Realizarea și caracterizarea unui model experimental de turbină eoliană cu șase pale folosind tunelul de vânt [308452]

UNIVERSITATEA ”DUNĂREA DE JOS”

DIN GALAȚI

FACULTATEA DE INGINERIE

DEPARTAMENTUL: ȘTIINȚA ȘI INGINERIA MATERIALELOR

SPECIALIZAREA : ȘTIINȚA MATERIALELOR

Realizarea și caracterizarea unui model experimental de turbină eoliană cu șase pale folosind tunelul de vânt

Coordonator științific : Absolvent: [anonimizat]. [anonimizat]

2019

ENERGII REGENERABILE

Definiție si caracterizare.

[anonimizat], [anonimizat] (din perspectiva temporală a vieții omenești).

Pe fondul amenințărilor induse de poluarea din ce în ce mai mare ([anonimizat], petrol, gaze naturale), interesul pentru energii regenerabile a [anonimizat] s-a [anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat], într-o [anonimizat] – [anonimizat] s-a dezvoltat doar în ultimii 150-200 de ani.

Exemple de energii regenerabile

Figura .Centrală hidroelectrică

Principalele surse de energii regenerabile sunt : cea eoliană (datorată curenților de aer și vânturilor), solară (care captează și transformă energia soarelui în electricitate și căldură), diversele tipuri de energie a apei (hidraulică – energia apelor curgătoare; mareelor – energia obținută din fluxul/refluxul mărilor și oceanelor; osmotică – energia valurilor), geotermală (energia câștigată din căldura de adâncime a Pământului) sau energia obținută din biomasă (carburanți obținuți din procesarea plantelor sau masei lemnoase).

Figura . Parc de turbine eoliene

Figura .Centrală geotermală

Energia solară

Energia solară poate fi exploatată prin:

conversie directă în electricitate prin intermediul dispozitivelor statice pentru transformarea radiației solare in energie electrică;

– [anonimizat], care ar putea fi soluționată pe două căi:

– prin conversia în energie termică a undelor solare prin care se constituie sursa caldă a [anonimizat];

– [anonimizat], a căror funcție ar fi de a acționa termogeneratoare convenționale sau de construcție specială.

Figura . Panouri fotovoltaice

Raportul dintre energia electrică produsă și energia radiantă incidentă pe suprafața modulelor determină randamentul celulelor solare. Dezavantajul pe care îl prezintă constă in faptul ca este difuză si nepermanentă (ciclu noapte/zi, timp înnorat etc.) și că nu poate fi colectatădecât în regiuni însorite.

Energia eoliană

Producerea energiei eoliane a [anonimizat], mori de vânt și mașini de treierat pentru cereale. Abia la începutul acestui secol au fost dezvoltate turbine eoliene de mare viteză pentru generarea de energie electrică. Termenul de turbină eoliană este utilizat pe scară largă în zilele noastre pentru o mașină cu pale rotative care convertește energia cinetică a vântului în energie utilă. În prezent există două categorii de turbine eoliene de bază: turbine eoliene cu ax orizontal (HAWT) și turbine eoliene cu ax vertical (VAWT), în funcție de orientarea axei rotorului.

Figura . Categorii de turbine eoliene

În prezent, aplicațiile energiei eoliene presupun generarea de electricitate, cu turbine eoliene care operează în paralel cu sisteme de rețea sau de utilitate, în locații mai îndepărtate, în paralel cu motoare alimentate cu combustibili fosili (sisteme hibride). Câștigul ce rezultă din exploatarea energiei eoliene constă atât în consumul redus de combustibili fosili, precum și reducerea costurilor globale de generare a energiei electrice. Utilitățile electrice au flexibilitatea de a accepta o contribuție de aproximativ 20% din sistemele de energie eoliană.

Energia eoliană, o energie curată, nepoluantă manifestată prin deplasarea unor mase de aer mari, a fost folosită cu succes în urmăcu secole, extinderea acesteia în prezent fiind, totuși, limitată datorită caracterului intermitent al fluxului și al vitezei variabile a vântului.

Energia hidroelectrică

Provine din acțiunea apei în mișcare. Poate fi văzută drept o formă de energie solară, deoarece soarele alimentează circuitul apei în natură. În cadrul acestui circuit, apa din atmosferă ajunge la suprafața pământului sub formă de precipitații. O parte din aceasta se evaporă, dar mare parte pătrunde în sol sau devine apă curgătoare la suprafață. Apa de ploaie și din zăpada topită ajunge în final în iazuri, lacuri, lacuri de acumulare sau oceane, unde evaporarea are loc permanent.

Figura .Circuitul apei în natură

Umiditatea care pătrunde în sol poate deveni apă de subsol, parte din care poate ajunge în cursurile de apă prin izvoare sau râuri subterane. Apa din subsol poate de asemenea ieși la suprafață prin sol în timpul perioadelor uscate, și se poate întoarce în atmosferă prin evaporare. Vaporii de apă ajunși în atmosferă se condensează apoi în nori, și o parte revine pe pământ sub forma precipitațiilor. Astfel, ciclul apei este complet. Natura ne asigură de faptul că apa este o resursă regenerabilă.

Hidrocentralele de mică putere reprezintă o mare contribuție de energie electrică din surse regenerabile la nivel european și mondial.

Hidrocentralele de mică putere (HMP) sunt alimentate de cursul natural al apei, adică nu implică captarea apei la scară mare, și de aceea nu necesită construcția de mari baraje și lacuri de acumulare, deși acestea ajută acolo unde există și pot fi utilizate ușor.

HMP au de asemenea un impact semnificativ în sensul înlocuirii combustibililor fosili, deoarece spre deosebire de alte surse regenerabile de energie, HMP pot de obicei produce energie electrică în orice moment, în funcție de cerere (nu necesită sisteme de stocare sau de rezervă), cel puțin în momentele anului în care este disponibil un debit de apă corespunzător, iar în multe cazuri se oferă energie la costuri competitive față de centralele electrice pe bază de combustibili fosili.

Căderea și debitul

Obiectivul unui sistem hidroelectric este de a converti energia potențială a volumului de apă care curge de la o anumită înălțime în energie electrică la capătul de jos al sistemului, unde este localizată centrala electrică.

Diferența de nivel a cursului de apă, cunoscută drept „cădere” este esențială pentru producerea hidroelectricității; simpla curgere rapidă a apei nu conține destulă energie pentru producerea de energie electrică semnificativă, decât la scară foarte mare, precum curenții submarini de coastă. De aceea este nevoie de doi indicatori: debitul apei Q și căderea H. În general este mai bine să fie o cădere mai mare decât un debit mai mare, deoarece astfel se pot utiliza echipamente de dimensiuni mai reduse.

Căderea brută (H) reprezintă distanța verticală maximă dintre nivelul apei din amonte la cel din aval. Căderea efectivă văzută la nivelul turbinei va fi ceva mai mică decât căderea brută, din cauza pierderilor suportate la transferul apei în și din sistem. Această cădere redusă se numește Căderea Netă.

Figura .Puterea debitului în funcție de lungimea căderii

În funcție de cădere, instalațiile hidroelectrice pot fi clasificate în trei categorii:

Cădere mare: peste 100 m

Cădere medie: 30 – 100 m

Cădere redusă: 2 – 30 m.

Aceste categorii nu sunt stricte, ci reprezintă doar un posibil sistem de

clasificare al locațiilor.

Instalațiile hidroelectrice pot fi definite și ca:

Instalații pe firul apei

Instalații cu centrală electrică localizată la baza unui baraj

Sisteme integrate pe un canal sau într-o conductă de alimentare cu apă

Figura .Centrală hidroelectrică localizata la baza unui baraj

Figura .Instalație hidroelectrică la firul apei

Figura .Viteza debitului influențată de nivelul de înclinare a solului

În general, locațiile cu cădere mare sunt mai ieftine de dezvoltat decât cele cu cădere mică, deoarece pentru același nivel de energie produs, debitul necesar prin turbină va fi mai mic, ca și construcțiile hidrotehnice. Pentru un râu cu o pantă relativ mare pe un sector al cursului său, diferența de nivel poare fi utilizată prin dirijarea unei părți sau a întregului curs și revenirea acestuia la albia râului după ce a trecut prin turbină. Apa poate fi adusă din sursă direct la turbină printr-o conductă de presiune.

Energia hidraulică exploatează puterea obținută din căderea naturală a apelor curgătoare. Conversia energiei hidraulice în energie electrică nu este poluantă, presupune cheltuieli relativ mici de întreținere, nu există probleme legate de combustibil si constituie o soluție de lungă durată . Energia hidraulică este cea care a penetrat cel mai rapid în balanțele energetice. Hidrocentralele asigură producerea a 19% din energia electrică la nivel mondial. Astfel, peste 99% din totalul energiei produse în Norvegia provine din forța apei. Brazilia produce energie hidraulică de peste 90% din totalul de energie electrică necesară acestei țări. Noua Zeelanda produce peste 75% din energia necesară din apele sale. Țările din America Latină produc energie hidraulică în proporție de peste 50% din potențialul lor.

Energia obținută din biomasă

Biomasa, considerată ca resursă energetică este fundamental diferită de alte surse de energie ne-fosile (de exemplu resursa eoliană). Ea generează energie și produse secundare similare cu cele ale resurselor fosile. Biomasa are de asemenea o utilizare foarte importantă ca sursă de hrană și materie primă pentru industrie, utilizări care trebuie corelate corect cu utilizarea în scop energetic, și respectarea principiilor durabilității, aspecte care vor fi discutate în secțiunile următoare.

