STUDIUL GENERATOARELOR ASINCRONE FOLOSITE ÎN CENTRALELE EOLIENE [306803]

LUCRARE DE DISERTAȚIE

STUDIUL GENERATOARELOR ASINCRONE FOLOSITE ÎN

CENTRALELE EOLIENE

Autor: Neațu Elena

Conducător științific: Prof. dr. ing. Ghiță Constantin

Promoția IULIE – 2013

Index figuri

Figure 2.1 – Capacitatea parcurilor eoliene in Europa [MW] 2-10

Figure 2.2 – Capacitatea instalatiilor de energie regenerabila din Romania in 2010 [MW] 2-11

Figure 2.3 – Capacitatea instalata a energiei eoliane in Romania 2-12

Figure 2.4 – Harta mobilității atmosferice in Romania 2-13

Figure 3.1 – Centrale eoliene 3-15

Figure 3.2 – Reprezentare medievală a unei mori de vânt 3-16

Figure 3.3 – Moara de vant 3-16

Figure 3.4 – Moara de vant 3-17

Figure 3.5 – Circuitul energiei electrice produse din surse eoliene 3-19

Figure 3.6 – Turbina cu axa orizontala [15] 3-21

Figure 3.7 – Exemplu turbina cu axa orizontala[15] 3-21

Figure 3.8 – Turbina cu axa verticala [15] 3-23

Figure 3.9 – Exemplu de turbina cu axa verticala [15] 3-23

Figure 3.10 – Comparatie intre turbină eoliană de putere redusă si turbină eoliană de putere mare 3-25

Figure 3.11- Conversia energiei eoliene 3-26

Figure 3.12 – Profile ale paletelor [14] 3-27

Figure 3.13 3-28

Figure 3.14 – Curgerea în jurul unui profil aerodinamic[18] 3-29

Figure 3.15 – Câmpul de presiuni în jurul unui profil aerodinamic[19] 3-30

Figure 3.16 – Aerodinamica paletelor unei turbine eoliene 3-31

Figure 3.17- Principalele părți componente ale unei turbine eoliene 3-32

Figure 3.18 – Butuce de turbina eoliana [10] 3-32

Figure 3.19 – Paletă de turbină eoliană [10] 3-33

Figure 3.20 – Girueta [10] 3-33

Figure 3.21 – Tronsonul si fundatia unui pilon de turbină eoliană [10] 3-34

Figure 3.22 – Arborele principal al unei turbine eoliene [10] 3-34

Figure 3.23 – Multiplicator de turație eolian [10] 3-35

Figure 3.24 – Arbore de turație ridicată [10] 3-36

Figure 3.25 – Generator electric eolian [10] 3-36

Figure 3.26 – Motorul sistemului de pivotare [19] 3-37

Figure 3.27 – Elementul de transmisie al sistemului de pivotare [19] 3-37

Figure 3.28 – Controler [10] 3-38

Figure 3.29 – Componentele centralei eoliene [10] 3-39

Figure 4.1 – Scheme conventionale pentru masinile asincrone:a- motor asincron trifazat cu rotorul in scurtcircuit; b – motor cu rotorul bobinat;c – motor monofazat; d – motor monofazat cu faza auxiliara. 4-41

Figure 4.2 4-41

Figure 4.3 4-42

Figure 4.4 Crestaturi statorice 4-42

Figure 4.5 Crestaturi rotorice 4-42

Figure 4.6 – Regimuri de functionare [4] 4-44

Figure 4.7- Dispunerea capetelor înfășurărilor la placa de borne 4-44

Figure 4.8 Schema echivalenta 4-45

Figure 4.9 – Reprezentarea schematică a mașinii asincrone 4-45

Figure 4.10 [anonimizat] o pozitie data a rotorului 4-46

Figure 4.11 Dependența grafică a cuplului electromagnetic funcție de alunecare 4-47

Figure 4.12 Diagrama de fazori pentru masina asincrona 4-47

Figure 4.13 4-48

Figure 4.14 4-50

Figure 5.1 Schema de principiu a unei centrale electrice eoliene 5-51

Figure 5.2 – Dependenta dintre puterea debitata de generator in retea si turatie 5-52

Figure 5.3 – Structura generala a unui sistem de conversie a energiei eoliene [20] 5-53

Figure 5.4 – Structura generala a unui sistem de conversie a energiei eoliene [20] 5-54

Figure 5.5 – Schema de conectare directa la rețea a unei eoliene cu mașina asincrona cu rotor în scurtcircuit [20] 5-55

Figure 5.6 – Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincrona cu stator dublu 5-56

Figure 5.7- Puterea in functie de viteza de rotatie a arborelui masinii [20] 5-56

Figure 5.8 – Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincronă cu dublă alimentare 5-57

Figure 5.9- Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincrona (MAS) cu rotor în scurtcircuit asociată cu un convertor static de tensiune și frecvență (CSTF) indirect. 5-58

Figure 5.13 – Mărimile de intrare si de iesire din blocul ce simuleaza generatorul asincron 5-62

Figure 5.14 – Modelarea masinii asincrone 5-63

Figure 5.16 – 5-64

Figure 5.19 – Forma de unda a tensiunii in cazul functionarii in gol a generatorului 5-64

Figure 5.21 – Variația cuplului de antrenare 5-65

Index tabele

Table 2.1 – Capacitatea parcurilor eoliene in Europa [MW] 2-11

Table 2.2 – Strucutra surselor de energie regenerabila – energie geenrata [TWh] 2-12

INTRODUCERE

Termenul de energie regenerabila se refera la forme de energie produse prin transferul energiei rezultate din procese naturale regenerabile (solare, eoliene, geotermale, biologice, etc.). Aproximativ 2% din totalul energiei radiației solare ce ajunge pe pamant se transforma in vânt. Acesta reprezintă o resursa de energie regenerabila practic inepuizabila pe care omul a folosit-o frecvent de-a lungul timpului. [16]

Interesul actual pentru energia eoliana provine din nevoia de a elabora sisteme de energie curate, durabile, pe care sa ne putem baza pe termen lung. Aerodinamica si ingineria moderna au permis imbunatatirea eolienelor. Astăzi ele oferă o energie fiabila, rentabila, non-poluanta, utilizata de om in diverse scopuri. Desi ponderea energiei eoliene din sistemele energetice ale majoritatii tarilor este inca destul de mica, aceasta a crescut considerabil intre anii 1999-2012, ajungându-se ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativa. Europa de vest a considerat oportuna dezvoltarea unor tehnologii de obtinere a energiei din surse regenerabile, dat fiind ca în Europa se importa in prezent 50% din energia consumata. In aceste conditii tarile din Europa de vest si în ultimul timp si unele din sud-estul Europei au dezvoltat programe speciale de obtinere a energiei din surse regenerabile, în ultima perioada acest tip de energie atingand procente de la 10% pana la 16% din energia electrica consumata. [16]

Energia eoliana nu poate sa inlocuiasca toate celelalte forme de energie, ci doar sa fie o optiune din grupul de posibilitati existente, o parte a mix-ului energetic. Pe termen mediu, sursele regenarabile de energie nu pot fi privite ca alternativa totala la sursele conventionale, dar cert este ca, datorita avantajelor pe care le au – resurse locale, abundente, ecologice, ieftine, independente de importuri si crize mondiale – acestea trebuie utilizate impreuna cu combustibilii fosili si energia nucleara. [16]

Utilizarea surselor energetice regenerabile va fi încurajata după cum prevede Programul National destinat acestora. Acestea reprezintă o sursa interna ce poate ajuta la reducerea importurilor si imbunatatesc totodată siguranța alimentarii cu energie, in acelasi timp respectându-se normele de protecție a mediului. Avantajele pe care le ofera energia eoliana:

Energia eoliana este o sursa inepuizabila de energie. Ea va exista atâta timp cat Pamantul va primi energie de la Soare

zero emisii de substanțe poluante și gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili

in comparatie cu petrolul sau gazele naturale, obtinerea energiei din resurse eoliene nu ameninta in vreun fel viata oamenilor. Nu este de conceput ca vor avea loc razboaie pentru asigurarea resurselor eoliene, asa cum se intimpla in cazul petrolului sau gazelor naturale, iar functionarea defectuoasa a instalatiilor eoliene nu va duce la dezastre ecologice care sa puna in pericol viata oamenilor

Disponibilitate – energia eoliana este disponibila in proportie de doua treimi in perioadele reci ale anului, ceea ce face ca aceasta sa fie complementara energiei hidroelectrice, resursele de apa scazind foarte mult in perioadele reci

producerea energiei electrice din resurse eoliene nu presupune costuri "externalizate"

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

STADIUL ACTUAL AL PRODUCERII DE ENERGIE DIN SURSA VANTULUI

Energia eoliană în Europa

La nivelul Uniunii Europene, capacitatea totală de producție energetică a turbinelor eoliene era la finele anului 2010 de 84.074 MW. Potrivit datelor de la finele anului 2010 Germania are cea mai mare capacitate de producție de energie eoliană din UE, de 27.214 MW, urmată de Spania, cu 20.676 MW, iar apoi, la mare distanță, de Italia (5.797 MW) și Franța (5.660 MW).

În martie 2011, energia eoliană a devenit, pentru prima dată, tehnologia cu cea mai mare producție electrică din Spania, potrivit Rețelei Electrice din Spania (REE), cu 21 % din totalul cererii de electricitate din Spania. Pe locurile următore: energia nucleară (19%), energia hidraulică (17,3%), ciclurile combinate (17,2%), termocentralele pe cărbune (12,9%) și energia solară (2,6%). Mulțumită aportului energiei eoline, s-a evitat importarea de hidrocarburi în valoare de 250 de milioane de euro și emisia de 1,7 milioane de tone de CO2, adică echivalentul plantării a 850.000 de copaci.

În anul 2011, pentru construcția unei capacități de producție energetice eoliene de 1 MW, este necesară o investiție de 1,5 – 1,7 milioane de euro.

Table 2.1 – Capacitatea parcurilor eoliene in Europa [MW]

Figure 2.1 – Capacitatea parcurilor eoliene in Europa [MW]

Energia eoliană în România

Potrivit hărții energiei "verzi", potențialul României cuprinde 65% biomasă, 17% energie eoliană, 12% energie solară, 4% microhidrocentrale, 1% voltaic + 1% geotermal.

Table 2.2 – Strucutra surselor de energie regenerabila – energie geenrata [TWh]

Energia eoliană a ajuns să fie pe primul loc printre sursele de energie alternativă din România. Potrivit Autorității Naționale de Reglementare în Domeniul Energiei, capacitatea totală a parcurilor eoliene în funcțiune a crescut la 469 MW la sfârșitul lunii mai 2011. Cel mai amplu proiect care urmează a fi implementat este parcul eolian din Fântânele și Cogealac, construit de Grupul CEZ și care va însuma o capacitate de 600 MW.

Figure 2.2 – Capacitatea instalatiilor de energie regenerabila din Romania in 2010 [MW]

La începutul anului 2012, în Dobrogea există peste 500 de turbine eoliene. Cehii de la CEZ, portughezii de la EDP sau italienii de la Enel au investit în energie eoliană în Dobrogea.

