Generator Eolian

GGEENNEERRAATTOORR EEOOLL II AANN CCUU TTUURRBBII NN VVEERRTT II CCAALL PPEE LL AAGG RR MM AAGGNNEETT II CC

BORDAN

! "###$ % % "& % %

GENERATOR EOLIAN CU TURBIN VERTICAL PE LAG R MAGNETIC - BORDAN

(

CUPRINS I.INTRODUCERE .9 II. MEMORIU DE PREZENTARE (M.P.). ..11

2.1 Obiectul Proiectului11 2.2 Surse Regenerabile de Energie ...11

2.2.1 Energia hidroelectric ...11 2.2.2 Energia mareelor,valurilor i a gradienilor termici ai oceanelor11 2.2.3 Energia solar 12

2.2.5 Energia din biomas .12 2.2.5 Energia din biogas....1 2

2.3 Energia Eoliana..12 2.3.1 Densitatea de aer.15 2.3.2 M surarea vitezei vntului..16 2.3.3 Turbulenele.17

2.3.4 Obstacole...17 2.4 Turbine Eoliene....17

2.4.1 Turbine cu ax vertical...17 2.4.2 Turbinele Savonius18 2.4.3 Turbinele Darrieus18 2.4.4 Turbine eoline cu rezisten simpl ..18 2.4.5 Turbine eoliene cu diferen de rezisten ...18 2.4.6 Turbine cu ax orizontal.19

2.5 Generatoare Eoliene.20 2.5.1 Diferenele n comparaie cu generatoarele convenionale.21

2.6 Tipuri de generatoare....21 2.6.1 Generator de inducie21 2.6.2 Generator sincron excitat electric.22 2.6.3 Generator cu reluctan variabil .22 2.6.4 Generator sincron cu magnei permaneni cu flux radial.22 2.6.5 Generator sincron cu flux axial.24 2.6.6 Generator cu flux transversal i turaie variabil ..25

2.7 Instalaia electric a unei centrale eoliene26 2.8 Lag rul de legatur dintre generator i turbin .27

2.8.1 Lag re magnetice active ...27 2.8.2 Lag re magentice pasive...27

2.9 Soluia adoptat 28


)

III. BREVIAR DE CALCUL (B.C.) .29 3.1 Date de proiectare..29 3.2 Proiectare turbin eolian ..31 3.3 Proiectare Lag r Magnetic.33 3.4 Proiectare Generator .. ..35 3.4.1 Calculul magnetic al generatorului ...35 3.4.2 Calculul electric...39 3.5 Avantajele turbinei verticale . 41 IV. CAIET DE SARCINI (CS).4 5 4.1 Caracteristici tehnice i funcionale minimale i obligatorii..45

4.1.1 Cerine de lucru..45 4.1.2 Cerine generale..45 4.2 Cerine tehnice minime ..45 4.2.1 Specificaii tehnice generale...45

4.2.2 Specificatii tehnice invertor . ..45 4.2.3 Specificatii tehnice set de acumulatori. ..46 4.2.4 Specificatiile tehnice ale tablourilor electrice........................................46

4.2.5 Specificatii tehnice supori generator eolian..46 4.3 Alte cerine 46 4.4 Cantit i..47

4.5 Controlul calit ii.48 4.6 M suri de protecie a muncii...49 V. NOTI TEHNIC (N.T.).51

5.1. Destinaia i descrierea produsului51 5.2 Modul de funcionare..51

5.3 Defecte posibile i mod de depanare..52 VI. DOCUMENTA IA ECONOMIC (D.E.).53

6.1 Lista de material..53 6.2. Fi a de manoper direct.53 6.3. Deviz estimative.54

VII. CONCLUZII...55 VIII. BIBLIOGRAFIE...56 IX. ANEXE....57


"#

I.INTRODUCERE

Energie este unul dintre factorii cei mai importani pentru dezvoltarea civilizaiei umane, iar energia eolian i solar are un potenial uria . Pentru conversia energiei vntului se cunosc dou tipuri de turbine, i anume turbine eoliene cu ax orizontal i turbine eoliene axei verticale. Turbinele eoliane cu axa vertical au avantaje fa de cele orizontale, cum ar fi preul de cost redus, palele simplu structurate, instalare i ntreinere u oare, precum i capacitatea de a capta vntul din toate direciile, f r a fi nevoie de un mecanism de direcie.

Aplicarea tehnologiei lag relor magnetice la turbina eolien , practic ntreaga greutate a turbinei este susinut de c tre lag rul magnetic, elimin frec rile din rulmeni, iar costurile de ntreinere sunt reduse, se elimin vibraiile mecanice i reduce zgomotul, se reduce cuplul de pornire, generatorul producnd energie la viteze mici ale vntului.

Energia eolian sau energia vntului, este o form de energie regenerabil . La nceput energia vntului era transformat n energie mecanic , folosit ca mijloc de propulsie pe ap pentru diverse ambarcaiuni iar ceva mai trziu ca energie pentru morile de vnt. Morile de vnt au fost folosite ncepnd cu sec al 7-lea .Hr de per i pentru m cinarea cerealelor. Morile de vnt europene, construite ncepnd cu sec al 12-lea n Anglia i Frana, au fost folosite at t pentru m cinarea de boabe ct i pentru t ierea bu tenilor, m runirea tutunului, confecionarea hrtiei, presarea seminelor de in pentru ulei i m cinarea de piatr pentru vopselele de pictat.

Morile de vnt persane aveau palete f cute din m nunchiuri de trestie, care se nvrteau n jurul unei axe verticale i erau folosite la m cinarea cerealelor. Ele au nceput s fie folosite de per i din secolul al VII-lea .Hr.Primele mori de vnt din Europa au fost construite n sec al 12-lea n nordul Franei i n sudul Angliei, ele s-au r spndit apoi n Belgia, Germania i Danemarca. n Olanda ele au fost folosite pentru a drena zonele ml tinoase pentru a le face locuibile de c tre Jan Leegwater i inginerii danezi care i-au urmat.

Se poate vorbi de utilizarea energiei vntului nc din cele mai vechi timpuri. Istoria acestei tehnologii a consemnat construirea pn n secolul trecut a cteva sute de mii de mori de vnt n Europa. n America (n partea de vest), la nceputul secolului XX au ap rut turbinele de vnt cu pale din oel, utilizate n special pentru pomparea apei. ncepnd cu 1920, sisteme moderne de vnt pentru generarea electricit ii au fost cercetate i construite pe baza unor studii aerodinamice noi. n prezent, tehnologia utiliz rii energiei vntului a ajuns la standarde nalte i se observ o cre tere tot mai mare a interesului pentru aceast tehnologie de exploatare a energiilor regenarabile.

Energie eolian este generat prin transferul energiei vntului unei turbine eoliene. Vnturile se formeaz datorit nc lzirii neuniforme a suprafeei P mntului de c tre energia radiat de Soare care ajunge la suprafaa planetei noastre. Aceast nc lzire variabil a straturilor de aer, produce zone de aer de densit i diferite, fapt care creeaz diferite mi c ri ale aerului. Energia cinetic a vntului poate fi folosit la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Energia vntului reprezint una din alternativele energetice care pot asigura pentru zonele n care viteza vntului este cuprins ntre 712m /s, costuri ale kilowatorei de ordinul de m rime a celor obinute n centralele clasice pe c rbune sau combustibil lichid.

Alegerea acestui subiect Proiectarea unui generator elioan cu flux axial a fost influenat i de starea n care se afl climatul i economia mondial la ora actual , datorit faptului c este o


""

alternativ ieftin i eficient n generarea electricit ii pe plan individual. Sc derea preurilor la magnei permaneni din p mnturi rare i din neodinium ct i a progreselor n electronica de putere au jucat un rol important in dezvoltarea ma inii electrice f r perii colectoare cu flux axial. Aceste ma ini au devenit de curnd foarte eficiente, datorit densit ii de curent mare i a fiabilit ii lor ceea ce a condus la nlocuirea ma inii de curent continuu i eficientizarea ma inii de inducie.