`

Figura .Descompunerea biomasei

Definiția biomasei

În conformitate cu definiția dată de Directiva 2009/28/CE, biomasa este fracțiunea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor de origine biologică din agricultură (inclusiv substanțe vegetale și animale), silvicultură și industriile conexe, inclusiv pescuitul și acvacultură, precum și fracțiunea biodegradabilă a deșeurilor industriale și municipale”.

Aceasta înseamnă că, în condițiile unei procesări industriale adecvate, biomasa proaspăt recoltată poate fi convertită în produse similare cu gazul natural sau cu combustibilii lichizi sau solizi. Prin aplicarea unor variate procese de transformare, cum ar fi arderea, gazeificarea sau piroliza, biomasa poate fi transformată în “bio-combustibili” pentru transport, “bio-căldură” sau bio-electricitate

Biomasă și durabilitate

Figura .Tipuri de biomasă

Utilizarea bioenergiei este legată de impactul asupra utilizării terenului. “Regenerabil”, “emisia gazelor cu efect de seră” și “durabilitate” nu sunt termeni sinonimi și trebuie considerați unul câte unul în cadrul proiectelor de biomasă.

Mai exact, condiția de “durabilitate” este îndeplinită atunci când proiectele bazate pe surse regenerabile de energie au un bilanț de CO2 negativ sau cel puțin neutru, pe durata întregului ciclu de viață.

Emisiile de gaze cu efect de seră (GES) reprezintă unul din criteriile de mediu incluse într-o analiză de durabilitate, dar nu este suficient. Conceptul de durabilitate trebuie să includă în evaluare și diferite alte aspecte, cum ar fi cele ecologice, culturale, de sănătate, dar trebuie să integreze și aspectele economice.

În general, conceptul de durabilitate aplicat în domeniul bioenergie nu este separat de aspectele de mediu, economic și social, așa cum este prezentat mai jos. Dacă unul dintre aceste aspecte nu este inclus, atunci se poate vorbi despre condiții echitabile, suportabile sau viabile, dar nu durabile.

Astfel, proiectele de biomasă vor putea fi considerate de succes, doar dacă pot demonstra condițiile durabile de producere a biomasei, condițiile viabile de desfășurare a afacerii și sprijin social, așa cum este prezentat mai jos .

Figura .Categorii de biomasă

Energia geotermală

– Energia geotermală se definește ca fiind căldura naturală provenită din interiorul Pamântului, captată pentru producerea de energie electrică, încălzirea spațiilor sau a aburului industrial. Ea este prezentă oriunde sub scoarța terestră, deși cea mai mare temperatură, și deci cea mai dorită resursă este concentrată în regiuni cu vulcani activi sau tineri din punct de vedere geologic.

Figura . Principiul energiei geotermale

Resursa geotermală este curată, regenerabilă, deoarece căldura emanată din interiorul Pamântului este inepuizabilă. Sursa de energie geotermală este disponibilă 24 de ore pe zi, 365 de zile pe an. Prin comparație, sursele de energie eoliană și solară sunt dependente de un număr de factori, inlcuzând fluctuații zilnice și sezoniere și variații în funcție de climă. Din acest motiv, energia produsă din surse geotermale este, odată captată, mai sigură decât multe alte forme de energie electrică. Căldura care izvorăște continuu din interiorul Pământului este estimată a fi echivalentă cu 42 millioane megawatt (Bilanțul termic de Stacey și Loper, 1988). Un megawatt poate asigura necesitățile energetice a 1000 de case.

Energia termică a Pământului este de aceea într-o cantitate mare și este practic inepuizabilă, dar este foarte dispersată, foarte rar concentrată și adesea la adâncimi prea mari pentru a fi exploatată industrial. Până acum utilizarea acestei energii a fost limitată la zone în care condițiile geologice permit un mediu de transport (apă în fază lichidă sau gazoasă) care să„transfere” căldura din zonele fierbinți de la adâncime la suprafață, dând astfel naștere resurselor geotermale.

Impactul de mediu al utilizării energiei geotermale este destul de mic și controlabil. De fapt, energia geotermală produce emisii atmosferice minime. Emisiile de oxid de azot, hidrogen sulfurat, dioxid de sulf, amoniac, metan, pulberi și dioxid de carbon sunt extrem de mici, în special atunci când sunt comparate cu emisiile provenite de la combustibilii fosili.

Utilizarea energiilor regenerabile

Tehnologiile energetice care folosesc resurse regenerabile produc relativ puține deșeuri si poluanți care să contribuie la ploile acide, smoguri urbane, sau probleme de sănătate și nu presupun costuri suplimentare pentru depoluarea mediului sau pentru depozitarea deșeurilor. Sistemele energetice solare, eoliene și geotermale nu generează dioxid de carbon în atmosferă, iar biomasa absoarbe dioxidul de carbon cand se regenerează si de aceea întregul proces de generare, utilizare și regenerare a biomasei conduce la emisiuni globale de dioxid de carbon aproapiate de zero.

Energia vântului.

Istoric

Energia eoliană este energia conținută de forța vântului ce bate pe suprafața pământului. Exploatată, ea poate fi transformată în energie mecanică pentru pomparea apei, de exemplu, sau măcinareagrâului, la mori ce funcționează cu ajutorul vântului. Prin conectarea unui rotor la un generator electric, turbinele de vânt moderne transformă energia eoliană, ce învârte rotorul, în energie electrică.Poporul chinez a inventat moara de vânt.

Figure .Navigarea egiptenilor pe Nil cu ajutorul enrgiei eoliene

Egiptenii au fost poate primii care au folosit energia generată de vânt atunci când au navigat pe Nil în amonte, în jurul secolului IV i.Hr, urmați de mulți alții. Aceasta fiind prima formă de transformare și utilizare a energiei eoliene. Energia eoliană, mișcarea vaselor cu ajutorul vântului a fost principala metodă de transport pe apă în istoria umanității.

La 1000 de ani după Hristos vikingii au explorat și au cucerit nord atlanticul datorită energiei eoliene.

Figura . Folosirea energiei eoloene pentru a naviga

Cristofor Columb în 1492, ajutându-se de puterea de propulsie a vântului el a fost primul care a reușit să descopere America.

Peste secole vasele cu pânze aveau să domine marile și oceanele lumii, servind în principal transportului comercial, dar și în scopuri militare si științifice. Marile imperii ale erei noastre foloseau vasele cu pânze pentru a controla și domina mările.

Românii au folosit energia eoliană pasivă pentru vasta lor flotă. Câteva vase erau atât de mari încât puteau transporta mii de tone de sau un număr foarte mare de pasageri, depinzând numai de mărimea vasului și de confortul pasagerilor.

Aceste vase cu pânze sunt și astăzi prezente pe apă, însă sunt construite cu echipamentemoderne. Utilizarea lor este, însă, cu totul alta – fie ca vase sportive, fie ca ambarcațiuni de agrement.

Figura .Vas cu pânze

Energia eoliană a fost exploatată pe uscat de când prima moară de vânt a fost construită în vechea Persie în secolul VII.

Figura . Moara de vânt , Persia sec VII

Aceste mori sunt făcute din lemn și lut amestecat cu paie si pot suporta o viteză a vântului de 120km/h. Spre deosebire de tipul care mai târziu a devenit raspândit în vest, aceste mori de vânt aveau un ax vertical cu vele care se roteau pe suporturi orizontale. Pietrele de moară de la capătul inferior al axului măcinau cerealele pentru a obține făină.

Figura . Moară de vânt

În jurul secolului al XIV lea germanii au folosit energia eoliană pasivă pentru a scoate apa din câmpurile inundate cu un așa numit motor eolian iar în Olanda , pompele acționate de vânt erau folosite pentru a drena suprafețe întinse din delta Rinului .

Figura . Mori de vânt Germania

Figura . Mori de vânt

Morile de vânt europene tipice aveau patru palete, unele aveau cinci și ocazional mai existau și cu șase. Morile de vânt europene, au fost folosite atât pentru măcinarea de boabe cât si pentru tăierea bustenilor, marunțirea tutunului, confecționarea hârtiei, presarea seminaelor de in pentru ulei si măcinarea de piatra pentru vopselele de pictat.

Figura . Mori de vânt europene

La început morile de vânt europene erau capabile de a produce 25-30 kW de putere mecanică.

Morile de vânt americane pentru ferme se foloseau pentru pomparea de apă de la mare adâncime, fiind folosite în agricultura americană în vestul Statelor Unite.

Eficiența rotorului s-a dublat grație îmbunătățirilor paletelor- acum din metal- realizate de inginerul american Thomas Perry, la sfârșitul anilor 1800. Omul de afaceri american La Verne Noyes a construit cea mai de succes moară de vânt pentru ferme, grație unor palete de metal foarte speciale.

Aceasta s-a dovedit așa eficientă încât a revoluționat morile de vânt pentru ferme și se folosește și în zilele noastre.

Figura . Rotor American realizat din metal

Morile de vânt americane au rămas memorabile prin siguranța și eficiența lor în capacitatea de a pompa apă de la mare adâncime. Totuși ele produc aproximativ o zecime din puterea unei turbine eoliene echivalente ca mărime. Astfel ele nu sunt potrivite pentru generarea de electricitate.

Figura . Moară de vânt utilizată la pomaprea apei

Figura . Moară de vânt americană

Morile de vânt pentru ferme au fost în vogă în prima parte a sec. al 20-lea. Mai mult de 1 milion de asemenea mori sunt încă în funcțiune în lume.