În România, la începutul anului 2012, există peste 1000 de turbine eoliene care produc 3% din totalul de energie. Investițiile în eoliene au creat până acum 1000 de locuri de muncă.

Eolienele din România produc, în medie 150 – 200 de MWh. Costul energie eoliene este de 170 de euro pe MW/h, de aproape trei ori mai mult față de energia produsă de hidrocentrale.

Figure 2.3 – Capacitatea instalata a energiei eoliane in Romania

În România, cu excepția zonelor montane, unde condițiile meteorologice dificile fac greoaie instalarea și întreținerea agregatelor eoliene, viteze egale sau superioare nivelului de 4 m/s se regăsesc în Podișul Central Moldovenesc și în Dobrogea. Litoralul prezintă și el potențial energetic deoarece în această parte a țării viteza medie anuală a vântului întrece pragul de 4 m/s. În zona litoralului, pe termen scurt și mediu, potențialul energetic eolian amenajabil este de circa 2.000 MW, cu o cantitate medie de energie electrică de 4.500 GWh/an.

Figure 2.4 – Harta mobilității atmosferice in Romania

La momentul actual, cele mai importante proiecte de energie eoliană sunt: Fântânele (CEZ, 347,5MW), Casimcea, Topolog, Dăieni (IMA PARTNERS + Verbund, 532 MW), județul Tulcea (ENEL, 174 MW), zona Moldova și Dobrogea (PNE Wind, 200 MW), Cogealac (CEZ, 252,5 MW), Mihai Viteazu (Iberdrola, 80 MW), județul Constanța (ENEL, 118 MW), Cernavodă (Renovatio / EDPR, 138 MW), județul Galați (Renovatio / EDPR, 100 MW), Mitoc (IWE, 100 MW), Borșa (Alstrom, 56 MW), Topolog (Land Power, 168 MW) și Casimcea (Martifer, 40 MW).

Pe baza evaluării și interpretării datelor înregistrate, în România se pot monta instalații eoliene cu o capacitate de până la 14.000 MW, ceea ce înseamnă un aport de energie electrică de aproape 23 000 GWh/an.

Transelectrica a avertizat că în sistemul național pot fi preluate turbine eoliene de maximum 4.000 de MW, în contextul în care a primit cereri de racord la rețea pentru proiecte de peste 30.000 de MW, din care 8.000 de MW au deja contracte semnate.

SURSE REGENERABILE DE ENERGIE – ENERGIA EOLIANA

Tehnologia de producere a energiei eoliene este o tehnologie sigura, ajunsa la maturitate, care s-a imbunatatit continuu in ultima perioada de timp si ale carei costuri au cunoscut o scadere considerabila. Este de retinut faptul ca investitia s-ar amortiza in aproximativ 7 ani, termen extrem de rezonabil pentru o investitie energetica. Costurile de producere a energiei electrice din resurse eoliene sunt in momentul de fata comparabile cu cele ale energiei produse din combustibili traditionali. Aceasta fara sa se tina seama de ceea ce am subliniat anterior si anume costurile "externalizate". Daca s-ar lua si acestea in calcul, energia eoliana ar fi una dintre cele mai ieftine forme de energie. Chiar daca pentru foarte multi specialisti avantajele utilizarii energiei eoliene sunt evidente, trebuie tinut cont de faptul ca un sistem energetic are o inertie uriasa si ca orice modificare/ schimbare este respinsa cu vehementa de aparatorii lui.

De aceea, este necesara o permanenta si sustinuta activitate de informare si constientizare, astfel incit presiunile asupra factorilor de decizie sa creasca. Costurile investitiilor initiale in acest domeniu sunt foarte mari, ceea ce reprezinta un factor restrictiv in dezvoltarea lor. De aceea, pentru sustinerea proiectelor sau programelor privind producerea energiei electrice din surse regenerabile sunt necesare masuri guvernamentale, care pe langa suportul tehnic si legislativ oferit sa ofere si sustinere financiara.

Figure 3.1 – Centrale eoliene

Scurt istoric

Din punct de vedere istoric, prima utilizare a energiei eoliene a fost găsita incă de acum 5000 de ani, de către egipteni (deplasarea corăbiilor) iar in anul 2000 î.e.n., în Babilon funcționau deja primele mori de vânt. Lumea occidentală a descoperit mult mai târziu forța vântului, primele referiri scrise la mașini care utilizau energia vântului datează din sec. 12, fiind vorba de echipamente pentru măcinarea grânelor.

Morile de vânt persane timpurii erau dispozitive primitive constând într-un simplu turn pe care erau fixate palete făcute din mănunchiuri de trestie. Aceste palete se învârteau în jurul unei axe verticale, cu un perete care să protejeze paletele când ele se învârteau invers față de direcția vântului. Aceste mori de vânt timpurii erau folosite la măcinarea grânelor.

Morile de vânt tradiționale au fost folosite secole de-a rândul pe terenurile din nordul Europei. Primele mori de vânt care au apărut în Europa au fost construite în sec al 12-lea în nordul Franței și în sudul Angliei.

Numai cu energia vântului au putut Jan Leegwater și inginerii danezi care i-au urmat să dreneze (asaneze) zonele mlăștinoase ale Olandei și să le facă locuibile. Morile de vânt europene mai erau folosite la tăierea buștenilor, mărunțirea tutunului, confecționarea hârtiei, presarea semințelor de in pentru ulei și măcinarea de piatră pentru vopselele de pictat. Spre deosebire de perși, europenii au dezvoltat mori de vânt cu rotoare care se învârteau în jurul unor axe orizontale. Morile de vânt europene tipice aveau patru palete, unele aveau cinci și ocazional mai existau și cu șase. Cele mai timpurii mori de vânt europene plasau turnul care ținea rotorul morii de vânt într-o poziție verticală. Aceasta permitea ca întreaga moară de vânt să se întoarcă și să fie față-n față cu vântul. Cea mai veche turbina eoliana a fost înregistrata in 1191 in Anglia.

Figure 3.3 – Moara de vant

Figure 3.4 – Moara de vant

Până în sec al 14-lea aceste mori de vânt au evoluat spre tradiționalele mori de vânt europene cu turn, cele cu turnuri de până la 3 etaje înălțime. Multe din aceste mori de vânt europene conțineau două sau trei nivele interioare unde bunurile (grăunțele, vopseaua, tutunul) puteau fi adăpostite. La început morile de vânt europene erau capabile de a produce 25-30 kW de putere mecanică, dar grație îmbunătățirilor aduse de următoarele sute de ani ele au ajuns să producă, la momentul de vârf al evoluției lor, sfârșitul sec al 19-lea, aproximativ 1500 MW. Acest nivel nu a fost depășit până în 1998.

Morile de vânt americane pentru ferme erau ideale pentru pomparea de apă de la mare adâncime, devenind o parte integrantă a economiei comunităților agricole situate de-a lungul vestului american. Inginerul american Thomas Perry a adus îmbunătățiri paletelor la sfârșitul anilor 1800, folosind inclusiv un anume tip de palete de metal, ceea ce a permis dublarea eficienței rotorului.

Morile de vânt americane sunt legendare prin siguranța dar și prin eficiența lor și sunt indispensabile pentru capacitatea lor de a pompa apă de la mare adăncime. Oricum ele produc aproximativ o zecime din puterea unei turbine eoliene echivalente ca mărime. Acest lucru face ca aceste mori de vânt să nu fie potrivite pentru generarea de electricitate. Deși industria americană a morilor de vânt pentru ferme a avut un vârf în prima parte a sec. al 20-lea, mai mult de 1 milion de asemenea mori sunt încă în uz în lume.

In prezent, termenul mori de vant se foloseste doar pentru dispozitivele care zdrobesc boabele de porumb.

Centralele eoliene

O centrală electrică este un ansamblu de clădiri, mașini, aparate, instrumente și conducte, care servesc la producerea energiei electrice cu ajutorul generatoarelor electrice sau prin conversie directă a energiei solare.

După felul energiei primare care este convertită în energie electrică centralele se împart în:

Termocentrale – care convertesc energia termică obținută prin arderea combustibililor. La rândul lor, acestea pot fi:

Centrale termoelectrice (CTE), care produc în special curent electric, căldura fiind un produs secundar;

Centrale electrice de termoficare (CET), care produc în cogenerare atât curent electric, cât și căldură, care iarna predomină.

Centrale nuclearo-electrice (CNE), care convertesc energia termică obținută prin fisiunea nucleelor.

Centrale geotermale, care convertesc energia geotermală.

Centrale hidroelectrice (CHE), care convertesc energia hidraulică.

Centrale solare, care convertesc energia solară.

Centrale mareo-motrice, care convertesc energia valurilor și mareelor.

Centrale eoliene, care convertesc energia vântului.

Impropriu denumite, centralele eoliene sunt, ferme de turbine eoliene, ce sunt conectate la rețeaua de distribuție a curentului. In componenta unei centrale eoliene nu intra doar turbinele ci si redresoare de curent, transformatoarele si corectoare ale factorului de putere al curentului. In amplasarea centralelor eoliene se tine cont de valoarea vantului in zona, pretul terenului, impactul vizual si asupra structurilor din vecinatate si apropierea de reteaua de distribuie a curentului.

Un sistem modern ce alimentează o locuința folosind energie eoliana funcționează după următorul principiu: o turbina este instalata in vârful unui turn inalt (pentru a avea acces direct la curenții de aer, fara interferente din partea clădirilor de la sol), colectează energie cinetica de la vânt, pe care o transforma in electricitate folosind un sistem de conversie. O locuința tipica este deservita de o turbina eoliana si de un furnizor de electricitate local.

Figure 3.5 – Circuitul energiei electrice produsa din surse eoliene

Daca viteza vântului este mai mica decât o valoare constructiva de la care turbina eoliana produce curent atunci locuința este alimentata de la rețeaua electrica. Pe măsură ce viteza vântului creste, energia electrica furnizata de turbina eoliana alimentează locuința. Daca nu exista consumatori pentru aceasta energie ea este introdusa in rețeaua electrica si vânduta furnizorului local.

In situația in care nu exista un furnizor local de electricitate sau nu se poate introduce curentul produs de turbina eoliana in rețeaua electrica exista opțiunea înmagazinării curentului suplimenta in baterii pentru utilizarea ulterioara. Bateriile sunt conectate la un inversor care transforma curentul la voltajul electronicelor si electrocasnicelor din casa, adică 220V.

In funcție de complexitatea sistemului mai putem adăuga un controller, un contor (pentru a vedea producția instantanee de curent sau producția pe o perioada predefinita) si un circuit ce întrerupe transferul de curent de la turbina când bateriile sunt pline si nu exista consum in locuința. In zonele cu vanturi puternice este necesar si un sistem de oprire a turbinei, pentru a preveni deteriorarea acesteia.

Tipuri de turbine eoliene

Turbinele eoliene pot fi împărțite arbitrar în trei clase: mici, medii și mari. Turbinele eoliene mici sunt capabile de generarea a 50-60 KW putere și folosesc rotoare cu diametru între 1-15 m. Acestea sunt instalate în principal în zone îndepărtate unde este nevoie de electricitate dar accesul la sursele convenționale de electricitate este fie prea scump, fie prea nesigur. Unele mici turbine sunt așa compacte încât pot fi cărate în locații îndepărtate pe spatele calului.