Ma ina electric cu flux axial (MEFA) i ma ina de tip disc este o alternativ atractiv n comparaie cu omologul sau cilindric cu flux radial datorit formei, construciei, a cuplului ridicat i a u urinei de construire. Ma inile electrice cu flux axial sunt deosebit de potrivite pentru vehiculele electrice, pompe, supape, macarale, roboi, generatoare eoliene...etc. Cererea de ma ini electrice cu flux axial ca generator eolian este justificat datorit costului sc zut, a u urinei de construire i a faptului c aceste ma ini cu muli poli funcioneaza efecient la turaii sc zute ceea ce le face ideale la aplicaii n generarea de curent electric cu ajutor vntului pe plan individual. De asemenea s-a implementat un sistem de rotire al turbinei bazat pe lag re magnetice, ceea ce permite pornirea i rotirea la viteze ale vntului mici, eliminnd practic frecarea. Noua tehnologie permite montarea acestor eoliene nu numai n zonele cu vnturi puternice permanente, cum ar fi cele din Dobrogea sau din v ile zonelor muntoase, ci i n alte p ri ale t rii, unde vntul bate n mod normal i pot fi amplasate pe acoperi urile caselor, ntruct nu prezint un risc pentru locuine mai mare dect o anten de satelit. Cu acest nou sistem, eolienele pot funciona chiar n ora e, pot fi folosite n agricultur , unde poate produce energia necesar pompelor de irigaii n fermele izolate, sau pentru a produce energia necesar iluminatului stradal.

Strategia de lucru

a) Analiza consumului mediu de energie pe o perioada determinat de un an; b) Dupa analiz sa trecut la calcularea necesarului de energie pentru a satisface cerina, adic

dimensionarea palelor de colectare a vntului n funcie de puterea generatorului; c) Proiectarea propriu zisa a generatorului, adic alegerea materialului i calcularea num rului de

magnei necesari producerii energiei cerute i dimensionarea statorului i a bobinelor; d) Desenarea pieselor componente la scar pentru o viitoare aplicare practica; e) Analiza costului de proiectare i preului materialelor alese.

Obiectivul acestei lucr ri este proiectarea unui generator eolian cu flux axial cu magnei

permaneni ct mai ieftin posibil i ct mai eficient, care s fie o soluie de producere a energiei electrice pentru casele izolate, ferme izolate, iluminat stradal, sisteme de paz i protecie la obiective izolate, sisteme de monitorizare video a zonelor f r acces la reeaua de distribuie public .


"&

II. MEMORIU DE PREZENTARE (M.P.)

2.1 Obiectul Proiectului

Se va proiecta un generator eolian de mic putere pentru echiparea unei instalaii eoliene destinat aliment rii cu energie electric a unei locuine izolate. 2.2 Surse Regenerabile de Energie nc lzirea climatului global este cauzat de emisia excesiv de gaze cum ar fi CO2 , CH4, NO2, i altele, care afecteaz n mod serios ecosistemul i populaia lumii. Sectorul energetic contribuie cu un procent de 60% din emisia de gaze cu efect de ser , produse prin arderea combustibililor fosili, gazosi etc. Avantajul principal al surselor de energie regenerabile n comparaie cu sursele de energie convenionale l constituie faptul c ele nu emit gaze. n al doilea rnd, sursele de energie regenerabile folosesc resursele naturale nelimitate n timp, cum ar fi energia hidroelectric , energia mareelor, valurilor i a gradienilor termici ai oceanelor, energia solar , energia din biomas , energia din biogaz, energia eolian . n comparaie cu sursele de energie convenional care nu pot funciona pentru todeauna deoarece ele depind de resurse naturale care sunt limitate cantitativ i s-au acumulat n perioade lungi de timp.Un al III-lea avantaj n constituie locul de provenien al sursei de energie, spre exemplu panourile solare se pot amplasa oriunde ziua este lung i turbinele eoliene n orice loc unde sufl vntul, dar petrolul i gazele naturale nu pot fi extrase din orice loc. 2.2.1 Energia hidroelectric

Utilizarea direct a energiei apei a ajuns s acopere aproape 20% (2650 TWh/an) din necesarul global de energie electric . Cel mai ridicat potenial l deine Asia, dup care urmeaz America Latin , Europa, Africa, America de Nord i Oceania.

Centralele hidroelectrice necesit o investiie mare, contrabalansat de costurile mici de exploatare (avnd n vedere dispariia costurilor de achiziionare a combustibilului) i de durata de via a acestora. Centralele hidroelectrice de mic putere (mai mic de 10 MW) n ultimii ani au c p tat un avnt subsubstanial, n UE, la sfr itul anului 2000 capacitatea instalat era de 10.260 MW, lideri n domeniu fiind Italia si Frana. La nivel european, puterea instalat n centrale hidroelectrice reprezint 81% din totalul capacit ii instalate pe surse regenerabile.

2.2.2 Energia mareelor,valurilor i a gradienilor termici ai oceanelor

Puterea grupurilor existente n cazul barajelor n calea mareelor este de aproximativ 240 MW, iar n cazul prelucr rii energie marine este de 250-300 kW. Costurile de instalare i producere se menin ridicate, ceea ce face ca aceast energie s nu fie competitiv deocamdat pe o pia de electricitate. Potenialul energetic al valurilor pentru Uniunea European a fost estimat la 120-190 TWh/an (n larg) i 34-46 TWh/an (aproape de rm). Tehnologia de prelucrare a energiei valurilor este o tehnologie relativ nou , fiind propuse mai multe soluii aflate n diverse stadii de cercetare sau proiectare. Pentru instalaiile aproape de rm i pentru cele aflate n larg a fost estimat un cost specific al investiiei de 1000-1400 /kW (1998). Obinerea energiei electrice prin prelucrarea gradieniilor termici ai oceanelor se bazeaz pe diferena de temperatur existent ntre suprafaa oceanului i un anumit nivel de adncime (aproximativ 1000m). Au fost dezvoltate proiecte aproape de rm (posibilitate simplificat de


"*

racordare la reea) sau n larg (lungimea conductei scurt ). Avantajul principal const n disponibilitatea nelimitat a sursei de energie. Se prognozeaz dezvoltarea pn n 2010 a aproximativ 1000 de centrale bazate pe prelucrarea gradientului termic cu puteri instalate ntre 10-100 MW. 2.2.3 Energia solar

Energia solar poate fi convertit n energie electric prin conversie direct (prin intermediul dispozitivelor statice pentru transformarea radiaiei solare n enrgie electric ) i prin conversie indirect (prin conversia n energie termic a undelor solare sau prin reflectarea i focalizarea c ldurii cu ajutorul colectoarelor solare). n prezent se dezvolat foarte mult producerea de energie electric prin conversia direct a energiei solare n energie electric , n celule fotovoltaice.

Costul energiei electrice produse n instalaii fotovoltaice a putut fi sc zut pna la 10 ceni pe kWh, devenind comparabil cu cel vndut de companiile de electricitate, a a c aceast soluie este eficient n zonele izolate. Sistemele de producere a energiei electrice cele mai dezvoltate sunt sistmele de tip solar farm, solar power towers, cu puteri de pn la 10 MW i parabolic dish system, cu puteri de circa 50 kW. Se estimeaza ca n 2010, puterea instalat n Europa va ajunge la 300 MW (din 3000 MW, la nivel mondial) conducnd la producerea unei cantit i de energie electric de 0.5 TWh/an n Europa i 4 TWh/an pe plan mondial.

2.2.4 Energia din biomas

Se estimeaz c energia coninut n biomasa vegetal de pe p mnt este de 10 ori mai mare dect consumul energetic mondial. Exist 4 surse de biomas : reziduri forestiere, reziduri agricole, reziduri din procesele tehnologice de prelucrare a cerealelor i culturi speciale, destinate utiliz rii drept combustibil. Pentru producerea energiei electrice utiliznd aceast resurs regenerabil , este necesar s coexiste i sa funcioneze mpreun , dou sisteme: cel de furnizare a biomasei, n calitate de combustibil i cel de producere/comercializare a energiei electrice.

Se estimeaz ca n 2010, cantitatea de energie electric produs pe baz de biomas va ajunge la 27 TWh/an n Uniunea European i la 291 TWh/an pe plan mondial.

2.2.5 Energia din biogaz

Biogazul este un rezultat n urma ferment rii materiei organice sub aciunea bacteriilor anaerobe, conine 65% metan i are o putere calorific ntre 17-25 MJ/m3. Este utilizat preponderent pentru producerea energiei termice, dar i a energiei electrice. Dimensiunile grupurilor de producere a energiei electrice nu depa esc 1MW, fiind caracterizate prin costuri investiionale i de exploatare relativ ridicate. Pentru Europa, capacitatea instalat n 2001 era de 1.505 Mw, se prognozeaz s ajung n 2010 la 4.500 MW. De i s-au realizat aplicaii n domeniu, piaa biogazului continu s fie slab dezvoltat .