Însă exploatarea pe scară largă a apărutabia în secolul XX, odată cu apariția “morilor de vânt” moderne – turbinele de vânt ce pot genera o energie de 250 până la 300 de kilovați.

Figura . Evoluția tubinelor eoliene

Pentru că vântul este o sursă de energie curată si interminabilă, turbinele de vânt sunt instalate în țările dezvoltate și acolo unde intensitatea vântului permite puterii eoliane să poată fi exploatată,pentru a suplini sursele tradiționale de energie electrică, precum căldura degajată de arderea cărbunilor.

Ele au evoluat ca putere pâna la 1500 KW (anul 1988), devenind în acelasi timp si loc de depozitare a materialelor prelucrate. Morile de vânt americane pentru ferme erau ideale pentru pomparea de apa de la mare adâncime.

Imbunatatirile aduse rotoarelor si elicelor, combinate cu o crestere a numarului de turbine instalate, a dus la o marire a puterii energiei eoliene cu circa 150% din 1990.

Turbinele eoliene moderne transforma energia vântului în energie electrica si tind sa aiba o putere instalata de 3 MW putere (cu inaltimi de circa 100 de metri si pale cu diametre de 45-60 de metri).

Clasificare 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 100 kW) utilizate în principal pentru uz casnic, agricol, etc.

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

După direcția de orientare a axei :

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

Turbine cu axa verticală (aflate în stadiu de cercetare- având axa perpendiculară pe direcția vantului)

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).

După locul de amplasare :

Amplasare terestră

Amplasare marină

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 pentru a antrena generatorul.

Turbine eoliene cu ax vertical

Cele mai vechi modele de rotoare eoliene prezintă rotoare cu o axă verticală de rotație . La început, totuși, rotoarele axei verticale puteau fi construite doar ca rotoare pure (drag-type).

Figura . Eoliana cu ax vertical

Rotorul Savonius ", care poate fi găsit ca ventilator pe vagoane de cale ferată sau camionete de livrare și anemometrul (cupă) utilizat pentru măsurarea vitezei vântului sunt exemple bine cunoscute de rotoare cu o axă verticală de rotație. Recent, inginerii au reușit să dezvolte modele de axe verticale care ar putea de asemenea să utilizeze în mod eficient profilul aerodinamic. Designul propus în 1925 de către inginerul francez Darrieus, în special, a fost considerat un concept promițător pentru turbinele eoliene moderne .

În rotorul Darrieus ", lamele se formează și se rotesc în modelul de suprafață a metodei de măsurare a rotației, atroposkien (adică rotunjim în limba greacă), cu o axă verticală de rotație. Aceasta face ca forma geometrică a lamelor rotorului să fie complicată și astfel dificil de fabricat. Ca și în cazul rotoarelor cu axă orizontală, rotoarele Darrieus sunt construite, de preferință, cu două sau trei lame de rotor.Avantajele specifice ale conceptelor turbinelor pe axa verticală sunt că designul lor practic simplu include posibilitatea de a acoperi componentele mecanice și electrice, cutia de viteze și generator la nivelul solului și că nu există un sistem de răsturnare. Acest lucru este contracarat de dezavantaje cum ar fi raportul vârf-viteză redus, incapacitatea sa de auto-pornire și imposibilitatea de a controla puterea de ieșire sau de viteză prin așezarea lamei rotorului.O variație a rotorului Darrieus este așa numitul rotor H. În loc de lamele curbate ale rotorului, se folosesc lamele drepte conectate la arborele rotorului prin traversare.

Figura . Rotorul Savonius

Turbinele cu ax vertical sunt caracterizate printr-un ax de rotație poziționat vertical. Acestea nu necesită un sistem de orientare față de direcția vântului, putând prelua vântul din orice direcție, iar inerția de răspuns la schimbările bruște de vânt este mică. Turbinele cu ax vertical au de asemenea o bună performanță în curgerea turbulentă. Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică , având înalțimea de 0,1-0,5 din înălțimea rotorului . Acesta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator , generator ) la piciorul eolienei , facilitând astfel operațiunile de întreținere. În plus , nueste necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului , ca în cazul eolienelor cu ax orizontal . Totuși , vântul are intensitatea redusă la nivelul solului , ceea ce determină un randament redus al eolienei , aceasta fiind supusă si 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.

a) Savonius :

Acest design se bazează pe principiul rezistenței aerodinamice (drag-type) – vântul “împinge” palele care au forma unor cupe, ceea ce implică limitări ale vitezei maxime de rotire posibile, care este întotdeauna egală sau mai mică decât viteza vântului. Aceste turbine au fost studiate, iar în literatură întâlnim numeroase articole care prezintă soluții tehnice ale conceptului de bază și performanțele acestora. Ceea ce au urmărit cercetătorii a fost obținerea unui coeficient de putere mai bun, deci a unei performanțe crescute. Din aceste studii putem realize faptul ca s-au obținut rezultate mult mai bune la configurațiile cu 2 si 3 pale, iar efectul creșterii numărului palelor este scăderea performanței.

b) Darrieus:

Are la bază principiul portanței (lift-type), palele au profil aerodinamic, deci este posibilă rotirea rotorului cu o viteză mai mare decât cea a vântului. Turbinele cu ax vertical sunt bazate pe principiul portanței, pot fi la rândul lor împărțite în mai multe soluții constructive:

Figura .

Figura . Eoliana Darrieus – H

Turbine eoliene cu ax orizontal.

Funcționarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt .

Cel mai adesea , rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic , deoarece astfel se obține un bun compromis între coeficientul de putere , cost și viteza de rotație a captorului eolian , ca și o ameliorare a aspectului estetic , față de rotorul cu două pale .Eolianele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate , deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical , sunt mai puțin supuse unor solicitări mecanice importante și au un cost mai scăzut .

Figura . Eoliana cu ax orizontal

Există două categorii de eoliene cu ax orizontal :

Amonte : vântul suflă pe fațapalelor , față de direcția nacelei . Palele sunt rigide , iar rotorul este orientat , cu ajutorul unui dispozitiv , după direcția vântului .

Aval : vântul suflă pe spatele palelor , față de nacela . Rotorul este flexibil și se auto-orientează .

Figura .Categorii de eoliene in functie de directia vântului

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizata, deoarece este mai simpla si de cele mai bune rezultate la puteri mari : nu are suprafete de directionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse si are o stabilitate mai buna. Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate in functie de directia si forta vantului. Pentru aceasta, exista dispozitive de orientare a nacelei pe directia vantului si de orientare a palelor, in functie de intensitatea acestuia. In prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezinta cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrica la scara industriala.

Materiale utilizate in constructia eolienelor cu ax orizontal

Materiale utilizate din trecut până în prezent

Noțiunea de turbină este folosită pentru orice mașină cu pale care transformă energia cinetică a unui fluid în lucru mecanic. În cazul în care se utilizează energia cinetică a vântului,turbinele capătă denumirea de turbine de vânt sau turbine eoliană.

Deși neregularitatea vântului presupune timp scurt de folosire a turbinelor eoliene , timp de milenii vântul a fost intens folosit de oameni , în special la sate. De exemplu, în multe sate din Portugalia , fiecare casă avea propria morișcă eolianaă folosită pentru pomparea apei potabile .

Se pare că energia eoliană este prima energie menită să o înlocuiască pe cea umană , începuturile folosirii sale fiind cu 4000 de ani în urmă , în perioada trecerii de la societatea de vânători la cea de agricultori. Se pare că primele moriști de vânt erau prăjini de lemn acoperite cu piei . Ulterior a apărut o mare diversitate de forme a turbinelor eoliene , în aceste forme oglindindu-se condițiile de viață si cultură ale diverselor popoare. Națiunile de navigator au găsit alte forme față de cele continentale , cele asiatice altele decât cele europene , etc . Renașterea a introdus forme complet noi , iar epoca noastră tehnico-științifică a dezvoltat construcții optimale.

Figura . Fundații de mori care rezistă și astăzi

De multe ori s-a spus că primele mori de vânt au apărut în Persia , dar fiind din lemn nu prea s-au păstrat urme ale lor . În ultimul timp însă , tot mai des se afirmă că cele mai vechi mori de vânt au funcționat acum 3000 de ani în Alexandria , părțile lor inferioare fiind construite din piatră , conservându-se până azi .

Ele seamana cu nenumarate mori de vant de azi din zona mediterana . Cele 6-8 pale aveau panze triunghiulare , viteza de rotatie fiind de 20rot/min , iar axul elicei nu se putea roti dupa vant si nici nu era nevoie deoarece vantul avea directia constanta

În insulele Mallorca , pentru a capta vântul ce nu avea directia constantă , se instalau mori in serie , fiecare fiind axul dirijat diferit , asigurandu-se astfel un randament mai mare.

Figura . moară de vânt în insulele Mallorca

Figura .Mori de vânt din insulele Mării Egee

În insulele Marii Egee există mori de vânt care sunt construcții masive de piatră de acum 2000 de ani . Remarcabilă este fixarea simplă a pânzelor din punct de vedere static.

Figura . Moară de vânt din piatră

Figura . Moară de vânt chinezească

Acum 1500 de ani chinezii au construit primele lor roți de vânt . Aceștia foloseau turbine eoliene cu pânze de catarg pentru pomparea apei de mare pentru a obține sare. Pentru prima dată apar la ei o turbină cu ax vertical , independent de direcția vântului , dar avea randament mic.