Turbinele se clasifica in doua mari categorii: turbine cu axă orizontală și turbine cu axă verticală.

Turbinele cu axa orizontala

Turbinele cu axa orizontala (HAWT = Horizontal Axis Wind Turbine) au rotorul si generatorul de curent pozitionate in varful turnului si trebuie aliniate pe directia vantului. Turbinele mici sunt orientate cu ajutorul unei aripioare, iar cele mari folosesc senzori si servomotoare pentru a se alinia pe directia vantului. Majoritatea turbinelor cu axa orizontala au si o cutie de viteze care transforma miscarea de rotatie lenta a palelor intr-una mai rapida, necesara pentru a creste eficienta generatorului de curent.

Deoarece turnul produce turbulente aerodinamice in urma sa rotorul turbinei este pozitionat in fata. Palele turbinei sunt rezistente pentru a nu fi indoite si impinse in turnul pe care sunt instalate de vanturile puternice. In plus palele sunt departate de turn si usor inclinate.

Exista si turbine cu axa orizontale cu rotorul plasat in spatele turnului. Astfel de turbine au avantajul ca palele elicei se pot indoi, reducand suprafata care se opune vantului la viteze mari si nici nu trebuie orientate in directia vantului, acest lucru facandu-se automat datorita constructiei. Din cauza turbulentelor insa majoritatea turbinelor cu axa orizontala au rotorul plasat in fata turnului.

Avantajele utilizarii turbinelor cu axa orizontala sunt:

Elicea se afla aproape de centrul de greutate al turbinei, crescand stabilitatea

Alinierea elicei cu directia vantului ofera cel mai bun unghi de atac pentru pale, maximizand energia electrica rezultata

Palele elicei pot fi pliate pentru a preveni distrugerea turbinei in cazul vanturilor puternice

Turnurile inalte permit accesul la vanturi mai puternice, rezultant o crestere a curentului produs de turbina

Dezavantajele utilizarii turbinelor cu axa orizontala sunt:

Eficienta turbinelor HAWT scade cu inaltimea turnului unde sunt instalate din cauza turbulentelor vantului

Turnurile inalte si elicele cu pale lungi sunt greu de transportat, uneori costul transportului fiind de 20% din cel al echipamentului in sine

Turbinele HAWT sunt dificil de instalat si necesita macarale si personal calificat

Turbinele inalte pot obstructiona radarele de linga bazele aeriene

Din cauza inaltimii turbinele cu axa orizontala au un impact negativ asupra peisajului rural

Variantele cu elicea in spate sufera la capitolul fiabilitate din cauza turbulentelor aerului

Turbine cu axa verticala

Turbine cu axa verticala (VAWT = Vertical Axis Wind Turbine) – generatorul si toate componentele mai sofisticate sunt plasate la baza turnului, usurand astfel instalarea si mentenanta. Principalele tipuri sunt: Darrieus, Gorlov, Giromill si Savonius.

Avantaje:

Sunt mai usor de intretinut deoarece partile in miscare sunt plasate mai aproape de pamant

Palele elicei sunt verticale, deci nu mai este nevoie de o “carma” pentru orientarea elicei

Prin constructie turbinele verticale au o eficienta aerodinamica crescuta la presiuni inalte si joase

Pentru acelasi diametru al elicei, palele unei turbine cu axa verticala au o sectiune mai mare decat cele ale unei turbine cu axa orizontala

Turbinele VAWT sunt mai eficiente in zonele cu turbulente ale vantului datorita faptului ca palele elicei sunt plasate mai aproape de pamant

Inaltimea redusa permit instalarea in zonele unde legislatia nu permite cladiri prea inalte

Nu au nevoie de un turn in varful caruia sa fie instalate, deci sunt mai ieftine si rezista mai bine la vanturi puternice

Varful palelor elicei au o viteza unghiulara mai mica, deci rezista la vanturi mai puternice decat turbinele cu axa orizontala

Nu trebuie orientate in directia vantului, fiind astfel mai eficiente in zone cu turbulente ale vantului

Pot fi construite la dimensiuni mai mari, cu mecanisme care se rotesc in totalitate, nemai necesitand rulmenti speciali si scumpi

Dezavantaje:

Eficienta turbinelor VAWT se situeaza in medie la 50% din cea a modelelor HAWT

Trebuie instalate pe o suprafata plana

Majoritatea turbinelor VAWT au nevoie de un electromotor pentru a fi pornite in condiții de vânt slab

Turbinele VAWT ancorate prin cablu creează stres mecanic pe mecanismul de prindere in a elicei de ax in partea de jos

Majoritatea pieselor unei turbine VAWT sunt plasate in partea de jos, deci schimbarea lor presupune dezmembrarea intregii structuri

Cele mai multe dispozitive eoliene sunt turbinele de dimensiune medie. Acestea folosesc rotoare care au diametre între 15-60 m și au o capacitate între 50-1500 KW. Cele mai multe turbine comerciale generează o capacitate între 500KW – 1500KW. Turbinele eoliene mari au rotoare care măsoară diametre între 60-100 m și sunt capabile de a genera 2-3 MW putere. S-a crezut inițial că aceste turbine gigant vor fi mai economice decât turbinele mai mici. Diverse țări au încercat să dezvolte turbinele eoliene comerciale multi-megawatice, dar acestea s-au dovedit a fi mai puțin economice și mai puțin sigure decât turbinele de dimensiune medie. În 2010 cea mai mare fermă eoliană din lume era Roscoe Wind Farm in Texas, care producea 781 MW. Prin comparație o uzină de cărbune generează în medie 550 MW. Turbinele eoliene mari produc până la 1,8 MW și pot avea o paletă de peste 40 m, ele fiind plasate pe turnuri de 80 m.

Unele turbine pot produce 5 MW, deși aceasta necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe oră. Puține zone pe pământ au aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mari și în zone oceanice.

In functie de locatia turbinelor ele poti fi categorisite in turbine de tarm si turbine plasate in largul marilor si oceanelor.

Figure 3.10 – Comparatie intre turbină eoliană de putere redusă si turbină eoliană de putere mare

Principiul de funcționare al turbinelor eoliene

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

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

Figure 3.11- Conversia energiei eoliene

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

Aerodinamica paletei turbinei

Aerodinamica este o știință derivată din dinamica fluidelor, care studiază mișcarea, respectiv curgerea gazelor în general și a aerului în particular, precum și interacțiunea aerului, respectiv a gazelor în curgere, cu corpurile solide. Aplicațiile acestei științe în aeronautică sunt evidente, iar în continuare se va observa că și în cazul turbinelor eoliene, forma paletelor ca și funcționarea acestora, reprezintă tot consecințe ale aplicării legilor aerodinamicii, la procesele de curgere a aerului în jurul paletelor.

Din punct de vedere geometric, în secțiune longitudinală, paletele au forma relativ apropiată de a unor dreptunghiuri alungite, mărginite de muchiile frontală și posterioară (față de direcția de rotație a paletelor), respectiv de butucul și de vârful paletelor. Uneori, vârfurile paletelor sunt mobile, ceea ce permite funcționarea acestor părți ale paletelor ca regulator de turație, prin frânarea paletelor în cazul în care viteza vântului depășește anumite limite. Raza (sau lungime paletelor), este reprezentată de distanța dintre axa butucului și vârful paletelor. În secțiune transversală, forma paletelor este asimetrică, astfel încât aerul în curgere (datorită mișcării de rotație a paletelor), să atingă paletele mai întâi în zona îngroșată, care reprezintă zona frontală a paletelor. Aceste forme ale profilelor paletelor, poartă denumirea de profile aerodinamice datorită proprietăților particulare pe care le prezintă și care vor fi evidențiate în continuare.

În figura 16 sunt prezentate două profile aerodinamice.

NACA 44

Figure 3.12 – Profile ale paletelor [14]

Forma profilelor aerodinamice ale paletelor este fundamentală pentru performanțele turbinelor eoliene, astfel încât chiar și cele mai mici abateri ale formei profilelor, pot genera atât alterarea considerabilă a performanțelor, cât și probleme legate de nivelul de zgomot care poate să crească semnificativ. Din aceste motive, forma profilelor paletelor este aleasă pe baza experienței anterioare considerabile, obținută în urma cercetărilor efectuate asupra formei aripilor și elicelor de avioane.

În cataloagele NACA (The United States National Advisory Commitee for Aeronautics), cele două profile prezentate în figura 3.12, sunt denumite NACA44, respectiv NACA63 și reprezintă profilele folosite în mod uzual la paletele turbinelor eoliene de pâna la 95kW inclusiv (NACA44), respectiv de la turbinele peste 150kW (NACA63).

Primul profil a fost elaborat în jurul anilor 1930 și are proprietăți globale foarte bune fiind și destul de tolerant la imperfecțiuni minore ale suprafețelor, cum sunt cele datorate depunerilor de impurități în timpul exploatării. Al doilea profil a fost elaborat în jurul anilor 1940 și are proprietăți diferite. Astfel asigură puteri mai mari la viteze mici și medii ale vântului, dar nu este utilizabil la viteze mari ale vântului și este foarte sensibil la depunerile de impurități în timpul exploatării. Pentru turbinele mai noi, cu puteri de peste 500kW, profilul aerodinamic al paletelor reprezintă rezultatul unor cercetări mai noi și diferă de cele două profile prezentate. Asemenea profile au fost cercetate și testate de exemplu în Suedia, Danemarca și SUA, țări cu tradiție în domeniul turbinelor eoliene.

Portanța

Forța de portanță sau portanța este suma tuturor forțelor generate de mișcarea fluidului în jurul unui corp, proiectată într-un plan perpendicular pe direcția principală de curgere a fluidului în care este cufundat corpul. [18]

Figure 3.13 – Portanta [18]

Deși portanța sugerează o acțiune de ridicare (poartă în sus), de fapt direcția portanței nu depinde de noțiunea de "sus" și "jos", spre exemplu (vezi figura) nu depinde de direcția forței gravitaționale (greutatea). În mod specific, portanță negativă se referă la o forță de portanță direcționată în "jos".

Există mai multe căi echivalente între ele de a explica formarea portanței. Acest lucru nu înseamnă altceva decât interpretări diferite ale aceluiași fenomen fizic.

Portanță este forța care ține avionul în aer și trebuie înțeleasă în raport cu celelalte trei. Ea poate fi generată de orice parte a aeronavei, dar la un avion obișnuit portanța este datorată în special aripii și în particular formei specifice în secțiune a aripii. Portanța este o forță aerodinamică datorată "trecerii" unui obiect printr-un fluid. Ea acționează asupra centrului de presiune și este definită ca fiind perpendiculară pe direcția de curgere a fluidului.