2.3 Energia Eoliana

Energia vntului mai poart numele i de energie eolian . Acest nume vine din mitologie, de la

Eol, zeul vntului. Energia vntului a fost folosit de c tre oameni din cele mai vechi timpuri, ncepnd cu b rcile i cor biile care se deplasau cu ajutorul vntului, continund cu morile de vnt, cu ajutorul c rora m cinau cereale pentru hran . Generatoarele eoliene au ap rut recent, ni te dispozitive speciale numite turbine eoliene, care capteaz v ntul i transform energia eolian n energie electric . Vntul este definit ca o mi care relativ orizontal a aerului pe suprafaa pamntului, mi care cauzat de soare, mai prcis de rediaiile solare, energia vntului fiind o form indirect a energiei solare. S-a estimat c 1-2 % din radiaiile solare care ajung pe suprafaa p mntului se convertesc n vnt, reprezentnd aproximativ 1.74 pn la 3x1015W, fiind o surs de energie nelimitat .

n general vntul rezult din nc lzirea neuniform a diferitelor p ri ale suprafeei p mntului. Diferena de temperatur cauzeaz diferene de presiune, aerul cald fiind mai usor i se ridic n parile

GENERATOR EOLIAN CU T U

superioare ale atmosferei. Se creeazcare este mai greu va cobor din p Aceast diferen de presiune de-a lungul distandepinde n mod direct de gradientul presiunii. ncp mntului este cauzat de forma planetei.

Energia cinetic din vnt poate fi folositgenera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deaproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe ordar vnturi mai puternice se pot g si la altitudini mai marfolosit extensiv n ziua de ast zi, i turbine noi de vnt se construiesc n toatenergie cu cea mai rapid cre tere n ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternic

La sfr itul anului 2006, capacitatea mondialMW, acestea producnd ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electricfondul incertitudinii politice n principalele pien 2012, la nivel mondial, 44.000 MW de noi capacitpeste 280.000 MW, n mai mult de 80 de la nivel European, pot satisface nevoile de energie electricoameni.

Fig II.1 EvoluChina a instalat n 2012 o capacitate de aproximativ 13.000

Council (GWEC), conducnd pe plan mondialmondial. Conform estim rilor China va ajunge la 140.000 aproape 250.000 MW pn n 2020.

SUA a instalat n 2012 capaChinei cu o capacitate eoliana totalmilioane de case.

Uniunea European a instalatdin gaze naturale, c rbune, sau energie nuclear. treia putere mondial . Romnia i Polonia n 2012, ajungnd la 2.500 i respectiv MW energie eolian n urm torii 10 ani, de aproape 10 ori capacitatea actual

URBIN VERTICAL PE LAG R MAGNE

"+

Se creeaz o suprafa de joas presiune la nivelul solului, unde aerul rece care este mai greu va cobor din p rile nalte ale atmosferei, creend o suprafat de presiune nalt

a lungul distanei se nume te gradient de presiune. Viteza vntului depinde n mod direct de gradientul presiunii. nc lzirea neuniform a diferitelor p

de forma planetei. din vnt poate fi folosit pentru a roti ni te turbine, care sunt capabile de a

. Unele turbine pot produce 5 MW, de i aceasta necesit o vitezaproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe or . Puine zone pe p mnt au aceste viteze ale vntului,

si la altitudini mai mari i n zonele oceanice. Energia eolian zi, i turbine noi de vnt se construiesc n toat lumea, ea fiind sursa de tere n ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din

timp, acest procent crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternice. itul anului 2006, capacitatea mondial a generatoarelor eoliene era de 73

MW, acestea producnd ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electricfondul incertitudinii politice n principalele piee de energie eolian , dezvoltatorii au reun 2012, la nivel mondial, 44.000 MW de noi capacit i eoliane, ajungnd la o capacitate totalpeste 280.000 MW, n mai mult de 80 de ri, dintre care 24 au cel puin 1.000 MW.

satisface nevoile de energie electric rezidenial la peste

Evoluia puterii eoliene pe plan mondial China a instalat n 2012 o capacitate de aproximativ 13.000 MW, potrivit Global

, conducnd pe plan mondial, cu 75.000 de MW, mai mult de un sfert din totalul China va ajunge la 140.000 MW energie eolian

n 2020. capacit i eoliene nsumnd 13.100 MW, r mnnd, totu

Chinei cu o capacitate eoliana total de 60.000 MW, suficient pentru a alimenta mai mult de 14 de

instalat mai muli megawati de energie eolian n 2012 deenergie nuclear. Germania, cu 30.000 MW capacitate eolian i Polonia au ad ugat fiecare aproximativ 900 MW capacit

respectiv 1.900 de MW. Turciei are ca obiectiv de a ajunge la 20.000 torii 10 ani, de aproape 10 ori capacitatea actual .

ETIC - BORDAN

presiune la nivelul solului, unde aerul rece ile nalte ale atmosferei, creend o suprafat de presiune nalt .

e presiune. Viteza vntului a diferitelor p ri ale suprafeei

te turbine, care sunt capabile de a o vitez a vntului de

mnt au aceste viteze ale vntului, Energia eolian este

lumea, ea fiind sursa de tere n ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din

a generatoarelor eoliene era de 73.904 MW, acestea producnd ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electric . Chiar i pe

, dezvoltatorii au reu it s instaleze i eoliane, ajungnd la o capacitate total de

in 1.000 MW. Turbinele eoliene, 450 de milioane de

, potrivit Global Wind Energy mai mult de un sfert din totalul

MW energie eolian pn n 2015 i

mnnd, totu i n spatele , suficient pentru a alimenta mai mult de 14 de

n 2012 dect a f cut-o 30.000 MW capacitate eolian este a

fiecare aproximativ 900 MW capacit i eoliene de a ajunge la 20.000


",

n afar de China, India este cel lalt mare produc tor de energie eolian din Asia, cu o capacitate instalat de peste 18.000 MW, ocupnd locul al cincilea la nivel mondial.

Se crede c potenialul tehnic mondial al energiei eoliene poate s asigure de cinci ori mai mult energie dect este consumat acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafa P mntul (excluznd oceanele) s fie acoperite de parcuri de turbine, presupunnd c terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vnt pe kilometru p trat. Aceste cifre nu iau n considerare mbun t irea randamentului turbinelor i a soluiilor tehnice utilizate.

Noile cerine n domeniul dezvolt rii durabile au determinat statele lumii s i pun problema metodelor de producere a energiei i s creasc cota de energie produs pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto angajeaz statele semnatare s reduc emisiile de gaze cu efect de ser . Acest acord a determinat adoptarea unor politici naionale de dezvoltare a eolienelor i a altor surse ce nu degaj bioxid de carbon.

Trei factori au determinat ca soluia eolienelor s devin mai competitiv : noile cuno tine i dezvoltarea electronicii de putere; ameliorarea performanelor aerodinamice n conceperea turbinelor eoliene; finanarea naional pentru implantarea de noi eoliene.

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

Fig II.2 Resurse consumate pentru producerea energiei electrice

Se estimeaz c instalarea unui kW eolian, cost aproximativ 1000 euro. Progresele

tehnologice i producia n cre tere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constant a preului estimate, preul unui kWh depinznd de preul instal rii eolienei, ca i de cantitatea de energie produs anual. n Germania i Danemarca, investitorii sunt fie mari grupuri industriale, fie particulari sau agricultori. Aceast particularitate tinde s implice populaia n dezvoltarea eolienelor. Energia eolian este perceput ca o cale de diversificare a produciei agricole. n Danemarca, 100 000 de familii dein aciuni n energia eolian . Filiera eolian a permis, de asemenea, crearea de locuri de munc n diverse sectoare, ca cele de producere a eolienelor i a componentelor acestora, instal rii eolienelor, exploat rii i ntreinerii, precum i n domeniul cercet rii i dezvolt rii. Se nregistreaz peste 15 000 de angajai n Danemarca i 30 000 n Germania, direct sau indirect implicai n filiera eolian .


