din Arizona, costul estimativ pentru o unitate de mari dimensiuni fiind de 53 milioane de dolari.
Comparativ cu turbinele eoliene convenționale, cele bazate pe tehnologia MagLev vor avea costuri de întreținere mai mici și vor necesită mult mai puțin spațiu.
Turbinele eoliene Joliet Cyclon
Turbinele eoliene Joliet Cyclon sunt comercializate în variante de 1Kw, 2Kw, 3Kw, 5Kw, 10Kw sau 20Kw.
Caracteristicile generale:
construcția unitară și tehnologia avansată permit o performanță foarte bună pentru viteze medii-mari ale vântului,
configurații variabile pentru furnizare directă a electricității, încărcare de acumulatori sau generare de electricitate în sistemele clasice de furnizare a curentului electric,
designul flexibil și pivotant al stâlpului de susținere permite o instalare rapidă în diferite condiții de teren; catargul conic este optional,
zero emisii poluante.
Fig. 4.14. Schemă de ansamblu a unei rețele de alimentare cu turbină eoliană Joliet Cyclon
– sistemul eolian, format din pilon, turbină eoliană și generator eolian;
– support pentru baterii de acumulatori, invertor și regulator de incărcare acumulatori;
– regulator de încărcare acumulatori;
– baterie de acumulatori;
– invertor;
– cabluri electrice;
– pompe;
– ventile (robineți);
– conductă apă rece;
– rezervor de apă;
– rezervor hidrofor;
– debitmetru;
– manometru;
– grup turbină hidraulică – hidrogenerator;
– tablou electric de c.c.
Turbinele de 1Kw sunt pentru uz casnic cu un consum mediu de energie electrică. Aceste turbine se pot combina cu panouri fotovoltaice sau cu acumulatori mai puternici, în soluții ideale pentru locații izolate. Turbinele de 2Kw, 3Kw sau 5Kw reprezintă soluții pentru o gospodărie cu consum mediu de electricitate.
Combinate cu acumulatori puternici și/sau panouri fotovoltaice, acestea pot fi instalate chiar și pentru asigurarea consumului electric al unor pensiuni.
Turbina eoliană Joliet Ultra are urmatoarele caracteristici generale:
corp de aluminiu combinat cu componente de otel inoxidabil in zona rotorului
placute centrale din otel inoxidabil
agneti Neodymium-Iron
rotor cu directionare autonoma
ideala pentru climat mai sever sau pentru navigatie maritime
Fig. 4.14. Turbina eoliană Joliet Ultra
Include un controler de 2Kw pentru distribuția supra-încărcării electrice, un contor de Volt/Amper, un invertor, un switch pentru frânare și un cooler.Generează 1A la 24V la o viteză a vântului de 9 mph; poate genera aproximativ 1500w în condiții de vânt cu rafale.
Tabel 4.9. Detalii tehnice
Puterea maximă (1200 – 1500w) poate fi atinsă la 100A cu un sistem de 12V și o viteză a vântului de peste 30 mph.
Cu un diametru mai mic și greutate mai mică, turbinele Ultra se dovedesc mai performanțe decât multe sisteme concurente, în condiții de vânt la viteză medie spre mare. Asta pentru că turbinele Ultra nu se “ascund” de vânt, spre deosebire de unele sisteme concurente care tind să frâneze. La viteze de peste 50 km/h, Ultra continuă să genereze electricitate, chiar și peste 1500W (unii utilizatori au raportat chiar și 1800W la 100A), fără să fie înregistrate defecte la componentele electrice sau mecanice. Aceste turbine rezistă foarte bine și în condiții meteo mai dure, cu ploi sau ninsori, chiar și furtuni.
Palele turbinei Ultra sunt confecționate din fibre uni-direcționale de carbon (a nu se confundă cu matrici de carbon sau cu armături de materiale plastice). Fibrele uni-direcționale de carbon sunt de 7 ori mai dure decât oțelul simplu și uniformează presiunea de la vârful elicii la centrul rotorului.
Izolanții turbinei sunt straturi speciale din titanium dioxid și poliuretină liniară care protejează componentele de efectele nocive ale coroziunii vântului, ploii, zăpezii, gheții sau a prafului.
Stâlpul de susținere a fost conceput în primul rând pentru a oferi o foarte bună siguranță în susținere. Turbină se comercializează într-un pachet complet, format în principal din generatorul electric, stâlpul de susținere și alte componente secundare.
Capitolul V.