Figure 3.14 – Curgerea în jurul unui profil aerodinamic[18]

Schimbarea direcției sau vitezei unei curgeri de fluid generează o forță. Mai exact, portanța apare atunci când curgerea unui fluid este "întoarsă" de către un obiect solid. Când curgerea este deviată într-o anumită direcție, portanța apare în direcția opusă, în concordanță cu principiul acțiunii și reacțiunii al lui Newton. Dat fiind că aerul este un fluid, moleculele sunt libere în mișcare și orice suprafață solidă poate devia curgerea. Pentru o secțiune de aripă – numită profil aerodinamic – ambele sale suprafețe, de sus – extrados și respectiv de jos – intrados contribuie la întoarcerea curgerii. Luând în considerare doar una dintre suprafețe, ajungem la o teorie incorectă a portanței, de aceea ele se abordează împreună.

Când două obiecte solide interacționează într-un proces mecanic, forțele sunt transmise sau aplicate într-un „punct de contact”. Dar când un corp solid interacționează cu un fluid, lucrurile sunt mult mai greu de descris, datorită faptului că fluidul își schimbă forma. Pentru un solid care este imersat într-un fluid, punctul de contact este orice punct de pe suprafața solidului. Deci avem de a face cu o forță distribuită, adică cu o presiune.

Valoarea unei forței care acționează asupra unei suprafețe este egală cu presiunea înmulțită cu aria suprafeței respective. Presiunea este o unitate scalară legată de distribuția de presiunii din fluid. O forță este o unitate vectorială, care are valoare și direcție, trebuie deci determinată direcția forței. Presiunea acționează perpendicular sau normal pe suprafața unui corp solid, deci direcția forței pe o suprafață foarte mică a obiectului este normală la suprafață. Direcția normală se schimbă de-a lungul profilului deoarece acesta are o suprafață curbată. Pentru a obține forța mecanică netă peste întregul profil trebuie adunate contribuțiile componentelor tuturor suprafețelor mici ale obiectului. Este important de știut faptul că dacă presiunea pe o suprafață închisă este constantă, atunci nu există nici o forță rezultantă, deoarece suma tuturor forțelor mici pe direcțiile normale dă valoarea zero.

Figure 3.15 – Câmpul de presiuni în jurul unui profil aerodinamic[19]

Pe un corp aflat într-un fluid în mișcare, viteza va avea valori diferite în puncte diferite de-a lungul suprafeței închise a corpului. Presiunea locală (dată de acele suprafețe forte mici) fiind în relație directă cu viteza locală, rezultă de asemenea că ea va varia de-a lungul suprafeței închise. Însumând toate presiunile locale normale și înmulțind apoi cu suprafața exterioară totală a corpului va rezulta o forță. Componenta acestei forțe perpendiculară pe direcția de curgere a fluidului este numită forța portantă, iar componenta de-a lungul direcției de curgere se numește rezistența la înaintare. În realitate există o singură forță, cauzată de variația presiunii în jurul suprafeței corpului sau – vorbind de profile aerodinamice – este cauzată de diferența dintre presiunile de pe intradosul și respectiv extradosul profilului. Forța aerodinamică acționează într-un punct determinat de distribuția presiunilor, punct numit centrul de presiune.

Portanța este o forță mecanică, generată de interacțiunea și contactul dintre un solid și un fluid. Nu este generată de un câmp de forțe precum greutatea, care este generată de câmpul gravitațional, unde un corp poate interacționa asupra altui corp fără a fi în contact fizic propriu-zis. Pentru a avea portanță, corpul solid trebuie să fie în contact direct cu fluidul. Deci, dacă nu există fluid, nu există nici mișcare.

Factorii care influențează portanța sunt forma și dimensiunea obiectului, viteza și direcția sa principală de mișcare față de fluid, densitatea fluidului, compresibilitatea și viscozitatea sa.

Componentele turbinelor eoliene

O turbina eoliana este un dispozitiv ce transforma miscarea cinetica a palelor unei elice in energie mecanica. Daca aceasta energie mecanica este apoi transformata in electricitate avem de-a face cu un generator alimentat cu vant/convertor de energie eoliana. Termenul care s-a împroprietărit însă este “turbina eoliana”.

Câteva dintre părțile principale ale turbinelor eoliene sunt prezentate în figura 1.2, dar în principiu, cele mai importante părți componente ale turbinelor eoliene, sunt:

butucul rotorului;

paletele;

nacela;

pilonul (turnul);

arborele principal;

multiplicatorul de turație cu roți dințate;

dispozitivul de frânare;

arborele de turație ridicată;

generatorul electric;

sistemul de control (controller)

Butucul

Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei și este montat pe arborele principal al turbinei eoliene. În figura 3.18 sunt prezentate două imagini ale unor butuci de turbine eoliene.

Paletele

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

Figure 3.19 – Paletă de turbină eoliană [10]

Nacela

Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene, care se montează în interiorul acesteia și anume: arborele principal, multiplicatorul de turație, dispozitivul de frânare, arborele de turație ridicată, generatorul electric, sistemul de răcire al generatorului electric și sistemul de pivotare.

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

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

Pilonul

Pilonul are rolul de a susține turbina eoliană și de a permite accesul în vederea exploatării și executării operațiilor de întreținere, respectiv reparații. In interiorul pilonilor sunt montate atât rețeaua de distribuție a energiei electrice produse de turbina eoliană, cât și scările de acces spre nacelă. In figura 3.21 sunt prezentate fundația unui pilon si un tronson de pilon pentru susținerea unei turbine eoliene.

Figure 3.21 – Tronsonul si fundatia unui pilon de turbină eoliană [10]

Arborele principal

Arborele principal al turbinelor eoliene are turație redusă și transmite mișcarea de rotație, de la butucul turbinei la multiplicatorul de turație cu roți dințate. În funcție de tipul turbinei eoliene, turația arborelui principal poate să varieze între 20.. .400 rot/min. În figura 3.22 este prezentat un asemenea arbore.

Figure 3.22 – Arborele principal al unei turbine eoliene [10]

Figure 3.23 – Multiplicator de turație eolian [10]

Multiplicatorul de turație cu roți dințate are rolul de a mări turația de la valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorul de curent electric. În figura 3.23, pe arborele principal, este montat și multiplicatorul de turație.

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

Arborele de turație ridicată denumit și arbore secundar sau cuplaj, are rolul de a transmite mișcarea de la multiplicatorul de turație la generatorul electric. Turația acestui arbore, ca și cea a generatorului electric, are valori între 1200…1800 rot/min. În figura 4.20 este prezentat un arbore de turație ridicată, montat pe multiplicatorul de turație.

Figure 3.24 – Arbore de turație ridicată [10]

Generatorul electric

Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanică a arborelui de turație ridicată al turbinei eoliene, în energie electrică. Spirele rotorului se rotesc în câmpul magnetic generat de stator și astfel, în spire se induce curent electric. Există atât generatoare electrice care furnizează curent continuu (de regulă pentru aplicații casnice și turbine de dimensiuni reduse), cât și generatoare electrice de curent alternativ într-o gamă extrem de variată de puteri.

Figure 3.25 – Generator electric eolian [10]

Sistemul de răcire al generatorului electric preia excesul de căldură produs în timpul funcționării acestuia. În figura 29 se observă că răcirea este asigurată de un ventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusă au răcirea asigurată de ventilatoare axiale. Uneori sistemul de răcire al generatoarelor electrice este proiectat să funcționeze cu apă de răcire, caz în care există un circuit suplimentar pentru răcirea apei.

Sistemul de pivotare

Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, are rolul de a permite orientarea turbinei după direcția vântului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorul de pivotare și elementul de transmisie a mișcării. Ambele componente au prevăzute elemente de angrenare cu roți dințate. Acest mecanism este antrenat în mișcare cu ajutorul unui sistem automatizat, la orice schimbare a direcției vântului, sesizată de giruetă. În figura 30 este prezentat motorul sistemului de pivotare, iar în figura 31 elementul de transmisie.

Figure 3.26 – Motorul sistemului de pivotare [19]

Figure 3.27 – Elementul de transmisie al sistemului de pivotare [19]

Controler-ul

Controler-ul este calculatorul principal al unei turbine eoliene, care cel puțin în cazul turbinelor de puteri mari, este integrat într-o rețea de calculatoare, care controlează buna funcționare a tuturor componentelor. De regulă controler-ul este amplasat în nacelă, iar alte calculatoare pot fi amplasate inclusiv la baza pilonilor. În figura 32 este prezentat un controler din componența unei turbine eoliene.

Figure 3.28 – Controler [10]

Turbinele eoliene moderne transformă energia vântului în energie electrică producând între 50-60 KW (diametre de elice începând cu 1m), 2-3MW putere (diametre de 60-100m), cele mai multe generând între 500-1500 KW. Puterea vântului este folosită și în activități recreative precum windsurfing-ul. Toate turbinele de pe glob pot genera 430 TWh/an, echivalentul a 2,5% din consumul mondial de energie. Industria vântului implică o circulație a mărfurilor de 40 miliarde euro și lucrează în ea 670 000 persoane în întreaga lume. Țările cu cea mai mare capacitate instalată în ferme eoliene sunt China, Statele Unite, Germania și Spania. La începutul anului 2011, ponderea energiei eoliene, în totalul consumului intern era de 24% în Danemarca, 14% în Spania și Portugalia, circa 10% în Irlanda și Germania, 5,3% la nivelul UE; procentul este de 3% în România la începutul anului 2012. La aceeași dată în România existau peste o mie de turbine eoliene, jumătate dintre ele fiind în Dobrogea.

Figure 3.29 – Componentele centralei eoliene [10]

GENERATORUL ASINCRON

Masinile electrice sunt echipamente electrice care realizează conversia dintre energia mecanică și energia electrică și invers. Masinile electrice care convertesc energia mecanică în energie electrică se numesc generatoare electrice iar cele care convertesc energia electrică în energie mecanică se numesc motoare electrice. Masinile electrice care absorb energie electrică pe la borne și energie mecanică pe la ax și le convertesc în căldură, funcționează în regim de frână electromagnetică. Masina asincronă (MAS) numită și mașină de inducție este masina electrică cu cea mai mare utilizare datorita performanțelor și avantajelor pe care le are.

MAS este ieftină, robustă și prezintă cost de intreținere scăzut, randament ridicat, siguranță în exploatare și punere în funcționare simplă. Functionarea MAS se bazeaza pe folosirea câmpului magnetic învârtitor creat cu ajutorul curentilor alternativi. Uzual MAS se realizeaza ca mașină trifazata, cu statorul inductor și rotorul indus. La puteri mici ea se realizeaza si ca mașină monofazata iar în unele sisteme de automatizare se folosesc servomotoare asincrone bifazate.

Elemente constructive

Principalele elemente constructive ale generatorului asincron (figura 35) sunt:

– statorul (miez magnetic (1) si infasurare statorica (3));

– rotorul (miez magnetic (2) si infasurare rotorica (4));

-alte elemente constructive (arbore (5), rulment (6), carcasa (7), ventilator (8) etc.)

Statorul este partea imobila a generatorului si cuprinde: miezul feromagnetic statoric, înfasurarea statorica, carcasa si scuturile portlagar. Unul din scuturile portlagăr poartă portperiile și periile colectoare. În scuturile frontale se monteaza lagarele pe care se sprijina axul rotorului.