"-

Energia eolian este considerat ca una din opiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vntului fiind imense. Se estimeaz c energia eolian recuperabil la nivel mondial se situeaz la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattor ), ceea ce reprezint de 4 ori mai mult dect consumul mondial actual de electricitate. Viteza vntului este extrem de important pentru conversia energiei eoliene n energie electric . Puterea v ntului care trece perpendicular printr-o suprafa circular este:

2*** 3 rv

Ppr

= (II.1)

P puterea vntului [W] (Watt). - densitatea aerului uscat 1.225 [Kg/m3] (m surat la presiunea atmosferic i la temperatura de 150C) v- viteza vntului [m/s] r- raza specific rotorului [m] Formula arat c putere (P) a vntului masurat n Watt [W], depinde strict de cubul vitezei (v) a vntului masurat n metri pe secund [m/s]. Pe de alt parte, coeficientul puterii descrie acea fraciune a puterii vntului care poate fi convertit de turbin n lucru mecanic. Valoarea teoretic maxim este de 0.593, numit coeficientul lui Betz, dar n practic avem valori mult mai sc zute. 2.3.1 Densitatea de aer

V nturile se formeaz datorit nc lzirii neuniforme a suprafeei Pamantului de c tre energia radiat de Soare care ajunge la suprafaa planetei noastre. Aceast nc lzire variabil a straturilor de aer, produce zone de aer de densit i diferite, fapt care creeaz diferite mi c ri ale aerului. Energia cinetica a vntului poate fi folosit la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Energia vntului de asemenea este supus schimb rilor sezoniere ale timpului.

Energia cinetic a unui corp n mi care este proporional cu masa sau greutatea corpului. Energia cinetic n direcia vntului depinde de densitatea de aer, care reprezint masa pe unitatea de volum. Altfel spus, cu ct aerul este mai greu, cu att turbina va primii mai mult energie. La presiune atmosferic normal i temperatur de 150C greutatea aerului este aproximativ de 1,225 Kg/m3, dar densitatea scade semnificativ odat cu cre terea umidit ii. De asemenea, aerul rece este mai dens dect cel cald. La altitudini mari, presiunea atmosferic este mai mic i aerul este mai puin dens.

Energia cinetic (Ec) a uni corp cu masa (m) i viteza (v) este:

22^vm

Ec*

= (II.2)

Energia cinetic a vntului, ca form de energie primar care se poate converti n energie

electric , poate fi nmagazinat n baterii de acumulatori, sau n energia potenial a apei, pompare ntr-un lac, sau folosirea n procesul de electroliz i ulterior stocat hidrogenul ca alt form de energie. Energia cinetic a vntului poate fi captat i din tuneluri cu diferene de n lime, de exemplu puurile fostelor exploat ri miniere, unde apare un curent de aer foarte mare datorit diferenei de presiune dintre baza i gura puului.

GENERATOR EOLIAN CU T U

Pentru determinarea enrgiei cinetice a vntului vom lua o sec

de colectare a particulelor de aer care trec prin planul descris de A seciunea transversal g grosimea t timpul necesar seciunii de aer pentru a trece prin planul pV volumul seciunii

gAV *= densitea aerului n aceast seciune

Vm

=r

v viteza aerului din seciune tvg *=

2* 2vm

Ec =

gAV *=

2*** 3 TvA

Ecr

=

Pwr puterea degajat de seciunea de aer

2** 3 Av

tEc

Pwrr

==

2.3.2 M surarea vitezei vntului

Viteza vntului se m soar de obicei folosind anemometrcel cu cup , care are o ax vertical nregistrat electronic. De obicei, anemometru este echipat cu o morivntulului. n loc de cupe, anemometrele pot fi echipate cu elicie, dede anemometre sunt prev zute cu unde laser sau ultrasonice care detecteazsau luminii continue reflectat de moleculele de aer. Avantajele anemometrelor el

URBIN VERTICAL PE LAG R MAGNE

".

Fig. II.3 Seciunea de aer utilizat

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

iunii de aer pentru a trece prin planul paletelor turbinei

(II.3) iune

(II.4)

(II.5)

tvg *= Vm *r= (II.6)

(II.7)

iunea de aer

(II.8)

de obicei folosind anemometrele. Cel mai simplu a vertical i trei cupe care capteaz vntul. Num rul de rota

nregistrat electronic. De obicei, anemometru este echipat cu o mori c de vnt care detecteazemometrele pot fi echipate cu elicie, de i nu e ceva obi

zute cu unde laser sau ultrasonice care detecteaz etapa mi de moleculele de aer. Avantajele anemometrelor el

ETIC - BORDAN

iune mare de aer, care are forma paletele turbinei eoliene.

.3)

.4)

.5)

.6)

.7)

.8)

Cel mai simplu anemometru este rul de rotaii pe minut este

de vnt care detecteaz direcia i nu e ceva obi nuit. Alte tipuri

etapa mi c rii sunetului de moleculele de aer. Avantajele anemometrelor electronice l


"(

constituie faptul c acestea sunt mai puin sensibile la nghe. n practic anemometrele cu cup sunt folosite peste tot n special modelele nc lzite electric, astfel pot fi folosite i n zonele reci.

Pentru m surarea vitezei vntului, n industria energiei eoliene calitatea anemometrelor este foarte important . O calibrare s r c cios a anemometrelor provoac ero ri de m sur de 5 10 %. Cea mai buna cale pentru a m sura viteza vntului la o viitoare turbin eolian este potrivirea anemometrului n vrful unui stlp care va avea acea i n lime cu n limea turnului pe care va fi amplasat turbina. n acest fel se evit ero rile de recalculare la diferite n limi.

2.3.3 Turbulenele

Turbulenele se refer la fluctuaiile vitezei vntului pe o scal relativ n timp, tipic mai puin de 10 min. Cauzele generale care le cauzeaz sunt: divergenele cu suprafaa pamntului i efectele termice cauzate de miscarea vertical a aerului. Intensitatea turbulenelor depinde clar de rugozitatea suprafeei p mntului i de n limea suprafeei. De asemenea mai este influenat de comportamentul termic al atmosferei, aerul cald este mult mai turbulent dect aerul rece. Turbulenele scad posibilitatea folosirii energiei vntului eficace pentru turbinele eoliene. Turnurile pentru turbinele eoliene sunt deobicei f cute destul de nalte ca s evite turbulenele cauzate de denivelarile aflate la nivelul solului.

2.3.4 Obstacole

Obstacolele care pot cauza sc derea vitezei vntului semnificativ i creeaz turbulene n vecin tatea turbinei eoliene sunt: cl dirile, copacii, formaiuni stncoase etc. Zona turbulent se poate extinde pn la de trei ori n limea obstacolului. Turbulena este mai pronunat n spatele obstacolului dect n faa lui. Energia vntului este o forma de enrgie regenerabil care este competitiv n comparaie cu energia produs de combustibili fosili din mai multe puncte de vedere. Obinut ca urmare a deplas rii unor mase de aer care pun n miscare paletele unei turbine. n urma cercet rilor efectuate n ultimele dou decenii au rezultat turbine mult mai eficiente, mult mai silentioase i mai sigure. Energia eoliana este folosit cu succes datorit caracterului nepoluant al acesteia i posibitit ii utiliz rii acestei tehnologii ca surs individual de alimentare cu energie electric n zonele rurale ale globului. n acelasi timp extinderea acesteia nu a fost pe att de larg pe ct s-ar fi dorit ca urmare a caracterului intermitent al fluxului i al vitezei variabile a vntului.

Pe plan mondial, la sfr itul anului 2002, puterea eolian instalat era de 32.037 MW, fiind operaionale aproximativ 61.500 de turbine eoliene. n Europa, din totalul de 223.832 MW instalai, aproximativ 12.000 MW sunt instalai n Germania i 5.042 MW n Spania.

2.4 Turbine Eoliene

Turbinele eoliene transform energia vntului n electricitate, dar ca i toate tehnologiile,

turbinele sunt de toate mrimile i formele. Exist dou clase mari de turbine de vnt: cu ax orizontal i cu ax vertical.

2.4.1 Turbine cu ax vertical

Aceast categorie include turbinele eoliene la care direcia axelor este n unghiul potrivit direciei vntului. Funcionez la fel de bine indiferent din ce direcie vine vntul. Se disting dou tipuri de turbine cu ax vertical: turbinele Savonius i turbinele Darrieus.