Modelul matematic de simulare numerică a funcționării turbinei cu ax vertical
Se consideră cazul general al rotorului cu N pale curbe care se rotește cu viteza unghiulară ω (rad/s) într-un curent de aer cu viteza V∞. Mișcarea rotorului se studiază față de un sistem de axe de coordonate cu originea în centrul de simetrie (al rotorului) cu axele Oz pe verticală, Ox pe direcția vântului și Oy perpendiculară pe cele două.
Fig. 5.1. Reprezentarea tuburilor de curent care străbat suprafața rotorului
Suprafața rotorului, proiectată pe un plan perpendicular pe direcția vântului este străbătută de un număr de tuburi de curent cu secțiune variabilă(figura 5.1).
5.1. Elemente de cinematica rotorului
Considerăm elementul de pală care străbate un tub oarecare de curent. În planul median al elementului (perpendicular pe lungimea elementului) se ia coarda profilului palei punctul a cărei mișcare caracterizată din punct de vedere cinematic elementul de pală. Acest punct în care raza traiectoriei circulare este perpendiculară pe coardă. În calculele ce urmează am optat pentru ultima variantă. Dacă notăm cu r distanța până la axa de rotație atunci viteza punctului M va fi rω.Viteza relativă a curentului de aer față de elementul de pală se obține însumând vectorial viteza viteza curentului de aer prin tubul de curent, nitata cu , unde VV∞ (viteza curentului neperturbat de prezența rotorului). Primul obiectiv urmărit în cadrul modelului matematic este determinarea vitezei V.
Fig. 5.2. Elementele geometrice pentru calculul vitezei relative
În figura 5.2 sunt prezentate elementele geometrice pentru calculul vitezei relative VR (mărimea și unghiul de incidență cu coarda profilului).
După Templin, fenomenele aerodinamice produse de o pală având planul secțiunii drepte înclinat de unghiul β față de planul vitezei V sunt echivalente cu cele produse de viteza .
Relațiile de calcul sunt:
i fiind unghiul de incidență, și:
5.2. Elemente de dinamica rotorului
Un profil aerodinamic este caracterizat prin comportarea sa în curentul de aer cu viteaza VR și unghiul de incidență i. Forțele de portanță și rezistență produse de profilul de curent de aer pot fi calculate cu ajutorul coeficienților de portanță Cz și rezistență Cx, coeficienții tabelați pentru diferite valori ale unghiului de incidență și la diferite numere Reynolds. La profilele simetrice se dau valori Cz(i) și Cx(i) pentru .
Considerăm un element de pală aflat într-un tub de curent cu viteză relativă (față de element) VR și unghiul de incidență i.
Elementele geometrice pentru calculul forțelor sunt prezentate în figura 5.3. S-a notat cu Ft componenta rezultantei aerodinamice pe direcția tangentei la traiectoria elementului de pală, Fn și Fx cu semn schimbat, componenta rezultantei aerodinamice pe direcția vitezei V din tubul de curent.
(5.3)
(5.4)
(5.5)
Unde:
– densitatea aerului
– lungimea elementului de pală
C – lungimea corzii profilului
Coeficienții adimensionali Cn și Ct se exprimă în funcție de profilul aerodinamic prin relatiile:
Fig. 5.3. Elementele geometrice pentru calculul forțelor care acționează asupra palei
Media valorilor lui Fx pentru cele N pale în intervalul necesar unei rotații complete poate fi aproximată prin:
(5.7)
Forța medie exercitată de curentul de aer pe elemental de pală ce străbate tubul este:
(5.8)
Unde:
As este aria secțiunii drepte a tubului de curent ()
5.3. Ecuația modelului matematic
Echilibrul dinamic al forțelor ce acționează în tubul de curent este exprimat cu relația:
(5.9)
Sub formă adimensională, cu (5.3), (5.4) și (5.5) se obține ecuația modelului:
În (5.10) apare un parametru important pentru dimensionarea rotorului eolian, ”soliditatea”, notate cu .
Ecuația (5.10) se rezolvă luând ca variabilă necunoscută raportul . O tratare analitică este posibilă deoarece membrul stâng al relației (5.10) depinde de prin intermediul unghiului de incidență și al coeficienților Cz(i) și Cx(i) într-o normă neliniară implicită. Este motivul pentru care s-a ales metodă numerică de rezolvare.
Dată introducem variabila:
Ecuația (5.10) se poate scrie:
Unde:
Sub forma (5.12), ecuația se rezolvă iterative:
k fiind ordinal iterației. S-a plecat cu , condiție echivalentă cu .