Din 1727 datează și un desen chinezesc reprezentând o moară de vânt de piatră cu acoperiș rotator , probabil de origine europeană.

Figura . Mori de vânt din metal

În tot domeniul de influență arab s-au răspândit același tip de mori de vânt ,cele mai multe fiind în Creta , mai precis intr-o câmpie din Creta și azi mai sunt 6000 de mori de vânt. Palele acestora erau din panză triunghiulare care făceau față ușor furtunilor .

Figura . Mori de vânt insula Creta

Figura . Câmpie din insula Creta

În Europa Centrală medievală , în secolul al XI –lea morile de vânt atât de răspândite încât țineau de viața zilnică . Ele erau de două tipuri :

Figura . Moară Germană

Moara germană , apărută în 1400 , care se putea roti pe o capră , elicea avea 6 pale dreptunghiulare , confecționate la început din scânduri de lemn , apoi din pânză de catarg întinsă .

Cruciații au răspândit aceste mori de vânt din Ungaria până în Rhodos de aceea ele s-au conservat și se pot întalni și azi.

Figura . Mori German

Figura . Moară germană construită în 1400 și recondiționată

Moara de vânt olandeză este mai perfecționistă decât cea germană , orientarea dupa vânt făcându-se mai ușor decât la acestea din urmă.

Figura . Mori de vânt Olandeze

Moara olandeză

Figura . Moară olandeză

Figura . Moară de vânt Olandeză

Figura . Mori olandeze

Moara de vânt a preocupat mult oamenii din Renaștere și din perioada următoare , eliberarea elicei eolienei de direcția vântului fiind unul din punctele esențiale ale studiilor si încercărilor lor.

În sec al XVII-lea s-au obținut primele progrese importante ale turbinelor cu ax vertical , turbinele căpătând o roată care dirija vântul cât mai favorabil spre palele curbate. Ea se numea moara poloneză și a fost descrisă prima dată în 1699 .

În 1829 într-un jurnal englezesc a apărut descrierea unei elice cu n pale care se deschideau și se închideau în timpul funcționării ca niște aripi de fluture. Buttenstandt a inventat o turbină eoliană cu 16 pale cu ax vertical care, cu ajutorul unui mecanism, se așează singură pe direcția vântului. Pentru ca randamentul ei să fie bun , erau necesare profile de pale moderne, de aceea turbina lui Buttenstandt este o alternativă a turbinelor americane.

.

Figura . Moară cu 12 pale

Bottom of Form

Figura . Moară de vânt Americană

În America , cea mai veche moară de vânt a fost ridicată de spanioli în 1512 în statul Yucatan. În secolul al XVII – lea în California erau mori de vânt care lucrau pentru prelucrarea trestiei de zahăr .

După primul război mondial s-au construit multe astfel de turbine cu diametrul de 12 m si 15 kW folosite la producerea curentului electric, încălzit și pomparea apei potabile.

Ca aeromotor , elicea eoliană a fost folosită pentru scopuri foarte variate :

La mori de vânt

La pompe

La mecanizarea rugăciunii ( În Tibet, Mongolia și China)

La protecția plantelor împotriva maimuțelor și pisicilor sălbatice producând zgomote care sperie.

Secolul al XIX – lea s-a caracterizat aproape exclusiv prin îmbunătațirea formei palelor, răsucirea fiind deja bine înțeleasă. Francezul Duvand a încercat să rezolve problema curburii folosind pânze de forma aripilor de pasăre. El a avut ideea săproiecteze pale care se roteau în jurul axei palei creând astfel premisele turbine moderne . Scoaterea apei din mine s-a făcut mult timp cu ajutorul pompelor puse în funcțiune de elice eoliene , aceasta pana la apariția mașinilor cu abur. Cu toate acestea roata de vânt a continuat să fie folosită și perfecționată.

Astfel , celebre sunt contribuțiile danezului La Cour care în 1890 a obținut , prin lucrările sale în suflerii , valori constructive precise :

Înclinarea axei elicei trebuie să fie de aproximativ 10 ș ;

Suprafața totală a palelor să nu depașească o treime din suprafața discului elicei ;

Butucul elicei trebuia să aibă o rază corespunzând unui sfert din lungimea palei.

Figura . Eoliană confecționată de Poul la Cour

După primul război mondial Maiorul Bilon și prof. Albert Betz au dezvoltat pale mai bune pe baza studiilor de aerodinamică . Suprafețele plane ale palei lui La Cour au fost înlocuite prin altele având profile de forma liniilor de curent dublându-se astfel puterea. Pentru a mari siguranța funcționării la vânturi puternice si a mări viteza unghiulară s-a folosit cârma de vas a lui Anton Flettner construită in 1923 .

Tot în secolul al XIX – lea au apărut aparatele pentru măsurarea vitezei vântului (anemometrele) , iar la sfârșitul acestui secol Savonius a construit turbine cu ax vertical . Ea este folosită ca ventilator în locuințe , pe vapoare , în automobile. După cel de al doilea război mondial a crescut interesul față de turbinele eoliene înființându-se institute (specializate pentru cercetări în domeniul energiei eoliene și dispunând de diferite tipuri de turbine eoliene folosite pentru cercetare ) și construindu-se multe alte turbine pentru scopuri practice .

Pe măsură ce instalațiile devin din ce în ce mai mari, iar rotoarele cresc și ele în dimensiuni pentru a se potrivi, materialele din care sunt fabricate palele de turbine eoliene țin pasul, cu design-uri, materiale și procese de fabricație noi.

În zilele noastre, palele de rotor trebuie să fie mai lungi si mai rigide pentru a extrage cât mai multă energie posibilă de la vânt, dar mai ușoare raportat la lungimea per unitate, fără lucrări mari de întreținere și rezistente la deteriorări. Însumarea acestor obiective la cel mai scăzut cost posibil înseamnă cercetarea și utilizarea celor mai noi materiale în construcția de pale de turbine.

Cele mai eficiente materiale în prezent

Cea mai mare provocare a momentului este probabil oprirea într-un interval mai mare de timp, palele mai subțiri de turbine lovind turnurile când sunt deviate de sarcina eoliană. Este nevoie de materiale compozite mai rigide, care trebuie să fie în același timp și mai ușoare.

De peste trei ori mai rezistentă și mai rigidă decât sticla, fibra de carbon este alternativa la plasticul armat cu sticlă, folosit în mod obișnuit. Acest lucru ajută designerii să construiască pale mai lungi, păstrând în același timp rigiditatea necesară. Potrivit unui studiu, un design bazat pe fibră de carbon pentru o pală de 53 de metri lungime ar trebui să fie cu 20% mai ușor decât echivalentul său în care s-a folosit plastic armat cu sticlă.

Fibra de carbon

Fibra de carbon este considerată fibra cu un conținut de cel puțin 90% carbon. Pentru descrierea fibrei cu un conținut mai mare de 99% carbon se foloșeste termenul de fibră grafitică.

Aceasta fibră a apărut in 1957, Barneby-Cheney și National Carbon fiind primii producători de fibre în cantități mici însă. În 1961, au fost produse pentru prima dată fibre de carbon din fibre poliacrilonitrilice ( PAN) . În 1967. Rolls Royce a anunțat proiectul utilizării fibrelor de carbon la componentele unui motor cu reacție.

Figura . Țesătură din fibră de carbon

Astăzi , fibra de carbon este fibra cu cea mai mare răspândire în industria aerospațială . În ultimele două decenii, proprietățile fibrelor de carbon au crescut spectaculos ca rezultat al cererii de material cât mai rezistente și cât mai ușoare. Ca și raport rezistență-greutate, fibra de carbon reprezintă cel mai bun material ce poate fi produs la scară industrial în acest moment.

Figura . Fibră de carbon

Capacitatea mondială de producție înregistrează o continuă creștere de la apariția materialului până în prezent , un salt spectaculos fiind înregistrat odată cu demararea proiectului Boeing 787 Dreamliner.

Compozite cu matrice metalică – cel mai frecvent se bazează pe aliaje de aluminiu, magneziu, titan sau cupru, în care se introduce fibre de bor, de carbon (grafit) sau ceramic ( de obicei de alumină sau carbură de siliciu)

Compozite “carbon-carbon” – cu matrice de carbon sau de grafit și armare cu fibre sau țesături de fibre de granit, sunt foarte scumpe, dar și incomparabile cu alte materiale prin reziatența la temperaturi înalte , cuplată cu densitatea mică și coeficient mic cu dilatare termică. Cele mai răspândite sunt compozitele armate cu fibre sunt fibra de carbon, fibra de sticlă și Kevlar-ul.

Grafitul

Grafitul sau plombagina este un mineral răspândit în natură ce face parte din categoria nemetalelor , fiind după diamante un element stabil datorită structurii simetrice de cu o compoziție chimică de Carbon pur cristalizând hexagonal , rar romboedric sau fiind sub formă amorfă. Grafitul are în structură cristale opace de culoare neagră, hexagonale, formă tabulară, solzoasă , sau bare.

Figura . Grafit

Luciul fiind metalic la formele cristaline și mat la agreatele amorfe. Duritatea pe scara Mohs este între 1-2, densitatea 2,1-2,3 , având o urmă neagră cenușie.

Denumirea de plombagină este folosită și pentru a se face referire la un tip de hârtie acoperit cu grafit ce servește șa multiplicarea textelor. Obiectul mai este cunoscut și ca hârtie de indigo, denumire dată de culoarea caracteristică.