")

Darrieus Evence cu ax orizontal Savonius Fig.II.4 Diferite tipuri de turbine

2.4.2 Turbinele Savonius

Un nou model de turbine cu ax vertical este numit Savonius. Cupele montate lateral capteaz vntul i cauzeaz o miscare vertical . Turbina Savonius are avantajul c poate funciona la fel indiferent de direcia v ntului. Oricum, acest tip de turbin are eficien sc zut , n jurul valorii de 14%. Aceast eficien nu scade rapid, odat cu variaile vitezei.

2.4.3 Turbinele Darrieus

O versiune foarte sofisticat a turbinelor cu ax vertical sunt turbinele Darrieus, caracterizate de forma literei C a paletelor rotorului. De obicei sunt construite cu dou sau trei palete. Acest model are o eficien destul de ridicat de pn la 32%.

2.4.4 Turbine eoline cu rezisten simpl

Pricipiul de funcionare a turbinelor eoliene cu rezisten simpl se bazeaz pe aciunea forelor de rezisten aerodinamic a palelor, care pot fi drepte sau curbate, f r un profil aerodinamic. n general, este necesar orientarea dupa direcia vntului,ns exist i unele variante care nu necesit orientare. Turbinele de acest tip se caracterizeaz printr-un coeficient de putere relativ mic. Sunt dou categorii de turbine eoliene cu rezisten simpl : a.Turbine eoliene cu ecran b.Turbine eoliene cu pale batante

2.4.5 Turbine eoliene cu diferen de rezisten La aceste tipuri de turbine momentul motor se produce datorit diferenei forelor de rezisten

aerodinamic a palelor. Forma palelor trebuie astefel aleas , ncat raportul coeficienilor de rezisten aerodinamic corespunzatoare celor dou fee a palei s fie ct mai mare. Astfel, forma palelor poate s fie semisferic , semicilindric sau cilindru parabolic. n general, coeficientul de putere al acestor tipuri de turbine este mai mic dect al turbinelor cu traciune simpl . Daca se utilizeaz diferite ecrane i turbina funcionaz intubat , coeficientul de putere cre te sensibil. Exist i unele soluii constructive la care palele au o form aerodinamic curbat , utiliznd att fora de rezisten ct si fora de portan aerodinamic prin care se obine o cre tere a coeficientului de putere i a viteze specifice care are valori cuprinse intre 0,3 i 0,6.

Turbinele eoliene cu diferena de rezisten cuprind mai multe categorii: a) Turbina eolien cu cupe. b) Turbina eolian cu cupe i geometrie variabil . c) Turbina eolian tip Savonius. d) Turbina eolian tip Lebost. e) Turbina eolian cu flux transversal.


2.4.5.1 Ma ini eoliene cu

Fig. II.6 Turbine cu diferen de rezisten

Caracteristica principal a acestor ma ini eoliene este variaia ciclic a unghiului de inciden . Variaia ciclic a incidenei exist si la celelalte tipuri de ma ini. Dar nu este un factor determinant al principiului de funcionare a acestora. La ma inile cu inciden variabil momentul motor se produce, n general, sub aciunea componentei tangeniale a forelor aerodinamice.

Exist doua tipuri de ma ini eoliene cu inciden variabil : a) Ma ini eoliene cu inciden controlat b) Ma ini eoliene cu inciden necontrolat

2.4.6 Turbine cu ax orizontal Sunt cele mai des intlnite. n zilele noastre toate turbinele eoliene comerciale construite au

rotorul cu ax orixontal. Scopul rotorului la turbinel cu ax orizontal este de a converti mi carea liniar a vntului n mi care circular pentu a pune n mi care generatorul.


&"

Fig. II.8 Turbine cu ax orizontal n funcie de numarul de pale se disting: Turbine cu num r mare de pale Turbine cu trei pale Turbine cu dou pale Turbine cu o singur pal

Fig.II.9 Tipuri de rotoare n funcie de numrul de pale

2.5 Generatoare Eoliene

n zilele noastre aproape toate instalaiile eoliene au puterea de funcionare de ordinul KW sau

mai mare, folosind generatoare standard cu turaii cuprinse ntre 750 - 1800 rpm. Viteza turbinei este mult mai sc zut dect viteza generatorului , de obicei cuprins ntre 20 60 rpm. Marea majoritate a turbinelor eoliene folosesc un multiplicator de turaie, situat ntre turbin i generator. O alternativ este folosirea generatoarelor de turaie foarte mic . Acest tip de generator poate fi conectat direct pe axul turbinei.

Fig. II-10. a) Instalaie eolian standard b) Instalaie eolian cu genratorul

conectat direct la axul turbinei Avantajul generatoarelor de turaie mic conectate direct pe axul turbinei sunt: costul energiei

electrice produse i zgomotul produs sunt foarte reduse. Reducerea zgomotului poate fi extrem de important cnd amplasarea turbinei eoliene se face n apropierea zonelor locuite. Motivele pentru care costul energiei produse este mai sc zut sunt:

scad pierderile de energie prin conversie

/

0 1 1


&&

mbun t esc disponibilitatea turbinelor eoliene Lund n considerare toate aceste motive rezult un tip eficient de generator, dar necesit o

construcie raional i o bun optimizare.

2.5.1 Diferenele n comparaie cu generatoarele convenionale Teoretic, diferena dintre tipul generatorului al turbinlor cu multiplicator de turaie i cele

legate cu generatorul conectat direct nu difer prea mult. Cea mai important diferen este aceea c turaia generatoarelor cuplate direct la turbin necesit un cuplu mult mai ridicat.Aceast diferen este foarte important , deorece m rimea i pierderile generatoarelor de turaie redus depinde de rata cuplului mai mult dect rata puterii. Spre exemplu un generator de 500 kW i 30 rpm pentru o turbin eolian are acea i rat a cuplului ca i un generator de 5 MW i 3000 rpm.

Din cauza cuplului ridicat, generatoarele cuplate direct la turbin sunt de obicei mai grele i mai puin eficiente dect gneratoarele convenionale. Pentru a cre te eficiena i a reduce greutatea p rilor active ale generatorului, el va fi proiectat cu un diametru ridicat. Pentru a sc dea greutatea rotorului i a jugului statoric i pentru a p stra pierderile vntului mici, generatoarele se vor proiecta cu un pas polar mic.

2.6 Tipuri de generatoare

Foarte multe tipuri de generatoare au fost propuse pentru a fi utilizate prin conectare direct la

turbina eolian . Generatoarele ce vor fi prezentate n continuare pot fi legate direct la reea sau cele cu vitez variabil se pot conecta la reea prin intermediul unor convertoare de frecven . Generatoarele pot fi mp rite n generatoare excitate electric i generatoare cu magnei permaneni excitate. Generatoarele excitate electric prezentate sunt:

Generator de inducie Generator sincron excitat electric Generator cu reluctan variabil Generatoare cu magnei permaneni: Generator sincron cu flux radial Generator sincron cu flux axial, cu stator toroidal sau cu stator dublu (cu dou p ri) Generator cu flux transversal

2.6.1 Generator de inducie

n 1991 Gribnau i Kursten i n 1992 Deleroi au prezentat generatoru de inducie care poate fi conectat direct la turbina eolian i direct conectat la reea, prezentat n fig.


&*

a) Vedere axial complet a generatorului b) Vedere tangenial a p rilor active ale generatorului Fig.II.11 Generator de inducie cu flux axial.

Generatorul cu flux axial prezentat are o singur nf urare statoric pe circumferin . El are un

diametru mare pentru a acapara o priz mare de aer, dar din moment ce segmentul statorului este fixat pe turnul turbinei eoliene, structura este simpl . Deoarece este un generator de inducie cu o bun alunecare, ungerea generatorului nu constituie o problem pentru proiectare, chiar dac este cuplat direct la axul turbinei. Acest tip de generator a fost proiectat de o companie Olandez , dar se g sesc foarte puine informaii despre el. Versiunea de 500 kW care are n diametru aproximativ 9 m i o turaie de 40 rpm a fost prezentat de Gribnau i Kursten n 1991. Eficiena a fost estimat n jurul valorii de 80 85 %. A mai fost construit i testat un prototip de generator cu puterea de 150 kW. ns eficiena acestui prototip a fost mult mai sc zut de numai 65 %.