Dacă ne impunem criteriul de convergență pentru un număr maxim fixat de iterații se poate aplica metoda cu ajutorul unui calculator electronic.
În cazul concret s-a folosit criteriul:
(5.15)
Cu și
5.4. Calculul mărimilor caracteristice ale rotorului eolian (cuplu, putere, coefficient de putere)
Cuplul produs de un element de pală va fi:
Dacă notăm cu numărul de elemente care compun o pală, atunci cuplul produs de pală va fi:
Dacă este numărul valorilor în care s-a făcut calculul se obține un cuplu mediu de rotație:
Termenii care se însumează sunt, evident funcții de și Z , deci și . Pentru simplificarea scrierii nu s-au mai introdus și acești indici la termenii respectivi.
Puterea medie se determină cu relația:
(5.19)
Coeficientul de putere este raportul dintre puterea medie a rotorului și puterea curentului de aer cu viteza neperturbată ce traversează secțiunea interceptată de rotor din acest curent.
Relațiile pentru cuplu, putere și coefficient de putere exprimă dependent acestor parametrii, pentru un rotor dat, de viteza vântului și de turația n(rot/min)= 30 .
5.5. Variația vitezei cu înălțimea
Fenomenele de aderență la suprafața solului și de frecare a straturilor de aer determină distribuția pe vertical a vitezelor acestor straturi. Legea de variație folosită la teoria turbinelor eoliene este de tip exponential 2:
Unde:
și sunt înălțimile locurilor de măsurare;
și , vitezele curentului de aer măsurate;
este un coeficient care caracterizează locul (amplasamentul turbinei).
În general ia valori între 0,1 și 0,4.
Pentru calculele numerice cu programul de calculator întocmit pe baza modelului matematic s-a considerat =1/7.
Deoarece puterea medie variază cu viteza curentului la puterea a 3-a este necesar să se țină seama în calculi de profilul pe vertical al vitezei vântului. Rezultatele se raportează la înălțimea de măsurare a vitezei. În particular, pentru măsurarea vitezei vântului la turbine de 100kW din poligonul experimental Ghimbav s-a amplasat un anemometru la nivelul planului ecuatorial al rotorului și rezulatele pentru , , sunt exprimate în funcție de viteza la acest nivel.
5.6. Variația coeficienților aerodinamici cu numărul Reynolds
Numărul Reynolds este un parametru care caracterizează regimul vântului, laminar sau turbulent:
(5.22)
Unde:
este o lungime caracteristică
este vâscozitatea cinematică a aerului
este viteza aerului
Pentru regimul curentului în jurul unui element de pală se ia (coarda profilului) și (viteza relativă a curentului de aer față de profil), rezultă:
(5.23)
În relația (5.23) este în cm, iar în m/s.
În tunelele aerodinamice, coeficientii și ai profilului se determină experimental pentru un regim de curgere caracterizat de un anumit număr Reynolds. În program s-au folosit valorile coeficienților și (funcție de unghiul de incidență) pentru opt numere Reynolds: .
Deoarece numărul Reynolds local (pentru un anumit element de pală) calculat cu relația (5.23) este între aceste valori a fost necesar un procedeu de interpolare a coeficienților aerodinamici în funcție de numărul Reynolds. Metoda de interpolare a fost interpolarea liniară.
5.7. Variația ciclică a forțelor aerodinamice ce acționează asupra unei pale.Centrul de rotație aerodinamic.
Dacă se pasează reperul aerodinamic al palei cu originea în focar, axa pe direcția și sensul vitezei aerodinamice și perpendicular pe acestea (figura 5.4), se poate constata că indiferent de poziția a palei, axa trece printr-un punct fix 0’ situat pe diametrul normal de vânt al turbinei. Acest punct fix 0’ îl vom numi centru de rotație aerodinamic. Poziția este determinate de distanța 00’:
În care am notat : r – raza turbinei.
Relația (5.24) poate fi dedusă ușor din asemănarea triunghiurilor vitezelor cu triunghiurile razelor (figura 5.4), adica:
Pe aceași figură 5.4, se poate observa faptul că vârful vitezei aerodinamice se află pe un cerc de rază:
Al cărui centru 0’’ se află deplasat pe direcția vântului cu ”distanța” w. Se vede ușor că acest cerc rezultă din centrul hodograf al vitezei aerodinamice în reperul fix, dar ”expandat” de la raza la raza r”.