În grafitul cristalin există o structură de straturi paralele ( straturi bazale) , aceste straturi au legături covalente hexagonale între atomi ( o legătură stabilă) , în schimb două straturi alăturate sunt legate între ele prin legături ionice ( legături labile). Această modificare de legături prin schimbarea de direcție determină anizotropia grafitului , ce atrage după sine :

-Clivajul perfect dintre straturi

-Proprietățile de izolator termic și electric prin stratul bazal și conductibilitatea bună termică și electrică în lungul straturilor bazale .

Fibra de sticlă

Figura . Țesătură din fibră de sticlă

Fibra de sticlă este o sticlă care se prezintă sub formă de fibre fine, care se realizează din sticlă special. Fibrele de sticlă se folosesc drept cabluri de transmisie în telecomunicație, ca fibre textile , sau și ca material termoizolante și fonoizolante. Ele constituie unul dintre cele mai importante material de construcție , fiind rezistent la variații de temperatură , îmbătrânirea materialelor și la substanțe chimice aggressive . Fibrele de sticlă în amestec cu alte substanțe plastic măresc elasticitatea și rezistența mecanică a acestor materiale.

Materiale de armare

Armarea materialelor plastice are drept scop îmbunătățirea proprietăților fizico-mecanice ale acestora. Influența materialelor de armare asupra materialului plastic diferă în funcție de materialul ales , de modul de dispunere al acestuia, de proporția în care acesta este folosit precum și de măsura în care se realizează o bună aderență polimer-armătură.

Alegerea materialului de armare corespunzător scopului propus impune cunoașterea condițiilor pe care acesta trebuie să le îndeplinească:

Rezistențe la tracțiune , la încovoiere și la șoc , sensibil mai mari decât cele ale matricei pe care le armează

Modul de elasticitate mai mare decât al matricei

Rezistență chimică față de matrice

Formă corespunzătoare necesităților

Suprafața la care matricea să adere cât mai bine

Cele mai utilizate elemente de armare sunt : fibrele de sticlă , fibrele de carbon , fibrele de azbest, fibrele de silice , fibrele de cuarț , fibrele de bor , fibrele de grafit .

Un material compozit stratificat și armat cu fibre se obține prin lipirea mai multor lamine ( straturi) cu orientări diferite ale fibrelor. Dacă două sau mai multe lamine successive au aceeași orientare a fibrelor , ele formează un grup de lamine .

Vopsea antistatică

Vopsea epoxidică bicomponentă, conductivă, fără conținut de solvenți , emulsionată cu apă, semimată, colorată pentru sigilarea suprafețelor cu încărcare electrostatic redusă. Recomandată la interior pentru realizarea covoarelor reactive conductive electrostatic .

Părțile componente ale unei turbine eoliene

O introducere scurtă și o prezentare generală a unora dintre cele mai importante componente. O discuție mai detaliată a aspectelor generale de proiectare ale acestor componente și alte părți importante ale unui sistem cu turbină eoliană sunt cuprinse în subcapitolele următoare .

Figura . Părțile component ale unei turbine cu al orizontal

Fundația

Tipul corespunzător de fundație se va alege ținând cont de condițiile geologice și climatice ale zonei. Fundația va fi realizată din beton armat cu oțel .

Pentru realizarea fundației este necesară executarea unei excavații până la o adâncime adecvata. Unghiul de înclinare al săpăturii trebuie adaptat condițiilor concrete ale solului.

Figura .

Figura .

Turnul de susținere

Turnul de susținere este de tip tubular, realizat din oțel sau beton , are rolul de a susține rotorul și nacela turbinei eoliene și de a permite accesul prin interior în vederea exploatării și executării operațiilor de întreținere , mentenanta , respectiv reparații.

Figura .

Figura .

Nacela

Nacela ilustrează carcase în care sunt aflate elementele din care este formată turbina. Aceasta este plasată în capătul turnului. Nacela protejează 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 a sistemului de pivotare.

Figura .

Figura .

Figura .

Pe partea superioară a nacelei pot fi instalate instrumente pentru urmărirea direcției (girueta) și vitezei vântului (anemometru). La schimbarea direcției vântului, girueta poate comanda automat intrarea în funcțiune a sistemului de pivotare a turbinei. Anemometrul este montat pe nacelă și comandă pornirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 3…4 m/s, respectiv oprirea turbinei eoliene când viteza vântului depășește 25 m/s.

Butucul rotorului

Figura . Butucul rotorului

Figura . Butucul rotorului unei eoliene

Are rolul de a permite montarea paletelor turbinei și este montat pe arboreleprincipal al turbinei eoliene. Paletele turbinei sunt fixe în raport cu butucul rotorului.

Paletele rotorului

Palele sunt adesea considerate a fi cele mai importante componente ale turbine , atât din punct de vedere al performanței, cât și al costului global.Cele mai multe turbine au astăzi rotoare cu vânt cu trei pale. Există niște rotoare și câteva modele cu două pale. În trecut, s-au construit bârnete unice, dar nu mai sunt în producție. Majoritatea turbinelor cu dimensiuni medii, în special din Danemarca, au utilizat controlul fix al palelor și controlul stării. Un număr de producători din SUA au folosit pitch controlul, iar tendința generală pare a fi acum o utilizare sporită a acestuia , în special în cazul mașinilor mai mari. Palele de pe majoritatea turbinelor sunt fabricate din compozite, în special din materiale plastice armate cu fibră de sticlă(GRP), dar, uneori, se utilizează laminate lemn/epoxidic.

Figura . Pale eoliană

Figura . Palele unei turbine eoliene

Sistemul de orientare al turbinei eoliene

Are rolul de a permite orientarea turbinei după direcția vântului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorul de pivotare si 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 girueta.El asigură orientare eolienei și 'blocarea' acesteia pe axa vântului, cu ajutorul unei frâne. Nacela conține generatorul electric asigurând și o protecție mecanică.

Figura . Sistem de orientare

Invertorul

este un dispozitiv care face conversia curentului continuu (DC) în curent alternativ(AC) asigurând calitatea frecvenței de 50 de Hz .

Cutia de viteză

Constă din părțile rotative ale turbinei eoliene. Acestea includ în mod obișnuit un arbore de viteză redusă (pe partea rotorului), o cutie de viteze și un arbore de mare viteză (pe componentele generatorului de cuplare sunt incluse rulmenții de susținere, unul sau mai multe cuple, o frână și părțile rotative ale generatorul. Scopul cutiei de viteze este de a accelera viteza de rotație a rotorului de la o valoare mică până la o viteză adecvată pentru acționarea unui generator standard.

În cazul mașinilor mai mari (peste aproximativ 500 kW), avantajele de greutate și mărime ale cutiilor de viteze devin mai pronunțate, unele modele de turbine eoliene folosesc sisteme special proiectate,generatoare cu turație redusă care nu necesită nicio cutie de viteze.

În timp ce proiectarea componentelor sistemului de antrenare a turbinei eoliane urmează, de obicei, convențiile mașinilor de proiectare mecanică, încărcarea unică a sistemului de tracțiune a turbine eoliene necesită o atenție deosebită. Vânturile fluctuante și dinamica rotoarelor mari rotative impun sarcini importante asupra componentelor sistemului de rulare.

Arborele principal si cel secundar.

Arborele principal se mai numește arborele lent, deoarece el se rotește cu viteze de ordinul a 20 – 40 rot/min. Prin intermediul multiplicatorului, el transmite mișcarea, arborelui secundar. Arborele secundar antrenează generatorul electric, sincron sau asincron, ce are una sau două perechi de poli. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotație în cazul unui vânt violent.

Figura . Arbore secundar

Figura . Arbore principal

Arborele de turație ridicată

Regăsit și sub denumirea de arbore secundar sau cuplaj, 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.

Figura . Arbore de turație

Multiplicatorul de turație cu roți dințate

Mărește turația de la valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorul de curent electric. El se montează pe arborele principal.

Figura . Multiplicator de turație

Dispozitivul de frânare

Figura . Dispozitiv de frânare eoliană

Este un dispozitiv de siguranță și se montează pe arborele de turație ridicată. Viteza de rotație a turbinei este menținută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a palelor 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.

Generatorul electric

Aproape toate turbinele eoliene utilizează , fie generatoare de inducție, fie generatoare sincrone. Ambele modele implică o viteză de rotație constantă sau aproape constantă a generatorului, atunci când generatorul este conectat direct la o rețea de utilități.Majoritatea turbinelor eoliene instalate în aplicații conectate la rețea utilizează generatoare de inducție. Un generator de inducție funcționează într-un interval îngust de viteze ușor mai mare decât viteza sincronă (un generator cu patru poli care funcționează într-o rețea de 60 Hz are o viteză sincronă de 1800 rpm). Principalul avantaj al generatoarelor de inducție este că ele sunt robuste, ieftine și ușor de conectat la o rețea electrică.O opțiune pentru generarea energiei electrice implică utilizarea unei turbine eoliene cu viteză variabilă. Există o serie de avantaje pe care un astfel de sistem le oferă, inclusiv reducerea uzurii la rupere a turbinei eoliene și potențiala funcționare a turbinei eoliene la o eficiență maximă pe o gamă de vânt de viteze ale vântului, care generează o captură sporită a energiei.