2.6.2 Generator sincron excitat electric

Att turbinele eoliene comerciale ct i cele cu generatorul cuplat direct la turbin folosesc generatore sincrone electric excitate, cu convertoare de frecve . Acest tip de generatore au acela i principiu de funcionare ca i generatoarele hidroelectrice. Se g sesc foarte puine informaii despre acest tip de generatoare. Unul dintre aceste modele de generatoare a fost construit n 1994 i avea o putere de 500 kW i turaia de 40 rpm. Diametrul era apoximativ de 4m i fregvena generatorului mai mic de 50 Hz. Acest tip de generator a fost folosit n 1996 n mai mult de 600 turbine eoliene.

2.6.3 Generator cu reluctan variabil

n 1994 de Haan prezint generatorul cu reluctan variabil care produce 20 kW la 120 rpm. Generatorul a fost optimizat folosind o metod de proiectare analitic . Calculele elementului finit au fost preluate de la modelul anterior, dar aceste calcule preziceau un cuplu mult mai mare dect la modelul analitic. Partea activ a generatorului este prezentat n figura urm toare:

a) Vedere tangenial b) Vedere axial Fig.II 12 Generator cu reluctan variabil .

2.6.4 Generator sincron cu magnei permaneni cu flux radial n 1992 Spooner i Williamson au analizat flexibilitatea generatoarelor conectate direct la

turbin i la reea. Scopul generatoarelor sincrone cu magnei permaneni cnd sunt conectate direct la reea este de a avea o vitez constant . Rotorul format din magnei cu un cmp magnetic ridicat a fost foarte bine cercetai la fel ca i magneii din ferite, urm rindu-se concentraia fluxului magnetic. Aceste dou tipuri de generatoare sunt prezentate n figurile 2.5.4a i 2.5.4b. Statorul are o construcie convenional , dar cu un pas polar foarte mic, aproximativ 40 mm, avnd frecven de funcionare de 50 Hz f r s aib un diametru mare.

20 3454


&+

nfasurarea este trifazat , mparit n mai multe crest turi, dar mai puin de o crest tur pe pol i faz . Spooner i Williamson au ar tat c generatoarele cuplate direct la turbin i legate direct la reea pot fi concepute cu un diametru mic dac se utilizeaz excitaia cu magnei permaneni. Amndoau tipuri de rotoare pot fi realizate. Diferena dintre ele este c generatorul cu magnei din ferite, au concentraia fluxului rotoric mai greoaie i sunt mult mai complicate dar conduc la un generator mai mic cu o rat mai ridicat a eficienei. Generatoarele cu magnei permaneni i cu flux radial, cu stator proiectat modular, a fost prezentat de Spooner n 1994.

a) Vedere tangenial b)Vedere axial Fig.II. 13 Generator cu magnei permaneni cu flux radial

a) Vedere tangenial b)Vedere axial Fig. II. 14 Generator cu magnei din ferite cu flux radial i concentrat Sunt menionate dou probleme a modelelor propuse. Prima, variaia fluxului armonicii

inferioare din crest tura fracional a nf ur rii este considerat o problem , deoarece ele pot conduce la pierderi adiionale. n al doilea rnd trebuie evitate nf ur rile paralele. Motivul pentru acest lucru este c polii pot genera variaii de tensiune i conduc la circulaii de cureni ntre nf ur rile paralele. Au fost construite prototipuri de generatore de acest fel ns aveau o putere prea mic . Ele au demonstrat c doar cu 0.75 crest turi/ pol i faz pot genera o tensiune sinusoidal dintr-un flux

20 3454

/006

20

20

3454

/006

7

8

/


&,

nesinusoidal i metoda folosit pentru concentraia fluxului poate utilizat pentru a gnera o densitate mare de flux din magnei de enrgie mic .

n 1996 Westlake a adus n discuie un sistem de amortizare mecanic pentru generatoarele conectate direct la reea. Generatoarele eoliene conectate direct la turbin i legate direct la reea trebuie s aib neaparat un pas polar foarte mic dac diametrul nu este mare. Sistemul de amortizare mecanic se pare a fi suficient, dar poate fi complicat i costisitor pentru a construi generatoare de putere mare.

n 1995 Lampola a prezentat un model de generator cu flux transversal cu magnei permaneni de 500 kW. Generatorul arat la fel ca i cel din fig 2.5.4a doar c nu este proiectat pentru a fi legat direct la reea. El a fost calculat n detaliu folosind metoda elementelor finite. Unda cuplului i pierderile n rotor sunt minime folosind un pas polar de 1.5 crest turi per pol i faz . Generatorele cu magnei permaneni au fost comparate cu generatoarele de inducie conectate direct la turbin . Generatoarele de inducie s-au dovedit a fi mult mai grele i mai puin eficiente dect generatoarele cu magnei permaneni. n alt lucrare Lampola a ar tat influena grupului redresor asupra ratei de putere a generatoarelor i eficienei lor. S-a demonstrat c puterea i eficiena sunt mai mici dac generatorul se conecteaz la reea prin intermediului unui redresor cu diode dect dacac ar fi conectat cu ajutorul unei instalaii de alimentre cu tensiune sinusoidal .

2.6.5 Generator sincron cu flux axial

n 1991 Honorati i Di Napoli iar n 1992 Carrichi au propus generatorul sincron cu magnei permaneni i cu flux axial. Aceste tipuri de generatore arat ca i n figurile urm toare:

a) Vedere tangenial b) Vedere radial

Fig. II. 15 Generator cu flux axial, cu nf ur ri toroidale ale statorului i magneii montai pe dou rotoare.

20

3454 /006 20


&-

a) Vedere tangenial b) Vedere radial Fig.II. 16 Generator cu flux axial i cu stator dublu

Au fost construite dou prototipuri de generatoare de acest fel avnd o putere de aproximativ 1

MW i funcionnd la o turaie de 100 rpm, prea mare pentru o turbin eolian de 1 MW. Datorit turaiei ridicate, generatorul are o eficien ridicat i o greutate sc zut . n 1993 Alatalo i Stevensson au propus un tip de generator sincron cu magnei permaneni i cu flux axial, cu statorul format din dou pari. Generatorul este prezentat n figura 2.5.5b. Prototipul de 5 kW este prezentat de Alataro n 1991. Acest tip de generator are greutatea sc zut pentru nu are jug rotoric dar greutatea magneilor este mare pentru c se folosesc nf sur ri ntrefier.

2.6.6 Generator cu flux transversal i turaie variabil

n 1988 Weh a propus acest tip de generator care se poate conecta direct (f r multiplicator de turaie) la turbinele eoliene. Generatorul este cu doua faze i este magnetizat de magnei permaneni cu flux magnetic concentrat. Deorece generatorul este bifazat, el nu poate fi conectat direct la reeaua de alimentare. n schimb, este conectat la un redresor de alimentare a unui invertor trifazat. Acest tip de generator este proiectat pentru ferecvene cuprinse ntre 100 200 Hz. Generatorul cu flux transversal are un raport ridicat al forei pe greutate, dar unul dintre dezavantaje l constituie structura complex .

Dac generatorul se conecteaz la un redresor cu diode, densitatea forei este mic pentru a putea obine o surs de tensiune sinusoidal din cauza inductanei mari. Dac este conectat la un redresor cu comutaie forat , generatorul cu flux transversal este capabil s produc o densitate mai mare de for dect generatoarele convenionale. n figura urm toare se v-a prezenta generatorul monofazat cu flux transversal.

a) b)

a) Vedere tangenial b) Vedere axial

Fig. II.17 Generator monofazat cu flux transversal cu stator format din dou p ri.

20

3454

/0 06

/

20

3454

/006

/

94

94


&.

Fiecare faz are statorul dublu cu nf ur ri circulare pe toat circumferina generatorului. Au fost construite un num r mare de generatoare cu flux transversal, un exemplu, pentru o turbin eolian este un generator de 5.8 kW la 195 rpm de Weh n anul 1988. Un generator de 55 kW la 78 rpm a fost prezentat n comparaie cu un generator convenional tor de Weh. S-a demonstrat c greutatea generatorului de 55 kW a fost redus la jum tate folosind modelul cu flux transversal nlocuind generatorul de inducie conectat cu ajutorl unui multiplicator de turaie. 2.7 Instala ia electric a unei centrale eoliene

Sistemul electric standard pentru turbinele eoliene cu turaie fix este un generator de inducie

cu colivie conectat direct la reeaua de alimentare. Pentru a reduce cererea de putere reactiv , se instaleaz o baterie de condensatoare pentru a compensa golurile de curent ale generatorului. n plus este instalat un echipament cu tiristoare, automat, folosit pentru a reduce supracurenii. Pentru turbinele eoliene cu vitez variabil , sunt posibile foarte multe soluii diferite pentru sistemul electric. Dezvoltarea componentelor semiconductoare folosite n convertizoarele sistemului electric au progresat foarte rapid. Puterea nominal convertizoarelor a crescut mult, ca rezultat au sc zut preurile. n plus, au fost introduse redresoarele cu comutaie forat cu timpi de comutaie foarte sc zui.