Rotorul este partea mobila a masinii si curpinde: arborele mașinii care poartă miezul feromagnetic rotoric, înfasurarea rotorica, ventilatorul si inelele colectoare. Miezul feromagnetic statoric are o forma cilindrica si se executa din tole stantate din tabla silicioasa normal aliata de 0,5 mm grosime, izolate între ele cu un strat de lac izolant sau de oxizi. Pe partea interioară a miezului sunt ștanțate crestături uniform repartizate, orientate axial în care sunt asezate înfasurarile statorice.

Înfasurarea statorului la generatoarele asincrone este repartizata si se conecteaza la reteaua electrica de curent alternativ de la care masina primește puterea electrică. La puteri mijlocii si mari înfasurarile statorului sunt uzual trifazate conectate în stea sau în triunghi. La puteri mici se folosesc si înfasurari monofazate sau bifazate. Înfasurarea este realizată cu conductor de cupru izolat cu email, țesătură de sticlă impregnată cu lacuri electroizolante, micanită sau alt material electroiozolant.

Figure 4.3

Crestaturile se obtin prin stantarea tolelor înainte de împachetarea miezului si pot fi semiînchise sau deschise. Crestaturile semiînchise (figura 2.2, a) prezinta avantajul unui flux de dispersie mai redus, dar înfasurarea trebuie realizata din conductor rotund si introdusa fir cu fir, neputând fi realizata afara pe sablon. Crestaturile semiînchise se utilizeaza la masini de puteri mici. Crestaturile deschise (figura 2.2, b) permit realizarea înfasurarii afara pe sablon dar prezinta un flux de dispersie mai mare.

Carcasa masinii se executa prin turnare din aluminiu sau fonta, sau prin sudare din tabla de otel. Carcasa poarta talpile de fixare ale masinii, inelul de ridicare, cutia de borne si placuta indicatoare. Miezul feromagnetic al rotorului are o forma cilindrica si se executa din tole stantate din tabla silicioasa normal aliata de 0,5 mm grosime la fel ca și statorul care nu se izolează. Pe partea exterioară a miezului sunt ștanțate crestături uniform repartizate, orientate axial în care sunt asezate înfasurarile rotorice. Înfasurarea rotorului la masinile asincrone de construcție normală este realizată cu același număr de poli ca și înfășurarea statorică. Înfasurarea se realizează în două variante constructive: bobinată și în scurtcircuit sau în colivie. La mașina cu rotorul bobinat înfășurarea este executată din conductor de cupru sau aluminiu, izolat, iar bobinele înfășurării sunt așezate în crestăturile rotorului. La mașina cu rotorul în scurtcircuit colivia este realizată din bare de cupru sau aluminiu neizolate introduse în crestături și scurtcircuitate în partea frontală cu inele de scurtcircuitare. Colivia din aluminiu se realizează prin turnare. Înfășurările în colivie sunt polifazate. Înfășurările bobinate se realizează ca înfășurări trifazate, se conectează în stea sau în triunghi iar capetele bobinelor sunt conectate la inelele colectoare.

Întrefierul este spațiul liber dintre miezul feromagnetic al statorului și rotorului. Lărgimea întrefierului la mașina asincronă este constantă (neglijând deschiderea crestăturilor) și are o valoare foarte mică pentru a rezulta un curent de magnetizare cât mai scăzut respectiv un factor de putere ridicat.

Datele nominale si regimul de functionare

Regimul nominal al MAS este caracterizat de mărimile nominale, care sunt înscrise pe eticheta indicatoare. Pentru regimul de generator aceste mărimi sunt:

Table 4.1 – Mărimi nominale ale generatorului asincron

Pe eticheta indicatoare se mai pot afla și alte date care se referă la identificare cum sunt fabricantul, tipul mașinii, numărul de fabricație, anul fabricarii, precum și date necesare transportului și montajului cum sunt masa și gradul de protecție.

În această situație mașina primește putere mecanică pe la arbore (de la motorul auxiliar) și cedează putere electrică pe la bornele înfășurării statorice.

Principiul de funcționare si ecuațiile MAS

Se considera o masina asincrona cu cate o infasurare trifazata pe fiecare din cele doua armaturi. Se stabilesc pentru marimile de faza si stator (primar) si din rotor (secundar).

Luand aceleasi sensuri de referinta pentru curentii : primar – I1, si secundar – I2, ecuatiile tensiunilor pentru doua faze omoloage se deduc, cu U2=0 si infasurarea secundara (rotorica) fiind in scurcircuit (Rp = 0):

U1 = R1I1 + jXσ1I1 – E1 = Z1I1 – E1

0 = R2I2 + j Xσ2rI2 – E2r = Z2rI2 – E2r

Astfel campul invartitor de la masina asincrona are fata de infasurarea rotorica pulsatia ω=nΩ2. Totodata, avand in vedere conventia de semne pentru t.e.m. induse de fluxurile utile in cele doua infasurari, la masina asincrona.

Daca infasurarea statorica se conecteaza la o retea de tensiune si frecventa corespunzatoare, ea va fi parcursa de un sistem trifazat de curenti care vor produce in intrefier un camp magnetic invartitor, cu viteza unghiulara Ω1 . Daca armatura rotorica are in acel moment viteza unghiulara Ω, intr-o infasurare de faza a ei, devenita secundara, se induce t. e. m.

Daca infasurarea rotorului se inchide ea va fi parcursa de curenti care, la randul lor, produc un camp invartitor de reactie cu o viteza unghiulara fata de infasurarea care l-a produs:

Ω2 = ω2/p = (ω1 – ω)/p = Ω1 – Ω

Fata de stator, campul de reactie are viteza unghiulara:

Ω + Ω2 = (Ω1 – Ω) = Ω1

adica, indiferent de turatia rotorului, campul inductor sic el de reactie au aceeasi viteza relative fata de stator. Deci, cele doua campuri sunt fixe intre ele si se pot insuma, dand un camp resultant in intrefier.

Prin interactiunea dintre acesti campi si curentii dintre infasurari, se exercita intre cele 2 armaturi un cuplu electromagnetic, asa cum s-a aratat si la masina de curent continuu. Relatia arata ca in infasurarea rotorica sunt curenti, deci se poate exercita un cuplu, numai daca e2 ≠ 0, adica Ω ≠ Ω1. In acest caz se poate exercita un cuplu, numai daca rotorul aluneca fata de campul invartitor inductor. Aceasta alunecare, in valori relative, este definite de relatia:

s = (Ω1 – Ω)/ Ω1 = (n1 – n) / n1 = (ω1 – ω)/ ω1 = f2/f1.

unde in general, Ω = 2πn si ω = 2πf, iar notatiile sunt cele cunoscute.

Bilantul de puteri si randamentul

Puterea activa absorbita de motorul asincron de la retea este:

Facand bilantul puterilor active pe baza schemei obtinute:

Unde:

P1 – puterea electrica absorbita pe la bornele înfasurarii statorice;

PM – puterea electromagnetica (transferata în rotor prin intermediul campului electromagnetic);

Pmec – puterea mecanica;

P2 – puterea utila la arbore;

pJ1 – pierderile prin efect Joule, din înfasurarea statorului;

pFe – pierderile în miezul feromagnetic; pJ2 – pierderile prin efect Joule, din înfasurarea rotorului;

pmec+v – pierderile mecanice si de ventilatie.

Daca se au in vedere relatiile de mai sus, se reprezinta in figura 2.10. schema bilantului de puteri si se deduce expresia randamentului masinii asincrone:

Facand bilantul puterilor reactive, se obtine:

Unde puterile reactive necesare crearii campurilor de dispersie si sunt neglijabile fata de puterea = 3 necesara mentinerii campului magnetic principal care este practic constant de la functionarea in gol la sarcina.

Deci retelele care alimenteaza multe motoare asincrone sunt incarcate cu un curent reactiv, necesar magnetizarii care , pentru o retea data , limiteaza componenta activa, deci transportorul de putere activa. Pentru cresterea eficientei liniilor de transport si scaderea pierderilor de putere activa in retele, se face compensarea puterii reactive , alimentand motoarele cu energie reactiva de la o sursa apropiata compensand factorul de putere al retelei.

Figure 4.14

Figură 3 – Schema echivalenta a masinii asincrone în regim stationar

MODELAREA MAȘINII ASINCRONE UTILIZATĂ CA GENERATOR ÎN CENTRALELE EOLIENE

Energia eoliană este una dintre energiile regenerabile a cărei utilizare este în plină dezvoltare. Tehnologiile actuale de conversie a energiei eoliene în energie electrică permit obtinerea energiei electrice la costuri competitive cu costurile altor procedee de conversie [24].

Generatoarele asincrone sunt utilizate din ce în ce mai mult ca generatoare electrice în centralele eoliene, datorită avantajelor pe care le prezintă în raport cu generatoarele sincrone: fiabilitate sporită, cost redus și întreținere simplă. Generatoarele asincrone sunt folosite atât în paralel cu rețelele existente, caz în care rețeaua le asigură energia reactivă necesară magnetizării lor, cât și pe retele proprii, caz în care energia reactivă de magnetizare a lor este asigurată de baterii de condensatoare. Schema de principiu a unei centrale electrice eoliene este prezentata în Figura 48 [26].

Între turbina eoliană și generatorul electric este dispus un multiplicator de turație. La o anumită viteză a vântului, generatorul electric furnirează o putere maximă la o turație numită turație optimă. Cu cât viteza vântului este mai mare cu atât și această turație optimă este mai mare figura 5.2 [26].

Deoarece viteza vantului nu este constanta, este necesar ca generatorul asincron să fie introdus într-un circuit de comandă automată care să îi asigure funcționarea în permanență la turațiile optime, iar el să poată furniza puterea maximă posibilă. Pentru realizarea unor asemenea circuite de comandă automată este necesară cunoașterea cu mare acuratețe a modelului matematic al generatorului asincron, model care trebuie să țină seamă de variațiile parametrilor mașinii în timpul funcționării. Aceste variații sunt datorate fenomenului de saturație magnetică longitudinală și transversală (cross-saturation) și încălzirilor circuitelor electrice și magnetice.

Tehnologii de conversie

Elementele lanțului de conversie sunt de mai multe tipuri. Totuși, anumite elemente se regăsesc întotdeauna în lanțul de conversie, cum sunt: o turbina eoliana, un generator trifazat, un dispozitiv de interconectare, ce realizează conectarea generatorului la rețeaua de distribuție sau la o sarcina izolată. [8]

Figure 5.3 – Structura generala a unui sistem de conversie a energiei eoliene [20]

Cu titlu informativ, mașinile cele mai utilizate pentru realizarea eolienelor sunt cele asincrone cu rotorul în scurtcircuit. Mașinile sincrone cu rotor bobinat (cu excitație electrică) își sporesc, de asemenea, ponderea.

Centrale eoliene cu viteza fixa

În cazul mașinilor asincrone cu rotorul în scurtcircuit, viteza de rotație depinde direct și strict de frecvența curenților ce parcurg înfășurările statorice. Mașina asincrona cu rotorul în scurtcircuit, având un număr fix de perechi de poli, poate funcționa într-un domeniu restrâns de viteze, alunecarea fiind de ordinul a câtorva procente.