Cu toate că există un număr mare de opțiuni hardware potențiale pentru funcționarea cu viteză variabilă a turbinelor eoliene, componentele electronice de putere fiind utilizate în majoritatea mașinilor cu viteză variabilă care sunt în prezent proiectate. Când se utilizează cu convertoare electronice de putere adecvate, generatoarele sincrone sau de inducție pot funcționa la viteză variabilă.

Figura . Generator

Sistemul de răcire al generatorului electric

Preia excesul de căldură produs în momentulfuncționării acestuia. Răcirea este realizată de un ventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusă au răcirea asigurată de ventilatoare axiale.

Figura . Ventilator centrifugal

Figura . Ventilator axial

Uneori sistemul de răcire al generatoarelor electrice este proiectat să funcționeze cu apa de răcire, caz în care există un circuit suplimentar pentru răcirea apei.

Anemometrul

Este un sistem complet pentru măsurarea și înregistrarea cu precizie a vitezei vântului. Astfel la 4-5 m/s turbina pornește, la 20-25 m/s intră in regim nominal unde dacă viteza depășește cu mult 25 m/s se acționează frâna pentru a preveni avarierea instalației. Înainte de construirea turbinei trebuie să se studieze viteza vântului pe cel puțin o perioadă de 6 luni, si pentru acesta trebuie ca anemometrul fiind amplasat la înălțimea viitoarei turbine.

Figura . Anemometru și girueta

Paratrăznetul

Asigura protecția turbinei eoliene contra trăznetelor și a fulgerelor, astfel convertorul se întrerupe pentru circa 3 minute, datele fiind revizuite și analizate permanent.

Figura . Paratrasnet

METODE DE INVESTIGARE A MATERIALELOR FOLOSITE LA REALIZAREA TURBINELOR EOLIENE

Cuprind metodele prin care se determină proprietățile dorite sau nedorite ale materialelor cu scopul de a stabili dacă un material corespunde sau nu folosirii într-un anumit domeniu sau, pentru a determina cauzele care au condus la ruperea sau la defectarea în timpul exploatării a unor piese de mașini, a unor părți de instalații.

Încercările, pe cât posibil, trebuie să fie simple, iar rezultatele să se poată interpreta ușor. Ele se execută, de cele mai multe ori, pe epruvete special confecționate, de formă geometrică simplă și precis prescrisă în standardele încercărilor respective. Piesele finite, de forme complicate, se supun mai rar încercărilor.

Deoarece rezultatele încercărilor depind în mare măsură de aparatura de încercare și de condițiile în care se fac determinările (temperatura, viteza de aplicare a sarcinii, etc.), pentru că rezultatele să fie concludente și comparabile, trebuie obligatoriu și riguros, să se respecte toate condițiile și prescripțiile din standardele încercărilor respective.

Investigarea materialelor folosite la construcția eolienelor cu ax vertical

Materialele folosite pentru turn , nacelă , generator electric , multiplicatorde turație sunt de regulă oțelurile și fontele. Având în vedere aceste aspecte vom supune metalele la următoarele încercări :

Încercarea la rupere

Încercarea la copresiune

Încercarea la încovoiere

Reziliența

Prin structura unui material metalic întelegem alcătuirea sa internă caracterizată prin natura și aranjarea atomilor, legăturile și interacțiunile dintre atomi. Toate acestea dau proprietățile materialului respectiv. Având în vedere toate aceste aspecte vom detalia încercarile .

Încercarea la rupere

Încercarea la tracțiune se execută aplicând unei epruvete o forță axială crescătoare, de obicei până la ruperea ei, înregistrând variațiile corespunzătoare pentru lungimea epruvetei. Pentru a defini comportarea materialului la solicitare, trebuie trasată curba caracteristică a materialului, care exprimă legătura între tensiunea σ și deformația specifică ε. Această curbă se obține, în mod convențional, în coordonate reprezentând forța R și alungirea .

Figura .Diferite curbe obtinute in funcție de lungimea de rupere

Principiul încercării :

Epruveta este alungită în lungul axei sale principale cu o viteză constantă, până la rupere sau până când tensiunea (sarcina) sau deformarea (alungirea) atinge o valoare prestabilită. În timpul încercării sunt măsurate sarcina suportată de către epruvetă și alungirea ei.

Figura . Tipuri de epruvete

Figura . Ruperea epruvetei

Figura . Diferite epruvete

Figura . Epruvete

Mașina de încercare.

Există numeroase variante constructive ale mașinilor de încercat, determinate de procedeul de producere a sarcinii și a modului de măsurare a acesteia. Mașina universală din figutra următoare are un cadru fix format din coloanele 1 (fixate pe batiu) și traversa 6. Pompa hidraulică trimite ulei în cilindrul 7, care este fixat pe traversa 6. Pistonul din cilindrul 7, deplasează în sus cadrul mobil format din traversele 4 și 9 și coloanele 8. Astfel se poate executa încercarea la tracțiune a unei epuvete montate între bacurile 2 și 3, încercarea la compresiune a unei epruvete așezate între platourile de pe traversele 4 și 6, sau încercarea la încovoiere, utilizând reazemele 5. Folosind dispozitive adecvate se poate efectua și încercarea la forfecare.

Uleiul sub presiune din cilindrul 7 ajunge și în cilindrul 11 pentru a deplasa în jos cadrul 12 ce rotește pendulul 10, care antrenează (printr-un mecanism special) acul indicator. 13.

Figura . Schema mașinii de încercare la tracțiune

Figura . Mașină universal de încercare la tracțiune

Ruperea materialelor metalice se poate face ductil, fragil sau prin oboseală. În funcție de aspectul suprafeței de rupere se poate determina felul ruperii, astfel:

a) ruperea ductilă este precedată de deformații plastice mari, iar suprafața de rupere prezintă un aspect mat, fibros

Figura . Ruperea ductilă a unei peruvete

Materialele care se rup ductil sunt: metalele tehnic pure (Al, Cu,Fe); oțelul recapat, etc.

b) ruperea fragilă , în cazul ruperii fragile materialul nu se deformează, iar aspectul suprafeței de rupere este neted cristalin.

Figura . Rjuperea fragilă a unei epruvete

Se rup fragil oțelurile calite, fontele cenușii si albe, etc.

c) ruperea prin oboseală, apare în cazul solicitărilor ciclice a unor organe de mașini, axe, roți dințate, arbori, etc.

Figura . Fisura unei roți dințate

Figura . Structura unei fisuri de oboseală

În primul rând apar fisuri care se propagă în timp până când rezistența este depașită, iar materialul se rupe.Suprafața unei piese rupte prin oboseala prezintă două zone distincte:

–          una netedă rodată care corespunde propagării în timp a fisurii;

–          a doua corespunzătoare ruperii bruște, care poate avea un aspect cristalin (în cazul materialelor ductile).

Figura .Examinarea unor secțiuni ale îmbinărilor sudate

O îmbinare sudată are trei zone : cusătura, zona de influență termică (Z.I.T.) și metalul de bază . Pentru evidențierea acestor zone din oțelurile nealiate , slab și mediu aliate se folosesc reactivi Adler sau Nital

Suprafețele de rupere sau secțiunile unor probe special pregătite se vor examina cu ochiul liber sau cu ajutorul lupei și al microscopului stereoscopic . Se vor  schița în caiet aspectele evidențiate de aceste probe.

Figura . Diferite tipuri de rupere

Pentru stabilirea limitei de curgere se urmărește continuu deplasarea acului indicator pentru a reține valoarea sarcinii corespunzătoare limitei de curgere fizică (dacă materialul care se încearcă are o astfel de limită). În acest sens, atunci când acul oscilează, epruveta continuând să se alungească, se va nota valoarea minimă a forței ce apare în cursul oscilațiilor.

Încercarea la compresiune

Figura . Încercarea la compresiune a unei epruvete

Încercarea la compresiune se execută, de obicei, pentru determinarea proprietăților mecanice ale materialelor fragile (la rece sau la cald), care au o rezistență mică la tracțiune (fonte, metale și aliaje neferoase etc.). Prin această încercare se determină scurtarea și rezistența de rupere la compresiune, conform STAS 1552-78, dacă nu se solicitǎ și determinarea altor caracteristici în documentația tehnicǎ. Principala problemǎ pe care o ridicǎ încercarea la compresiune este aceea a realizǎrii unei stǎri de tensiuni omogene în epruvetǎ. Dacǎ epruveta are formǎ cilindricǎ , starea de tensiune monoaxialǎ este modificatǎ datoritǎ frecǎrilor dintre suprafețele de contact ale epruvetei și suprafețele de apǎsare.

Figura . Încercarea la compresiune

O problemǎ specificǎ încercǎrii la compresiune o constituie aceea cǎ, materialele tenace, nu se rup la acest tip de solicitare. Ele se deformeazǎ plastic în mod continuu, pe mǎsura creșterii sarcinii. Metalele rigide prezintǎ o etapǎ de deformare elasticǎ urmatǎ de una de deformare plasticǎ, care se terminǎ prin distrugerea epruvetei. Deformarea epruvetei se manifestǎ sub forma reducerii înǎlțimii ei, de aceea pe axa absciselor diagramelor de compresiune se ia scurtarea Δh în funcție de forța F trecutǎ pe ordonatǎ. În urma deformǎrii epruveta ia o formǎ de butoi. Rǎmânerea în urmǎ a deformǎrilor transversale ale suprafețelor de bazǎ ale epruvetei se datoreazǎ forțelor de frecare ce apar între aceste suprafețe și platourile mașinii de încercat. Aceste forțe de frecare se combinǎ cu forțele de presare și dau o rezultantǎ ce acționeazǎ sub un unghi fațǎ de axa epruvetei, așa cum se vede în figura . Rezultanta va provoca o repartizare inegalǎ a deformațiilor elementare, pe direcția axei longitudinale.