Sistemul electric al turbinelor care funcioneaz cu vitez variabil conine trei mari componente: generatorul, redresorul i invertorul (fig.1.5). Sistemul poate fi mp rit n dou subsisteme: regresor-generator i invertor-reea. Fiecare subsistem are cel puin dou dispozitive alternative diferite.

Fig.II. 18 Sistemul electric pentru turbinele eoliene cu vitez variabil de funcionare. Sunt folosite dou clase mari de generatoare: fiecare conin generatoare sincrone (SG) sau de inducie (IG). Cele cu generator sincron pot folosi i metoda excitaiei: cu magnei permaneni sau cu nf ur ri. Un model relativ nou de generator cu reluctan variabil a fost conceput, dar din p cate are un cuplu mare. Varianta comun este folosirea nf ur rilor, pentru c au avantajul controlului tensiunii pe cele trei faze; dac terminalul tensiunii este fix, poate fi controlat puterea reactiv produs . n ultimii ani, costurile ridicate a magneilor permaneni cu eficien ridicat au mai sc zut i generatoare cu magnei permaneni au devenit o alternativ interesant n comparaie cu generatoarele tradiionale. Cnd folosim magnei permaneni, pierderile generatoarelor devin mult mai mici. Oricum, nivelul de tensiune este proporional cu turaia. Generatorul sincron poate fi conectat la un redresor cu sarcin n comutaie, redresor cu diode sau redresor cu tiristori. Se observ c controlul sursei convertizoare de tensiune necesit o relaie de leg tur de tensiune continu la tensiunea generatorului pentru a funciona adecvat. Generatoarele de inducie necesit putere reactiv pentru a funciona. De obicei utilizatorii de generatoare de inducie folosesc surse convertizoare de tensiune, care produc putere reactiv . O alt posibilitate este folosirea resresoarelor cu diode sau cu tiristoare mpreun cu o baterie de condensatore, care acoper necesarul de putere reactiv . Din p cate, puterea reactiv variaz o dat cu viteza vntului i dac bateria de condensatoare nu a fost dimensionat corect performanele sistemului vor fi foarte sc zute. Invertoarele sistemului sunt conectate direct la reeaua de alimentare. n locul

/

4 18

80


&(

invertoarelor cu tiristoare mai pot fi folosite i sursele convertizoare de tensiune (VSC). Ele pot funciona i ca redresor i ca invertor. n unele cazuri este necesar introducerea unor convertizoare (DC/DC) pentru a ridica nivelu tensiunii pentru sursele convertizoare de tensiune. Diferitele combinaii ale sistemului electric pot fi observate n figura urm toare.

Fig.II.19 Diagrama pentru diferite tipuri de sisteme electrice a turbinelor cu turaie variabil .

2.8 Lag rul de legatur dintre generator i turbin

2.8.1 Lag r cu magnei permaneni i lichid magnetic Tehnologia suspensiei magnetice aplicate pentru turbine eoliene este o tehnologie n curs de

dezvoltare. Ea a schimbat n mare m sur designul turbinelor eoliene. Lichidele magnetice (ferofluidele) sunt dispersii de particule magnetice subdomenice ( 10 nm) ntr-un lichid de baz . Num rul acestor particule este foarte mare, o valoare de referin fiind 1023 particule pe metru cub. Aceste lichide magnetice au propriet ile uzuale ale lichidelor, dar n plus se comport ca un material puternic magnetizabil. Primele lichide magnetice au fost preparate n 1960 la NASA, n cadrul cercet rilor de tehnologie spaial , pentru a pune la punct un sistem de curgere controlat a combustibililor fluizi n condiii de imponderabilitate.

Sintetizarea i studiul sistematic al propriet ilor lichidelor magnetice a fost nceput n grupul de cercetare al lui R.E.Rosensweig din SUA. Termenul de ferofluid propus de Rosensweig s-a ncet enit i n literatura de specialitate. Studiul asupra lichidelor magnetice a evideniat o serie de fenomene senzaionale, care fac posibile noi soluion ri ale problemelor din tiin i tehnologie. ncepnd din 1970 au fost impulsionate cercet rile legate de obinerea, microstructura, propriet ile, magnetohidrodinamica i aplicaiile lichidelor magnetice, ele fiind azi folosite n numeroase dispozitive i tehnologii: n tehnica spaial , energetica nuclear , electrotehnic , geofizic , medicin , prelucrarea minereurilor neferoase.

n vederea prepar rii unor lichide magnetice performante, de-a lungul anilor au fost experimentate i dezvoltate numeroase procedee fizice i fizico-chimice specifice din domeniul coloizilor. Aceste procedee se disting n funcie de modul de obinere a nanoparticulelor magnetice: reducerea mecanic a dimensiunii unor materiale feri- sau feromagnetice pulverulente grosiere (m cinare coloidal ); descompunerea termic a carbonililor de Fe sau Co; electrodepunere (electroliz ); metode cu plasm (evaporare/electrocondensare); coprecipitare chimic , adic obinerea nanocristalelor magnetice prin condensare chimic .

1

8

80

:0


&)

\ Fig.II.20 Lag r cu lichid magnetic (LM)

Principalul avantaj al lag rele cu lichide magnetice fa de lag rele obi nuite, l constituie

eliminarea frec rii de contact dintre piesele lag rului. Funcionarea unui lag r cu lichid magnetic are la baz principiul levitaiei magnetice. Levitaia magnetic poate fi de dou feluri: de ordinul 1 i respectiv de ordinul 2.

Levitaia magnetic de ordinul 1 se produce n cazul imers rii unui corp alc tuit din material de natur magnetic ntr-un lichid magnetic n care este stabilit (din exterior) un cmp magentic. De i densitatea corpului este mai mare dect cea a lichidului magnetic, efectul ce se manifest asupra acestuia este deplasarea sa pn la atingerea unei st ri de echilibru, echilibru ce se realizeaz de c tre un cmp tridimensional de fore. Greutatea (aparent ) a corpului este echilibrat de rezultanta unor fore de tip magnetic. Levitaia magnetic de ordinul 2 se refer la autolevitaia unui magnet permanent imersat (n anumite condiii) n lichide magnetice. Denumirea de autolevitaie este sugestiv i potrivit , c ci sursa de cmp este n acela i timp i elementul asupra c ruia se manifest i fenomenul de levitaie magnetic . n situaia n care magnetul (n form cilindric , spre exemplu) este imersatsat ntr-un lichid magnetic ce ocup o incint cilindric de extensie foarte mare, cmpul magnetic pe care-l creeaz este dispus simetric fa de el i magnetul se afl n echilibru, din punct de vedere al forelor magnetice. Dac ns magnetul este deplasat din punctul ce asigur simetria cmpului i spectrul cmpului devine nesimetric, intensitatea cmpului magnetic devine mai mare n zonele mai ndep rtate de fostul centru de simetrie. n baza aceleia i concluzii, menionat la levitaia de ordinul 1 (conform c reia presiunea de natur magnetic pe care lichidul o exercit este cu att mai mare cu ct cmpul este mai intens), vom constata existena unor fore ce tind s readuc magnetul n punctul iniial.

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

2.8.2 Lag re magnetice active Lag rele magnetice active operez n modul de atracie. Au avantajul de a suporta greut i mari iar

vibraiile i absoria ocurilor se poate regla electronic. Dezavantajul care l prezint aceste lag re este c sunt foarte scumpe i necesit sisteme complicate de control cum ar fi, aparate de procesare a semnalului digital, amplificatoare, convertoare digital-analog si analog-digital, software. De asemenea acestea sunt cu ax vertical si cu ax orizontal.


*#

2.8.3 Lag re magentice pasive Lag rele magnetice nu necesit harware-ul care este necesar ca lag rele magnetice pasive s

funcioneze, deci, preul lor este mult mai sc zut. Pot sa fie construite la dimensiuni mai mici i au o rigiditate i amortizare mai mic dect cele active iar controlul vibraiilor nu poate fi folosit. Pentru ca un lag r magnetic s fie funcional (s funcioneze n parametrii) trebuie s aib o rigiditate i o amortizare a ocurilor suficient de bun . Lag rele magnetice pasive sunt cu ax vertical i orizontal.