Funcționarea în mod autonom

Eolienele neconectate la rețea funcționează în mod autonom, alimentând sarcini izolate, ce au eventual, unul sau mai multe grupuri electrogene în tampon. Pentru acest tip de configurație, utilizarea unui sistem de stocare prezintă un interes deosebit, mai ales în absența grupurilor electrogene, pentru situația când vântul este slab.

Utilizarea bateriilor de acumulatoare reprezintă o soluție pentru stocarea pe o durată mai mare. Exista însă și alte sisteme de stocare, cum ar fi cel inerțial, pentru stocarea pe durate scurte. Acest tip de stocare evită utilizarea bateriilor de acumulatoare, care prezintă pentru mediu, un caracter poluant.

Generatorul poate fi o mașină asincrona cu rotor în scurtcircuit, prevăzută neapărat cu condensatoare necesare asigurării energiei reactive, de magnetizare.

Figure 5.4 – Structura generala a unui sistem de conversie a energiei eoliene [20]

Funcționarea în mod rețea

În cazul în care eoliana este conectată la rețea, viteza de rotație a mașinii asincrone trebuie sa rămână practic constantă, apropiată de viteza de sincronism, pentru a asigura funcționarea stabilă a generatorului. Frecvența rețelei impune viteza de rotație a mașinii. Generatorul cu viteza fixă, conectat direct la rețea, trebuie neapărat prevăzut cu un multiplicator de viteză.

Eoliana funcționează la o anumita viteză de rotație, pentru un domeniu restrâns de viteze ale vântului. Din acest motiv, aplicațiile sunt limitate.

Mașina asincronă cu rotor în scurtcircuit conectata direct la rețea + multiplicator.

Pentru conectarea unei eoliene cu o astfel de structură la rețea, presupune doua etape. O primă etapa consta în conectarea înfășurării statorice la rețea cu rezistențe înseriate, pentru a se reduce curenții statorici tranzitorii. Pe durata acestei etape, palele turbinei sunt orientate astfel încât cuplul dezvoltat sa fie nul.

După câteva secunde, rezistențele din circuitul statoric sunt scurtcircuitate (eliminate), apoi sistemul de reglare comandă orientarea palelor în scopul creșterii puterii.

Regimul tranzitoriu la conectare determină apariția unor curenți importanți, ce sunt limitați de către rezistențe. Rezistențele pot fi înlocuite cu variatoare de tensiune alternativa (VTA), prin modificarea unghiului de comandă, reglându-se tensiunea de alimentare, astfel încât curentul sa nu se atingă valori periculoase pe durata etapei de conectare.

Figure 5.5 – Schema de conectare directa la rețea a unei eoliene cu mașina asincrona cu rotor în scurtcircuit [20]

Mașina asincronă cu stator dublu

Aceasta configurație oferă posibilitatea funcționării eolienei cu două viteze. Statorul este realizat din doua bobinaje, care determină un număr variabil de poli și deci domenii diferite de viteză. Se pot impune 2 viteze de sincronism, prin schimbarea numărului de perechi de poli. Pe de o parte, pe stator exista un bobinaj de mică putere, dar care creează un număr mare de poli, care este utilizat la viteze mici ale vântului.

La viteze reduse ale vântului, puterea recuperată de eoliană este mică. De asemenea, datorita numărului mare de poli, și viteza d sincronism este mică.

Pe de alta parte, statorul mai este dotat cu o înfășurare de putere mai mare, dar cu număr mai mic de poli, care este utilizata atunci când viteza vântului este suficient de mare. La viteze mari ale vântului, puterea recuperata este mai mare.

Figure 5.6 – Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincrona cu stator dublu

Pentru optimizarea puterii debitate în rețea, în funcție de viteza vântului, este de dorit ca sa se poată regla viteza de rotație a eolienei. Ideea de bază este de a realiza un generator cu frecvență fixă, dar cu viteză variabilă. Generatorul cu viteza variabilă ar permite funcționarea pentru o gama mult mai larga a vitezei vântului, deci recuperarea unei cantități mai mari din energia vântului, reducând în același timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab. În cazul eolienelor cu viteza variabil, sistemul este reglat astfel încât, pentru fiecare viteza vântului, eoliana sa funcționeze la puterea maxim. Este ceea ce se numește Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pentru o anumita viteză de rotație a eolienei, puterea maxima se obține în concordanță cu caracteristica eolienei P(B).

Figure 5.7- Puterea in functie de viteza de rotatie a arborelui masinii [20]

Viteza de rotație se poate modifica în limite largi (într-un domeniu de pâna la 3), prin modificarea frecvenței de alimentare a mașinii. Sistemele eoliene cu viteza variabila ce funcționează conectate la rețea, utilizeaza convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF)

Mașina asincronă cu dublă alimentare (MADA)

Noțiunea de dublă alimentare se referă la faptul că statorul este conectat direct la rețea, iar rotorul este conectat la convertorul static de tensiune și frecvență.

Acest tip de structura se utilizează pentru eolienele de mare putere. Viteza de rotație se poate modifica în gamă destul de mare (de la simplu la dublu). Convertorul static de tensiune și frecvența este bidirecțional, putând asigura deci ambele sensuri de circulație a energiei în rotor. Prin comanda acestuia se realizează reglajul de vitezei controlul puterilor activi reactiva vehiculate între mașina și rețea.

Figure 5.8 – Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincronă cu dublă alimentare

În principiu, viteza se reglează prin intermediul frecvenței de alimentare a înfășurărilor statorice. Bidirecționalitatea CSTF asigură funcționarea atât în zona hiposincronă (sub caracteristica mecanica naturală), cât și în cea hipersincronă (deasupra caracteristicii mecanice naturale) și controlul energiei reactive vehiculate cu rețeaua de distribuție.

Mașina asincrona cu rotor în scurtcircuit

Figure 5.9- Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincrona (MAS) cu rotor în scurtcircuit asociată cu un convertor static de tensiune și frecvență (CSTF) indirect.

Modelul matematic al generatorului asincron studiat

În literatură se întâlnesc mai multe tipuri de modele matematice folosite pentru simularea regimurilor de funcționare și pentru comanda automată a mașinii asincrone. Astfel sunt folosite modele lineare în diverse sisteme de referință ((d,q,0), și (a, b,c)) cât și modele nelineare care țin seama de anumite tipuri de nelinearități [27].

În lucrarea de față s-a folosit, pentru analiza funcționării generatorului asincron (cu rotor bobinat), un model liniar, în coordonate (α,β).

Analiza functionarii mașinii asincrone în regim de generator va ține cont de faptul că avem un cuplu de antrenare ce depinde de pătratul vitezei vântului, de densitatea aerului și de construcția palelor elicei.

Pentru a obține ecuațiile generatorului asincron în coordonate (α,β) plecăm de la ecuațiile generale (în sistemul statoric) ale mașinii asincrone ce functioneaza în regim de generator (primește cuplu mecanic la ax și debitează putere în rețea) [27,28].

(5.1)

(5.2)

(5.3)

Fluxul statoric și respectiv rotoric pot fi scrise în funție de inductivitatea de magnerizare si cea rotorica, respectiv inductivitatea de magnetizare și cea statorică.

(5.4)

(5.5)

Din relațiile (5.4) și (5.5) scoatem fluxul statoric în funcție de fluxul rotoric și îl înlocuim în ecuația de tensine statorică (5.1).

(5.6)

Astfel ecuația (5.1) de tensiune statorica devine:

(5.7)

Ecuațiile de tensiune statorică și respectiv rotorică pot fi rescrise astfel:

(5.8)

(5.9)

Pentru a putea folosi ecuațiile într-un mediu de calcul ingieresc (în vederea realizarii unei simulari sau a unei analize), acestea trebuie prelucrate în funcțiile de cerințele softului ce urmeaza a fi folosit. Astfel în cazul de față știind ca vom utiliza mediul Matlab în combinație cu Simulink aplicăm transformata Laplace derivatelor.

Ecuațiile de tensiune statorică și respectiv rotorică devin:

(5.10)

(5.11)

Se dă factor comun în cele două ecuatii is și respectiv ir și ecuațiile (5.10) și (5.11) devin:

(5.12)

(5.13)

Pentru a realiza trecerea de la coordonatele generale, în sistem statoric, la cele în coordonate (α,β) vom scrie fazorii is și ir ca fiind:

(5.14)

Dupa scrierea fazorilor is și ir pe componente vom desparții partea reală a ecuațiilor de partea imaginară și astfel din cele 2 ecuații de tensiune vom obține 4 ecuații in α, β.

(5.15)

(5.16)

(5.17)

(5.18)

Ecuațiilor de tensiune li se adaugă și ecuația de cuplu, aceasta întregind sistemul ce stă la baza modelului matematic al generatorului asincron, ce urmeaza a fi simulat.

(5.19)

Analiza functionarii generatorului asincron

Simulararea a fost realizată cu ajutorul softurilor Matlab și Simulink, pentu o mașină asincronă trifazată, cu rotorul bobinat, având puterea nominala PN=5.5 kW la turația nominala nN=1500rot/min.

a) Parametrii initiali

Parametrii electrici ai mașinii sunt prezentați în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 – Parametii electrici ai mașinii studiate

Table 5.1

b) Modelul in Matlab-Simulink

Se presupune că generatorul asincron funcționează în paralel cu sistemul energetic de distribuție, la nivelul de joasă tensiune, care îi asigură totodată și energia reactivă necesară magnetizării circuitului magnetic al rotorului.

Analiza funcționarii generatorului asincron are la bază sistemul de ecuații de functionare scris în coordonate (α,β) și are ca scop determinarea curenților injectați de generator în rețea.

Pentru a începe construcția modelului generatorului asincron în Simulink trebuie să stabilim necunoscutele sistemului de ecuații folosit, deoarece acestea ne indica numarul de intrari și iesiri ale blocului ce simulează generatorul asincron.

Astfel avem ca marimi de intrare (marimi cunoscute) usα, usβ, urα, urβ și Mantrenare, iar ca marimi de ieșire (necunoscute) avem cei 4 curenți (isα, isβ, irα, irβ), cuplul electromagnetic Me și pulsatia, ω (figura 54). Totodata se pot vizualiza și tensiunile staorice obtinute.

Dupa stabilirea parametrilor de intrare–ieșire se vor implenenta ecuațiile de functionare a generatorului asincron:

(5.20)

În afară de ecuațtiile de funcționare ale generatorului trebuie să ținem cont și de faptul că generatorul funcționează în paralel cu sistemul energetic de distribuție (considerat a fi de putere infinită), dar și de natura receptoarelor din rețeaua în care funcționează generatorul.

Schema completă care modelează ecuațiile de functionare a generatorului asincron este prezentata în figura 5.14.

c) Reprezentarea grafica a marimilor instantanee

În urma rulării programului se va executa secvența din figura 5.14 (care presupune rezolvarea sistemului de ecuații 5.20) și se vor obține formele de undă ale tensiunilor și curentilor la bornele generatorului.

Valoarea tensiunii și intensitatea curentului (la bornele generatorului) depind în cea mai mare masură de cuplul de antrenare (viteza vântului), dar și de parametrii sarcinii conectate la bornele generatorului.