Epruvetele pentru încercarea la compresiune a metalelor vor fi de formǎ cilindricǎ dreaptǎ, cu bazele paralele între ele, având forme și dimensiuni standardizate conform STAS 1552-78. Locul de prelevare a epruvetelor și orientarea lor se specificǎ în standardele materialelor respective. Pentru încercarea la compresiune se va folosi mașina universalǎ pentru încercarea la tracțiune, compresiune și încovoiere.

Figura .Epruveta pentru încercarea la compresiune

Figura . Mașină folosită la încercarea prin compresiune

Figura . Încercarea prin compresiune

Încercarea la încovoiere

În practică, încercarea la încovoiere se folosește numai în cazul materialelor turnate, din care urmează să se execute piese ce vor fi supuse în timpul funcționării unor solicitări la încovoiere, determinându-se rezistența de rupere la încovoiere și săgeata la rupere.

La încovoiere, ca și la compresiune, metalele se comportă în două moduri, în funcție de natura lor: tenace, cum este cazul oțelurilor, care pot fi deformate apreciabil prin încovoiere fără ca ele să se rupă, sau rigide, cum este de exemplu fonta, folosită mult în construcția de mașini, dar care se rupe relativ ușor în cazul solicitării la încovoiere. Ca atare, încercarea la încovoiere este mai importantă în cazul fontelor cărora li se cere, uneori, și stabilirea capacității de preluare a acestui tip de solicitări. Condițiile de încercare la încovoiere pentru fonte sunt cuprinse în STAS 1660-80, în care sunt specificate forma și dimensiunile epruvetelor.

Pentru încercarea la încovoiere se alege o schemă simplă de solicitare în care, epruveta din fontă, având forma unei bare cu secțiunea circulară sau dreptunghiulară, se va rezema simplu la ambele capete, iar sarcina va fi aplicată perpendicular pe axa epruvetei, la mijlocul distanței dintre reazeme, până în momentul producerii ruperii.

Figura . Epruvetă pentru încercarea la Încovoiere

Pentru încercarea la încovoiere a fontelor se folosesc epruvete ce pot fi turnate separat sau legate de piesă. De obicei se utilizează epruvete turnate în stare brută dar, în cazuri speciale, se pot folosi și epruvete prelucrate. Suprafața epruvetelor trebuie să fie netedă și fără urme de bavuri.

Figura . Diferite tipuri de încercări la încovoiere

Bavurile dacă există, se îndepărtează prin polizare. Epruvetele prelucrate trebuie să aibă suprafața netedă și lipsită de urme de așchiere.

Se folosește mașina universală de încercat care este dotată, pentru această încercare, cu un dispozitiv cu două role de reazem, paralele între ele, așezate perpendicular pe axa epruvetei. Distanța dintre axele rolelor se poate modifica prin alunecarea lor pe un ghidaj prevăzut în traversa inferioară a mașinii de încercat și se poate măsura cu ajutorul riglei gradate de pe marginea ghidajului. Mașina de încercat dispune și de o piesă de apăsare ce se montează în platoul său superior .

Figura . Mașină folosită pentru încercarea la încovoiere

Încercarea la încovoiere prin șoc (reziliența )

Un oțel, care în mod normal este ductil, poate deveni fragil în anumite condiții de solicitare, cum ar fi: vitezǎ de deformare mare, temperaturǎ scǎzutǎ și stare complexǎ de tensiune. Pentru a se produce o rupere fragilǎ nu este nevoie ca toți acești factori sǎ fie prezenți simultan. Ca urmare a apǎrut necesitatea elaborǎrii unei încercǎri noi, destinatǎ a studia comportarea tenace sau fragilǎ a metalului, comportare ce nu poate fi sesizatǎ prin încercǎri statice. Aceastǎ încercare este încercarea de încovoiere prin șoc, cunoscutǎ și sub denumirea de încercarea de reziliențǎ. Tot prin aceastǎ încercare se poate controla calitatea și omogenitatea structuralǎ a unor materiale obținute prin turnare, uniformitatea tratamentelor termice aplicate și se poate verifica gradul de îmbǎtrânire a metalului ce urmeazǎ a fi folosit pentru fabricarea cazanelor și turbinelor cu aburi. Încercarea la încovoiere prin șoc constǎ în ruperea unei epruvete crestate la mijloc, dintr-o singurǎ loviturǎ aplicatǎ cu un ciocan pendul. Lovitura se aplicǎ în partea opusǎ crestǎturii epruvetei simplu rezematǎ sau la capǎtul liber al unei epruvete în consolǎ, cu crestǎtura în dreptul încastrǎrii. Aspectul geometric al crestǎturii poate fi în formǎ de U sau în formǎ de V. În funcție de forma crestǎturii, încercarea la încovoiere prin șoc se executǎ diferit, conform SR EN 1045/1-93 (pentru epruvete cu crestǎtura în formǎ de U), respectiv STAS 7511-81 (pentru epruvete cu crestǎtura în formǎ de V).

Figura . Schita ciocan pendul Charpy

Epruveta și mașinăria folosită.

Pentru efectuarea încercǎrii la încovoiere prin șoc se folosește ciocanul pendul Charpy. Schița ciocanului pendul este prezentatǎ în figura 2.24. El este prevǎzut cu un ciocan de greutate Gp, care oscileazǎ, practic fǎrǎ frecare, în jurul axului O. Pentru ruperea epruvetei așezatǎ liber pe douǎ reazeme de pe batiul B, ciocanul cade de la o anumitǎ înǎlțime H, la care fusese ridicat și fixat. Energia potențialǎ a ciocanului pendul în aceastǎ poziție este W0. Legea conservǎrii energiei mecanice presupune cǎ energia potențialǎ a unui corp se transformǎ integral în energie cineticǎ și invers. Ciocanul pendul eliberat din poziția inițialǎ lovește epruveta prin intermediul unui cuțit din material dur și o rupe, consumând astfel o parte din energia sa cineticǎ. Energia consumatǎ se noteazǎ cu Wc. Restul de energie este folosit de pendul pentru a se ridica la o înǎlțime h, invers proporționalǎ cu lucrul mecanic consumat pentru ruperea epruvetei.

Figura . Ciocan pendul Charpy

Figura . Încercarea de încovoiere prin șoc

Caracterizarea functionalității modelului experimental .

Biomimetica este imitarea sau inspirarea de modele, sisteme și elemente ale naturii în scopul de a rezolva probleme complexe.Natura a reprezentat o sursă de inspirație pentru inventatori, artiști, poeți și arhitecți de-a lungul timpului. Antoni Gaudí, afirma că "originalitatea înseamnă întoarcerea la origini", mediul înconjurător a fost muza a nenumărați creatori.

Pornind de la această teorie ,am luat drept model frasinul , un gen de plante din familia Oleaceae, originar din regiunile temperate ale emisferei nordice. Cuprinde circa 65-75 specii de arbori și câteva de arbuști. Specia comună în Europa, răspândită și în România, este Fraxinus excelsior.

Figura . Frasinul

Atinge înălțimea de 40 metri. Tulpina sa prezintă în partea tânără scoarță de culoare cenușie-verzuie, iar la bază culoare cenușiu-negricioasă. Are frunze imparipenate, compuse din 7-13 foliole sesile. Înflorește în luna aprilie, înainte de apariția frunzelor.

Frasinul crește relativ repede și produce un lemn foarte valoros pentru industria mobilei și pentru industria materialelor sportive. Scoarța și frunzele sale își găsesc întrebuințări în medicina naturistă.

Figura . Frunzele și fructele frasinului

Figura . Frasinul

Figura . Fruct uscat frasin

M-am inspirat de la florile și frunzele acestuia pentru realizarea unui model experimental din materiale accesibile pentru o eoliană multipală cu ax orizontal.

Inițial am vrut sa măresc florile acestui arbore de 10-12 ori dar am decis să il subțiez spre bază și să fie mai aerodinamic pentru o mai bună tăiere a aerului .

Figura .Fruct uscat de frasin

Figura . Schița palei pornind de la fructul arborelui

Figura . Schița palei realizată în Catia

Palele turbinei vor avea o lungime de 190-200 mm , lățime de 35 mm și grosime de 10mm .

Pentru confecționarea palelor voi folosi fibră de sticlăși chit de finisare pentru modelarea formei.Acestea vor fi in număr de 6 pentru ca suprafața descrisăde elice în rotire să producă o cantitate de energie electrică mai mare .

Figura . Schița șablonului cu numerotarea dimensiunilor

Materiale folosite pentru realizarea modelului experimental :

Figura . Materialele folosite pentru realizarea modelului experimental

– textolit

– țesătură din fibră de sticlă

– rășină

-întăritor

– chit de finisare

– foi abrazive pentru șlefuire manuală (granulație 120-240-800mm )

-sârmă electrod 3.25

-recipient pentru amestecul soluțiilor

– pensulă

– clește

– foarfece

– vopsea și lac .

Am început prin a tăia placa de textolit , după șablonul alăturat și am realizat 6 matrițe pentru palele de eoliană. La baza fiecărei matrițe am decupat o secțiune pentru a introduce sârma de electrod.

Figura . Șabloane

Figura . Vedere orizontală a șablonului

Matrița s-a învelit într-un strat de fibrăde sticlă peste care am adăugat rășină .