Fig. 5.4. Variația forțelor aerodinamice asupra unei pale pe parcursul unei rotații
5.7. Caracteristici de tracțiune ale palei
La turbine cu pale fixe (în raport cu brațul), adică cu unghi de așezare invariabil prezintă interes determinarea forței tangențiale, orientată de-a lungul corzii, profilului (admițând că pala este montată perpendicular pe brat, în centrul de presiune). Forțele care acționează asupra palei, reduse în centrul de presiuneconduc la o rezultantă unică (figura 5.5), care se poate descompune:
pe axele reperului aerodinamic
pe axele reperului legat de pală
Latura dintre componentele lui în cele două repere este data de relațiile:
Dacă se simplifică cu , relațiile (5.28) devin:
5.30)
O altă expresie pentru coeficientul de forță tangențială se poate obține dacă se scrie, conform figurii 5.5:
(5.31)
Fig. 5.5. Determinarea rezultantei forțelor care acționează asupra palei
Prin transformări, relațiile de mai jos devin:
(5.32)
Respectiv,
(5.30)
5.8. Determinarea unghiului de incidență optim
După cum se vede in figura 5.6, dacă placa este bracată spre interiorul rotorului cu unghi β, incidența reală devine I, suma între incidența ”cinematică” și unghiul de basculare β.
(5.33)
pentru , în timp ce pe a doua jumătate a perioadei de rotație pentru a realiza o creștere a unghiului de incidență trebuie să basculăm pala spre exteriorul rotorului și vom avea:
Rezultă că unghiul de basculare β trebuie măsurat pozitiv la bascularea spre exteriorul rotorului și negative la bascularea spre interior. Ținând cond de faptul că s-a admis ca sens de rotație al turbine sensul orar, rezultă că unghiul β va fi pozitiv la o rotație relative a palei față de brat în sens invers rotației brațului (figura 5.7). În concluzie, indifferent de poziția θ a palei pe cercul turbine, se poate folosi o singură relație pentru determinarea incidenței reale, dacă are în vedere accepțiunea în legătură cu semnul unghiului de incidență ”cinematic” α și anume:
Fig. 5.6. Determinarea unghiului de incidență
Fig. 5.7. Determinarea unghilui de incidență
Din studiul figurilor 5.6 și 5.7 rezultă că relațiile 5.29 și 5.30 rămân valabile și la turbine cu pală mobile, cu condiția înlocuirii în acestea a unghiului α prin incidența reala . Deoarece deducerea relațiilor amintite s-a lucrat cu unghi de incidență în modul, se va păstra aceasi convenție. Se remarcă însă că, coeficienții și vor furniza în continuare (deși pala este rotită) componentele forței rezultante aerodinamice pe axele reperului solidar cu pala . Pentru a găsi componentele forței rezultante aerodinamice pe direcție radială și tangențială, este nevoie să reproiectăm forțele rezultante aerodinamice pe direcția radială și tangențială, este nevoie să reproiectăm forțele date de și pe axele reperului , solidar cu turbine.
Obținem atunci:
(5.34)
relațiile în care unghiul de basculare β trebuie introdus ca valoare algebrică,conform convenției de semn anterioare.
Din punct de vedere al calităților de tracțiune ale turbinei ne interesează numai coeficientul , a cărei expresie devine:
(5.35)
Din studii se pot face următoarele observații:
1) valoarea coeficientului de tracțiune crește aproape linear cu incidența, atingând un maximum pentru valori ale acesteia din urmă cuprinse între și 17;
2) valorile ”teoretic optime” ale incidenței nu sunt încă recomandabile din următoarele motive:
a) sunt prea apropiate de unghiul de portanță maximă () și funcționarea în aceste condiții a turbine ar fi pe de o parte instabilă (fluctuații mari ale forțelor pe pale) și, pe de altă parte, cu scădere de randament dacă sistemul de urmărire a unghiului de incidență nu este atât de fidel încât să mențină cu mare precizie acest unghi la valori sub . Într-adevăr, imediat ce se depășește unghiul de portanță maxima apare o scădere grosolană a calităților aerodinamice ale profilului (în aviație, acest fenomen se numește ”angajare”);
b) determinarea însăși a unghiului de portanță maxima are un oarecare grad de incertitudine. Astfel, acest unghi are valoarea de numai după Riegels, lăsând la o parte variația sa cu numărul Reynolds;
3) având în vedere cele de mai sus, se recomandă ca valoarea optima pentru unghiul de incidență:
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Licenta Generator Eolian De Tip Darrieus2 [306328] (ID: 306328)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.