În figura 5.15 sunt prezentate formele de undă ale curentului și tensiunii obținute pentru un cuplu de 16 Nm.

Formele de unda ale curentului (5.5 a) si tensiunii (5.5a) pentru un cuplu de 16 Nm

Scăderea cuplului de antrenare va avea ca efect imediat scaderea valorii tensiunii la bornele generatorului și a curenților injectați în rețea. În figura 5.6 sunt prezentate formele de undă ale curentului și tensiunii obținute pentru un cuplu de 10 Nm.

Figure 5.19 – Forma de unda a tensiunii in cazul functionarii in gol a generatorului

În cazul în care la bornele generatorului nu există consumatori (generatorul functionează în gol), în calculul intervine doar impedanța rețelei, fapt ce are ca urmare creșterea vlorii efective a tensiunii măsurate la bormele generatorului. Forma de undă a tensiunii în cazul funcționarii în gol a generatorului este prezentată în figura 5.7.

d) Comportarea generatorului la salt de cuplu

Variația cuplului de antrenare, în cazul centralelor eoliene, este ceva firesc. Însă acesta variație trebuie controlată riguros, deoarece în cazul unui soc de cuplu (cresterea brusca a cuplului de antrenare) valoarea tensiunii și a curentului debitat de generator în rețea crește destul de mult (în funcție de valoarea cuplului de antrenare) cea ce poate produce deteriorarea sistemului eolian sau perturbarea rețelei la care este cuplat. Formele de undă ale tensiunii ți crentului la bornele generatorului, în cazul unui astfel de soc, sunt prezentate în figura 5.9, și au fost determinate pentru o creștere bruscă a cuplului de antrenare de la 1.3 Nm la 16.014 Nm (figura 5.8).

Figura 5.9 – Formele de undă ale tensiunii (5.9 a) și crentului (5.9 b) în cazul unui soc de cuplu

e) Influenta momentului de inertie al masinii asupra tensiunii si curentilor injectati de generator in retea

În cazul funcționarii mașinii asincrone în regim de generator creșterea momentului de inerție al mașinii ar trebui să aiba ca efect micșorarea duratei proceesului tranzitoriu și deci stabilizarea curenților și tensiunii într-un timp mai scurt.

Pentru a “verifica” aceasta teorie am prezentat in figurile 5.10a si 5.10b formele de unda ale curentilor si tensiuinilor considerand ca J=0.024 Kg∙m2, apoi modificâd, în cadrul parametrilor simularii, momentul de inerție al mașinii de la 0.024 Kg∙m2 la 0.048 Kg∙m2 s-au obținut pentru tensiunile și curenții debitați de generator în rețea formele de undă din figurile 5.11a si 5.11b.

5.10 a – Formele de unda ale curentilor în cazul unui moment de inerție

de 0.024 Kg∙m2

Figura 5.10 b – Formele de unda ale tensiunii în cazul unui moment de inerție

de 0.024 Kg∙m2

Figura 5.11 a – Formele de undă ale curenților în cazul unui moment de inerție de 0.048 Kg∙m2

Figura 5.11 b – Formele de undă ale curenților în cazul unui moment de inerție de 0.048 Kg∙m2

Analizând formele de undă ale curenților și tensiunilor din figurile 5.10 și 5.11, obținute pentru un moment de inerție al mașinii de 0.048 Kg∙m2 (dublu fața de cel inițial) se observă că valorile efective ale curentilor și tensiunilor debitate de generator nu se modifică decât foarte puțin. În concluzie putem spune că formele de undă ale tensiunilor și curenților debitați de generator în rețea depind (în cea mai mare măsură) doar de cupul de antrenare și de parametrii rețelei sau a sarcinii conectate la bornele generatorului, chiar dacă teoretic parametrii debitați de generator în rețea sunt influențați și de momentul de inerție al mașinii.

CADRUL LEGISLATIV PRIVIND ENERGIA EOLIANA

Legislația europeană și a României

Directiva Uniunii Europene defineste sursele regenerabile de energie (SRE) ca fiind: energia eoliana, energia solara, energia geotermala, energia valurilor si mareelor sau tehnologia cogenerarii energiei (producerea concomitenta a energiei termice si electrice), etc., lasand insa la latitudinea statelor membre alegerea acesteia, functie de dezvoltarea pietei interne de energie, urmand ca, dupa o perioada de tranzitie, Comisia Europeana sa propuna adoptarea unor scheme – suport comune. De asemenea, fara a fi afectata fiabilitatea si siguranta retelelor electrice, Directiva 77 specifica faptul ca racordarea si dispecerizarea producatorilor de energie electrica din SRE trebuie sa se faca cu prioritate. Ca urmare, tara noastra a intocmit o serie de acte normative noi privind promovarea de SRE printre care se numara:

legea nr. 318/ 2003 ce creeaza cadrul legal de reglementare pentru desfasurarea activitatilor in sectorul energiei electrice. Politica energetica elaborata de ministerul de resort are in vedere dezvoltarea SRE, cu acordarea de prioritati in alimentarea cu energie electrica a asezarilor izolate;

hotararea 443/ 2003 privind promovarea productiei de energie E- SRE;

HG 890/ 2003 ce identifica tintele (atingerea unui procent de 30% din consumul national brut de energie electrica), obiectivele, programele si sursele financiare pentru implementarea politicii energetice;

HG 1535/ 2003 referitoare la „strategia de valorificare a surselor regenerabile de energie”

legea 143/1999 privind ajutorul de stat ce reglementeaza modalitatile de autorizare, acordare, control, inventariere, monitorizare si raportare a ajutorului de stat in vederea crearii si mentinerii unui mediu concurential normal

Cadrul politicii
Legea energiei regenerabile adoptată în noiembrie 2008 a fost un pas important pentru dezvoltarea producerii energiei eoliene in România, prin introducerea unui certificat (GC) verde in schema pentru producerea de energie electrică din surse regenerabile pentru o perioadă de 15 ani, precum și garanțiile pentru împrumuturi și scutiri fiscale pentru investițiile în energie regenerabilă.
În 2011, legea energiei regenerabile a fost modificată într-un mod pozitiv. Cele mai importante puncte ale legii modificate sunt:
• producătorii de energie eoliene primesc două certificate verzi pe MWh până în 2017. Din 2018, acesta este redus la un singur certificat. Ferme eoliene primesc certificate de 15 ani.

• Valoarea certificatelor verzi, stabilit inițial între 27-55 EUR (35-71.3 USD), vor fi ajustate anual cu indicele de inflatie din zona euro, atât pentru PAC și podea. În 2012, PAC este de 57.67 EUR (74.77 USD).
• Sancțiunile pentru furnizori pentru fiecare certificat neproduse a crescut de la 110 EUR (143 USD) la 115.34 EUR (USD 149,5), în 2012.

Înainte de adoptarea oficială a legii, autoritatea de reglementare energetică elaborată legislației secundare și a legii energiei regenerabile trebuie să așteptați pentru aprobare Comisiei Europene, rezultând în timp întârzieri și incertitudine în piață. În cele din urmă, la 13 iulie 2011, Comisia Europeană a finalizat analiza si aprobate schemei de promovare a E-SRE română. Implementarea a schemei de RES a început la 1 noiembrie 2011.
Următoarele sunt unele dintre cele mai importante revizuiri a Legii 220/2008 în urma examinării CE:
• Introducerea conceptului de supracompensare – în cazul în care Rata internă de rentabilitate (RIR) de o tehnologie RES depășește RIR publicat de către autoritatea națională de reglementare pentru care specifică tehnologie, numărul de certificate verzi pot fi redusă. Pentru vânt, permisă RIR maxim este de 11.99%.
• fermele eoliene mai mari de 125 MW trebuie să notifice individual CE pentru a se califica în cadrul sistemului. Există posibilitatea ca Comisia va decide că cele două certificate verzi / MWh în cazul acestor producători mari este prea mare și că ar putea distorsiona piața. Această revizuire Procesul ar putea duce la întârzieri, atâta timp cât un an, și cauza mare incertitudine pentru instituțiile financiare, publice sau private.
În iulie 2012, unele modificări ulterioare ale legii au fost a introdus, inclusiv:
• accesul garantat la rețea și expediere prioritate;
• Proiectele care au venit on-line înainte de 2013 și a primit Finanțare europeană vor beneficia de tot sprijinul schemă (2 CV / MWh);
• Proiecte de peste 125 MW vor primi 2 certificate verzi / MWh pentru o perioadă de până la 24 de luni în care au nevoie pentru a notifică Comisiei Europene;
• tranzacționarea de certificate verzi are loc trimestrial, în loc de anual, crescând lichiditatea pieței;
• Revizuirea mecanismelor de sprijin a fost amânată pentru 2015 crearea de incertitudine mai mult în cadrul pieței.
Toate aceste schimbări trebuie să fie aprobate de către Comisie. Există unele indicii că câștiga certificate verzi la același timp, ca a primit sprijin din partea UE nu este probabil să fie acceptată.

Subventii pentru energia eoliana

În prezent există două metode de tranzacționare a CV: (i) piața contractelor bilaterale și (ii) piața centralizată.

Aceste piețe coexistă fără ca vreuna dintre ele să aibă prioritate. Producătorii pot tranzacționa separat atât CV alocate, cât și E-SRE corespunzătoare respectivelor CV.

Prețurile pot fi negociate și stabilite la orice valoare între 27 euro și 55 euro, astfel cum vor fi indexate ulterior (întotdeauna calculate la valoarea medie a cursului de schimb stabilit de Banca Națională a României pentru luna decembrie a anului precedent).

CV pot fi tranzacționate doar pe piața din România, până ce țintele naționale prevăzute de Legea 220/2008 sunt atinse. Din perspectivă practică,totuși, chiar și dacă aceste ținte naționale sunt atinse, tranzacționarea pe plan internațional nu este posibilă din cauza lipsei unei platforme international ce ar permite tranzacționarea de CV în alte țări din UE. O anumită armonizare între țările UE care au implementat sistemul de CV ar fi necesară pentru a permite tranzacționarea pe plan internațional. Directiva 2009/28 prevede că statele membre pot hotărî, pe o bază voluntară, să pună în comun sau să își coordoneze parțial schemele naționale de sprijin. România a implementat acest principiu în legislația națională, dar nu a făcut pași pentru a agrea cu un alt stat membru (care a și implementat sistemul de certificate verzi) o schemă de sprijin comună care să permită tranzacționarea între state.

Participanții la piața internă de CV sunt: producătorii de energie regenerabilă, furnizorii de energie și consumatorii care se angajează în mod voluntar în tranzacționarea de CV.