Figura . Îmbrăcarea șablonului in rășină

Figura . Aplicarea chitului

După 30 de minute , timp în care rășina s-a uscat , am început să aplic chitul pentru umplerea formei palei .

Figura . Uscarea palelor după aplicarea chitului

Figura . Șlefuirea palelor cu foaie abraziva de granulatie 120

Figura . Rezultat intermediar

A urmat procesul de șlefuire a palelor pentru a le realiza profilul , folosind foi abrazive , întâi cu granulație 120 , apoi 240 și în cele din urmă 800 pentru a le finisa .

Figura . Rezultatul după șlefuire cu granulație 800

În timpul procesului palele au fost cântărite pentru ca în final acestea să aibă aceeași greutate.

Figura . Greutatea fiecărei pale

Apoi palele au fost vopsite cu spray alb .

Figura . Vopsirea palei

Figura . Uscarea vopselei

Figura .Vopsirea vârfurilor

După ce vopseaua s-a uscat , am acoperit palele cu o rolă adezivă de hârtie lăsând vârfurile descoperite pentru a fi vopsite ulterior cu spray roșu .

r

Figura . Aplicarea lacului

Figura .47 Uscarea la soare a lacului folosit pentru creșterea fineții suprafeței.

Iar în ultima fază am aplicat un strat de lac .

Figura .48 Palele finalizate

Caracterizarea prin experiment în tunel de vânt a modelelor experimentale de HAWT folosind sisteme de achiziție de date

Premise teoretice privind testarea în tunel de vânt a modelelor experimentale de eoliene.

Energia vântului

Vântul reprezintă o masă de aer care se deplasează cu viteză constană v, m/s.

Energia masei de aer în mișcare este o energie pur cineticăconform relației:

, în care m = masa vânei de aer ; v – viteza vântului , m/s ; Ev – energia cinetică a vântului.

unde A – aria vână aer , , ρ- densitate aer și v- viteza vântului

, Putere vânt , W

, Putere specifică,

Figura .Schema de compunere a forțelor și vitezelor la un profil de pală de oliană cu ax orizontal

Conversia HAWT

f= , , rps , unde ,n – turație model , rpm

– turație între vârfuri (fără sarcină , doar frecare în lagăre )

ω= 2π f = u = ω× , , u=ω×

– raza la vârful palei , m

λ= adaosul , viteza relativă

Re – numărul Reynolds , adimensional , criteriu al curgerii

Re = unde este viteza periferică la vârful palei , l – lungimea palei ,

ς – Vâscozitatea cinematică a aerului

= v- viteza vântului ,

u- viteza la vârful palei ,

– coeficient putere

Puterea la Ax , W

== aria de intercaptură maximă/, A= aria de măturare ( a masei de aer )

= swept aria

Г= sau Г = – aria de numărare a vânei de aer

= , Pa= putere la ax, w , P= putere vânt și η =eficiența, conversia

Figura .Calculele pentru conversia și viteza vântului

Tunelurile aerodinamice sunt tuburi mari cu aer care se deplasează în interior. Tunelurile sunt folosite pentru a copia acțiunile unui obiect în zbor. Cercetătorii folosesc tuneluri eoliene pentru a afla mai multe despre modul în care o aeronavă va zbura. Viteza aerului în tunelul de vânt atinge 270 km /ora.

Figura . Schița tunelului de vânt

Sunt utilizate pentru studii în domeniul mecanicii fluidelor și al aerodinamicii. Măsurările se pot realiza atât în interiorul tunelului (în secțiunea de măsurări), cât și în exteriorul acestuia, pentru acțiunea unor rotori (elice de avion, rotori, turbine eoliene) prin intermediul aerului generat de tunel. Pentru asemenea determinări experimentale este necesar să se cunoască valoarea vitezei aerului la diferite distanțe de tunel în funcție de valoarea reglată a aerului în interiorul tunelului.

Figura . Reglajul tensiunii de excitație cu autotransformator

Aplicația își propune să realizeze trasarea graficului variației vitezei aerului la diferite distanțe de tunel, în funcție de valoarea vitezei reglate în secțiunea de măsurări a tunelului.

Figura . Tunelul de vânt

Figura . Tunelul de vânt

Figura . Zona de intrare 0,5 m 0,5m 1,25 m

Testare la mers în gol ( între vârfuri )

Aceast experiment presupune utilizarea în gol a modelului experimental , unde solicitarea axială este minimă fiind doar între vârfurile lagărelor .

Figura . Modelul experimental pregătit pentru testarea între vârfuri

Figura . Palele așezate pe suportul pentru testare

Figura .Desen tehnic ansamblu rotor și suport pentru experiment

Observație

β de așezare este complementul la 90ș al unghiului de pe șablon (s-a ales această metodă datorită ușurinței așezării palei ).

Comportarea la teste în tunelul de vânt , a urmărit influența unghiului de așezare (β ) asupra turației modelului ( n ) pentru viteze de la 0 până la aproximativ 9 m/s . În tabelele următoare sunt prezentate rezultatele măsurătorilor . Măsurătorile v și n au fost achiziționate cu SAD avand la bază Arduino NANO . Pentru unghiurile de așezare de 0 și 90 modelul experimental ( EM ) nu a reacționat și nu s-a rotit.

Figura . Poziționarea palelor la unghi de așezare de β= 0ș

Când unghiul de așezare este 0ș modelul nu se rotește și nu reacționează pe intervalul de viteza , în intervalul 0-9,19 m/s.

Figura . Graficul și tabelul pentru înclinație de 0ș

Pentru unghiul de așezare de 15ș modelul începe să se rotească dar coeficientul este mic.

Figura . Poziționarea palelor la unghi de așezare de β= 15ș

Figura . Graficul și tabelul pentru înclinație de 15ș

Figura .Caracteristicile vântului la experimentul la unghi de așezare de β=15

Figura .Caracterizarea funcționării modelului la unghi de așezare de β=15°

Figura . Poziționarea palelor la unghi de așezare de β= 30ș

Figura . Graficul și tabelul pentru înclinație de 30ș

Figura .Caracteristicile vântului la experimentul la unghi de așezare de β=30°

Figura .Caracterizarea funcționării modelului la unghi de așezare de β=30°

Figura . Poziționarea palelor la unghi de așezare de β= 45ș

Figura . Graficul și tabelul pentru o înclinație de 45ș

Figura .Caracteristicile vântului la experimentul la unghi de așezare de β=45°

Figura .Caracterizarea functionării modelului la unghi de așezare de β=45°

Figura . Poziționarea palelor la unghi de așezare de β= 60ș

Figura . Graficul și tabelul pentru o înclinație de 60ș

Figura .Caracteristicile vântului la experimentul la unghi de așezare de β=60°

Figura . Caracterizarea functionării modelului la unghi de așezare de β=60ș

Figura . Poziționarea palelor la unghi de așezare de β= 75ș

Figura . Graficul și tabelul pentru o înclinare de 75ș

Figura .Caracteristicile vântului la experimentul la unghi de așezare de β=75

Figura .Caracterizarea funcționării modelului la unghi de așezare de β=75ș

Figura . Poziționarea palelor la unghi de așezare de β= 90ș

Figura . Graficul si tabelul pentru o înclinare de 90ș

Rezultate

Sunt prezentate în figurile de mai jos

Figura .Turație EM cu viteza vântului pentru diferite unghiuri de așezare ale palelor

Arată ca toate unghiurile β – așezare ( mai puțin 0ș și 90ș) conduc la o pornire lină a experimentul (EM) după aproximativ 1,5 m/s , la β 75ș turația este mică (maxim 120 La 9,2 m/s ) similar pentru β= 30ș , se ajunge la 125rpm Aproximativ 8 m/s . Pentru β =45ș și 60ș se ating cele mai mari turații între 6 și 8 m/s adică 150..220 rpm. Cea mai mare turație a EM se obține la β = 30ș și V =7..8 m/s ( 220-250 rpm)

Dacă introducem o funcție de aproximare trendline de tip polynomial de gradul 6 se obține rezultatul din Figura 27.1

Figura .Variația numărului Reynolds cu cu viteza vântului pentru diferite unghiuri de așezare ale palelor

Criteriul ( numărul ) Re urmărește îndeaproape turația mediului Valorile cele mai bune se obțin pentru β =45ș și Re = 100000- 120000.

Figura .Variația vitezei specifice cu viteza vântului pentru diferite unghiuri de așezare ale palelor

Viteza specifică cea mai uniformăλ este pentru β = 45 și arată valori în jur de 0,6 pentru V= 2,8…. 9'5 m/s

-λ are rotație cu maxim între 5 și 9 m/s pentru β de 30ș ,45ș și 60ș

– modelul experimental are viteze specifice mici ( de maximum 0,3) pentru β = 75ș și puțin mai ridicate pentru β = 150

Concluzii

Am ales realizarea unui model experimental de turbină eoliană cu ax orizontal cu ajutorul unor materiale pe care le aveam la îndemână.

Dacă se folosesc profile simetrice la realizarea palelor , cea mai bună comportare este la unghiul de așezare de 45șînclinație față de planul turbinei eoliene.

Criteriul Re care arată calitatea aerului pe lângă palele turbine de tipul funcționării are valori maxime pentru unghiurile de așezare de 30ș , 45ș și 60ș ( acest unghi este folosit în HAWT pentru a compensa variațiile vântului și a nu afecta turația de sincronisme la generatoarele trifazate).