Prețul de tranzacționare pe ambele piețe este negociat și poate fi stabilit între valoarea minimă și cea maximă (27 euro și 55 euro). Nivelul prețului (întotdeauna între valoarea minimă și cea maximă) va depinde de raportul dintre oferta de CV a producătorilor și cererea de CV a furnizorilor de energie (care sunt obligați prin lege să achiziționeze un anumit număr de CV care depinde de cantitatea de electricitate furnizată). Oferta este determinată de cantitatea de energie regenerabilă livrată în sistem (și de capacitatea de energie regenerabilă instalată în România). Cererea este determinată de cantitatea de electricitate furnizată și de cota obligatorie de CV pe care trebuie să o îndeplinească fiecare furnizor. Pe piața de contracte bilaterale participanții negociază și încheie tranzacții în baza unui model de contract de vânzare cumpărare emis de ANRE. Tranzacțiile pe piața centralizată se încheie lunar. Piața centralizată este operată de OPCOM. Participanții la piață, fie pe piața de contracte bilaterale, fie pe piața centralizată, sunt înregistrați în scopul tranzacționării în baza unei cereri transmise OPCOM, conform unei proceduri de înregistrare speciale. Transferul CV (pe oricare dintre piețe) este înregistrat într-un registru special al CV. CV sunt emise de către OTS în baza cantității de energie produsă în luna anterioară.

IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI

Siguranța energiei eoliene

Energia eoliană este o sursă de putere electrică promițătoare pentru că este curată și regenerabilă. Oricum, fiindcă vitezele vântului variază în timpul zilei și al anotimpului, și chiar de la un an la altul, energia eoliană este o resursă cu intermitențe. În locurile cu vânt este obișnuit ca turbinele eoliene să opereze cam 60% din an. Chiar și când operează, vântul poate nu fi îndeajuns de puternic pentru ca turbinele eoliene să genereze la întreaga capacitate. Per total turbinele instalate în locuri cu vânt operează în medie cam la 25-30% din întreaga capacitate. Prin comparație uzinele de cărbune operează la circa 75-85% din întreaga capacitate. Natura intermitentă a energie eoliene nu afectează consumatorii când turbinele eoliene sunt legate la o rețea electrică. Multe turbine eoliene din America de Nord, Europa și o parte din Asia sunt conectate la mari rețele de electricitate. Efectul zilelor fără vânt poate fi compensat prin producția de la alte surse de energie, cum ar fi uzinele de cărbune sau uzinele hidroelectrice care sunt conectate la rețea. Un asemenea sistem ajută asigurarea unor suplimente sigure de energie pentru consumatori. Oamenii care locuiesc în locuri îndepărtate care se bazează pe electricitatea de la turbinele eoliene folosesc adesea baterii sau generatoare de rezervă pentru asigurarea energiei auxiliare în timpul perioadelor fără suficient vânt. Operațional, turbinele eoliene moderne sunt la fel de sigure ca și uzinele convenționale de energie. Cele mai multe turbine eoliene comerciale sunt offline (pentru întreținere sau reparații) mai puțin de 3 % din timp.

Turbinele eoliene sunt de asemenea cunoscute pentru longevitate, multe turbine generează electricitate de la începutul anilor 80. Multe mori de vânt de fermă americane sunt în uz continuu de generații, în timp ce unele mori de vânt tradiționale europene funcționează de aproape 300 de ani.

CONCLUZII

În ultimul deceniu a avut loc o dezvoltare substanțială a utilizarii energiei eoliene și s-au realizat impresionante proiecte de parcuri eoliene.

Tehnologia eoliană este încă în dezvoltare. Turbinele au devenit mai eficiente, puterea lor este în creștere și beneficiază de o electronică de putere inteligentă.

Continua reducere a investițiilor și costurilor de mentenanță ale turbinelor eoliene face ca aceste tehnologii să fie interesante pentru investitori și pentru persoanele care dezvoltă parcuri eoliene.

În ultimii ani trei tendințe majore au fost puse în evidență cu referire la aspectele economice și tehnologice ale conectării la rețea a instalațiilor eoliene:

1. Turbinele au devenit mai mari și mai înalte

2. Costurile de investiții au scăzut

3. Eficiența turbinei a crescut

Tehnologia turbinelor eoliene moderne s-a dezvoltat foarte mult in ultima perioade, dar principiul de bază al turbinei eoliene a rămas aproape neschimbat și constă din două procese de conversie realizate de componentele principale: rotor și generator.

Generatoarele utilizate în construcția centralelor eoliene diferă în funcție de tipul acesteia.

Astfel în centralele eoliene cu viteză constantă se utilizează generatoare asincrone cu rotorul în colivie (SCIG – Squirrel-Cage Induction Generator) , iar în centralele eoliene cu viteză variabilă se utilizează generatoare sincrone (WRSG – Wound Rotor Synchronous Generator sau PMSG – Permanent Magnet Synchronous Generator) sau generatoare asincrone cu rotorul bobinat (WRIG – Wound Rotor Induction Generator)..

În ceea ce privște generatorul asincron, acesta absoarbe, pe la arbore puterea mecanică activă și o transmite, în principal, prin întrefierul generatorului spre stator și de acolo se injectează în rețeaua de alimentare.

Ca în orice proces și în cazul funcționarii generatorului apar pierderi de putere și energie.

Pierderile de putere ce se produc în cazul generatorului asincron sunt următoarele: pierderi mecanice de frecare și ventilație, pierderi Joule în cele două înfășurări (principale și suplimentare) și pierderi în miezul feromagnetic statoric (principale și suplimentare).

Pierderile, materializate sub formă de căldură, se degajă în exterior, după atingerea echilibrului termic al generatorului

Una din marile probleme al mașinii asincrone este reprezentată de energia reactivă necesara magnetizarii miezului feromagnetic global.

În cazul generatorului asincron pentru asigurarea energiei reactive se utilizeaza o sursă locală de energie reactivă. Această sursă este reprezentată de o baterie de condensatoare.

Ansamblul mașină asincronă – baterie de condensatoare, astfel obținut, se numește generator cu autoexcitație.

Energia reactiva necesara magnetizarii circuitului magnetic al generatorului asincron se poate calcula pe baza incercari (ca motor) la mersul in gol sau pe baza bilantului energetic

În cazul generatoarelor asincrone cu rotorul bobinat, pentru a funcționa într-o gamă de viteze care variază de la viteze subsincrone (alunecare pozitivă) la viteze suprasincrone (alunecare negativă) este necesar ca, convertorul de putere să fie bidirecțional. Sistemul de control al unei centrale eoliene cu generator asincron dublu alimentat trebuie sa gestioneze atât puterea reactivă interschimbată de generator cu rețeaua cât și puterea activă generată de centrală.

Capitolul 5 este un început în studiul centralelor eoliene cu mașini asincrone (funcționând în regim de generator), întrucat vizează numai influența cuplului de antrenare, impus de viteza vântului, asupra tensiunilor și curenților injectați de generator în rețea. Un studiu amănunțit presupune atât optimizarea generatorului cât și simularea convertorului de frecvență și tensiune.

Pentru cazul studiat cuplul de antrenare permite încărcarea generatorului la un current de sarcina de 11.2A în primul caz (pentru un cuplu de antrenarea de 16 Nm) și respectiv 8.8A în cel de-al doilea caz (pentru un cuplu de antre nare de 10 Nm). Procesul tranzitoriu durează 0.2 secunde. După terminarea acestuia curenții și tensiunile se stabilizează și turația rămâne constantă.

Valorile curentului și tensiunii măsurate la bornele generatorului depind în cea mai mare măsură de valoarea cuplului de antrenare, care în acest caz este impus de viteza vântului.

Formele de undă ale curenților și tensiunilor depind și de parametrii rețelei și/sau a receptoarelor conectate la bornele generatorului, deoarece aceștia intervin în mod direct în ecuațiile de functionarea a generatorului și implicit si în schema ce modelează funcționarea acestuia.

Ținând cont de faptul că tensiunile și curenții debitați de generator variază în funcție de viteza vântului (cuplul de antrenare) și de parametrii rețelei/receptoarelor aceste nu poate fi conectat direct la rețea. Cuplarea generatorului la rețea se va face prin intermediul unui convertor, care să aducă tensiunea și curenții debitați de generator la parametrii rețelei în care urmează a fi integrat.

Avantaje

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

Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluție foarte bună la problema energetică globală. Utilizarea resurselor regenerabile se adresează nu numai producerii de energie, dar prin modul particular de generare reformulează și modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor. Energia eoliană în special, este printre formele de energie regenerabilă care se pretează aplicațiilor la scară redusă:

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

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

Costul energiei electrice produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanțial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalitățile negative inerente utilizării combustibililor clasici.

În 2004 prețul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime față de cel din anii 1980, iar previziunile sunt de continuare a scăderii acestora deoarece se pun în funcțiuni tot mai multe unități eoliene cu putere instalată de mai mulți megawați.

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

Dezavantaje

Principalele dezavantaje sunt: resursa energetică relativ limitată, inconstanța datorată variației vitezei vântului și numărului redus de amplasamente posibile. Puține locuri pe Pământ oferă posibilitatea producerii a suficientă electricitate folosind energia vântului.

La început, un important dezavantaj al producției de energie eoliană a fost prețul destul de mare de producere a energiei și fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii 25 de ani, eficacitatea energetică s-a dublat, costul unui kWh produs scăzând de la 0,7 euro la circa 0,32 euro în prezent.

Un alt dezavantaj este și "poluarea vizuală" – adică faptul că au o apariție neplăcută – iar altul ar fi faptul că produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări și necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor. Argumente împotriva acestora sunt că turbinele moderne de vânt au o apariție atractivă stilizată, că mașinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele și că alte surse de energie, precum cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, deoarece creează poluare și duc la efectul de seră.

Perspective pentru și dincolo de 2013

Perspectivele pentru sectorul eolian din România pentru 2013 nu arata foarte promițătoare. Interzicerea PPA a redus deja prognoza pentru 2013 la jumătate de la o capacitate nou instalată de la 1.500 MW la 750 MW. Cu toate acestea, cea mai mare îngrijorare în acest moment este o nouă modificare a legii pentru regenerabile anunțat de prim- Ministru ca urmare a lobby energic, de cărbune și industria metalurgică, ceea ce ar reduce capacul CV. Această schimbare a avut un impact dramatic asupra vântului Industria: piața este înghețată, băncile nu oferă finanțare, și tranzacțiile de energie eoliană au fost puse în așteptare, și mai presus de toate, piața certificatelor verzi este mort ca comercianții se așteaptă la o scădere semnificativă a valorii lor. numai fermele eoliene în construcție sunt cele în care lucrează a început înainte de anunțul guvernului în 2012. Această evoluție este, de asemenea, fără îndoială confuz la Uniunea Europeană Comisia: Guvernul român a depus o Cererea oficială de aprobare pentru modificările la legea care a fost aprobat de Parlament în 2012, și în același timpÎn același guvernul se pregătește schimbări dramatice în lege.
Industria de vânt, încercând să mențină status quo-ul, este profund frustrat de situația. Rezultatul final este încă în curs, și orice schimbare va fi supus la o nouă aprobare de Comisia Europeană Comisia. Prin urmare, este probabil ca actuala lege va fi aplicat până în 2014.
Datorită bogate resurse eoliene onshore, eoliană offshore nu este o prioritate în România, deși se așteaptă ca măsurătorile va începe de la site-uri din Marea Neagră în 2014.
Cu intrare de la vantului Energy Association român (RWEA)

BIBLIOGRAFIE

ANEXE