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

2.9 Solu ia adoptat

Plecnd de la tema de proiectare am ales soluia cu un generator eolian cu magnei permaneni. Puterea i tensiunea le-am ales n faza de proiectare plecnd de la necesarul de consum de energie a unei locuine isolate. Sistemul de fixare i rotire, pentru a elimina pierderile prin frecare i vibraiile mecanice i pentru o pornire i rotaie la vitez sc zut a vntului, l-am ales pe lag r magnetic, livitaie n cmp magnetic. Lag rele magnetice aplicate generatoarelor eoliene sunt un domeniu de studiu relativ nou, eu am aplicat soluia cu magnei permaneni. Turbina are un design dublu helix, forma geometric care se comport cel mai bine n condiii de diferene mari ale variaiei curenilor de aer, n acela i timp nefiind necesar montarea dispozitivului de scoatere din vnt.


*"

III. BREVIAR DE CALCUL (B.C.)

3.1 Date de proiectare

Tab. III.1 Calcul consum energie. 4.615 kWh/zi Procent 62.21.68 kWh/zi Procent 22.64

Total 7.42 kWh/zi Procent 100

Putere W Ore/zi Ore/luna Buc kWh/zi20 5 150 8 0.813 5 150 5 0.325

Putere W Ore/zi Ore/luna Buc kWh/zi150 5 150 3 2.25

1500 0.5 15 1 0.75Frigider 200 5 150 1 1Aspirator 800 0.3 9 1 0.24

750 0.5 15 1 0.375

Comunicatii Putere W Ore/zi Ore/luna Buc kWh/ziTV color 25" 200 4 120 1 0.8CD player 40 2 60 1 0.08

100 4 120 2 0.8

Jacuzzi

ElectrocasniceComunicatii

IluminatEconomicFlourescent

ElectrocasniceVentilatorCuptor cu microunde

Laptop

Se pleac de la consumul tipic de energie electric a unei locuine izolate (caban ).

Pe an am avea nevoie de o energie electric de:

kWhEE zian 270842,7365365 === (III.1) Din tabelul III.2 n care se prezint energia electric produs de o turbin de mic putere din comer rezult c pentru o vitez medie a vntului de 6 m/s este suficient o turbin eolian de putere 1 kW, care produce anual circa 3000 kWh/an.


*&

Tab. III.2 Puterea turbinelor n funcie de viteza vntului

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

Tabelul III.3 Date de proiectare

Nr. crt

Denumire Simbol Valoare Unitate Masura

Obs

1 Putere Nominal Sn 1000 W 2 Tensiune Nominal Un 48 Vcc 3 Curentul Nominal In 12 Acc 4 Turaia Turbinei n 200 rpm

n figura III.1 se prezint schema general a sistemului eolian de proiectat.


**

Se proiecteaz doar generatorul, urmnd ca palele rotorului turbinei s fie cump rate de la o companie produc toare de pale. 3.2 Proiectare turbin eolian Din expresia puterii electrice a turbinei eoliene:

hr

=2

3vsCP pn (III.2)

Se calculeaz seciunea de vnt din baleiata de elice:

hr

= 32

np

n

vCP

S (III.3)

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

23 4.66.0103.14.0

10002mS =

= (III.4)

Fig III.1 Tipul turbinei eoliene.


*+

Fig. III.2 Vedere ansamblu turbin Specificaii tehnice:

Materialelul palelor este din fibr de sticl compozit sau PVC care este cel mai des ntlnit material folosit de produc tori;

Recomandat pentru 1000W i mai mult; Tratat cu un material protector mpotriva UV i a apei; Diametrul Palelor : 1m; n limea 2 m; Viteza de pornire: 2.4m/s; Greutate: 100 Kg; Diametrul axului care va susine flan a va fi de 23.4mm.

Turbinele eoliene verticale au avantaje importante care recomand utilizarea lor, n detrimentul turbinelor cu ax orizontal, mai ales n zone cu potenial eolian redus, i anume: produc energie n condiii de vnt redus sau cu caracter turbulent, ofer cuplu mare la pornire i nu necesit mecanisme de orientare. Pentru o exploatare ct mai fructuoas a acestor avantaje este important g sirea unor soluii pentru mbun t irea eficienei acestui tip de turbine.

Designul optim al rotoarelor cu ax vertical, n vederea cre terii coeficientului de performan al acestora, este, nc , n stadiu de cercet ri. Date fiind condiiile eoliene din Romnia, turbinele eoliene cu ax vertical de rotaie, n special rotorul Savonius i diferite variante ale acestuia sunt foarte potrivite pentru generarea de electricitate, dac lu m n considerare parametri de funcionare a acestora i regimul eolian din ara noastr .

Turbinele cu ax vertical au cea mai bun eficien de conversie a energiei eoliene n energie util , n cazul n care viteza periferic a rotorului are valori apropiate de 1, deci dac vrful palei se mi c cu o vitez egal cu viteza curentului de aer.


*,

Figura III.3 Energia anual generat n funcie de viteza vntului

3.3 Proiectare Lag r Magnetic

Fig.

III.4 Detaliu Lag r de susinere a palelor

Am ales soluia proiect rii unui lag r magnetic pentru susinerea turbinei datorit eficienei acestor mecanisme fa de cele convenionale. Reducerea frec rii la o turbin eolian reprezint un avantaj important deoarece aceasta reacioneaz la cea mai mica adiere de vnt. Tipul de magnei


*-

folosii n lag r se pot cumpara de la firma supermagnete(www.supermagnete.de) care produce discuri magnetice la comanda n funcie de cerinele clientului. Astfel am ales un numar de 2 magnei disc de 113mmx5mm care susin greutatea turbinei i un numar de 4 magnei tubulari 2 magnei 38mm, (D=33mm, d=25), 2 magneti (38mm D=42,9mm d=34,9mm) care asigura stabilitatea axului pentru a reduce frecarea pn la 0. Carcasa este constituit din aluminiu de 5mm grosime.

Tabelul III.4 Caracteristici fizice ale magnetului

Calitate Remanenta Camp Corecitiv Produsul Energetic

Temp Max Operationala

Br bHc iHc (BxH)max Gauss (G)

Tesla (T)

kOe kA/m kOe kA/m MGOe kJ/m3 C

N30 10800-11200

1.08-1.12

9.8-10.5

780-836

12 955 28-30 223-239

80

N33 11400-11700

1.14-1.17

10.3-11

820-876

12 955 31-33 247-263

80

N35 11700-12100

1.17-1.21

10.8-11.5

860-915

12 955 33-35 263-279

80

N38 12200-12600

1.22-1.26

10.8-11.5

860-915

12 955 36-38 287-303

80

N40 12600-12900

1.26-1.29

10.5-12.0

860-955

12 955 38-40 303-318

80

N42 12900-13200

1.29-1.32

10.8-12.0

860-955

12 955 40-42 318-334

80

N45 13200-13700

1.32-1.37

10.8-12.5

860-995

12 955 43-45 342-358

80

N48 13700-14200

1.37-1.42

10.8-12.5

860-995

12 955 45-48 358-382

80

N50 14000-14600

1.40-1.46

10.8-12.5

860-995

12 955 47-51 374-406

80

N52 14200-14700

1.42-1.47

10.8-12.5

860-995

12 955 48-53 380-422

80

Tabelul III.5 Magei Permaneni aflai n stoc

Article ID Strength in kg

Diam. in mm

Height in mm

Borehole in mm

Weight in g

CSN-ES-16 5,5 16 4,5 3,5 5 CSN-ES-20 11,0 20 6,0 4,5 11 CSN-10 0,7 10 4,5 3,0 2 CSN-13 3,0 13 4,5 3,0 5 CSN-16 3,5 16 4,5 3,5 5 CSN-20 7,5 20 6,0 4,5 11 CSN-25 17,0 25 7,0 5,5 21 CSN-32 27,0 32 7,0 5,5 37 CSN-40 49,0 40 8,0 5,5 85 CSN-48 87,0 48 11,5 8,5 120 CSN-60 120,0 60 15,0 8,5 250


*.

3.4 Proiectare Generator

Am ales soluia proiectarii unui generator sincron cu magnei permaneni cu flux axial, avnd construcia prevazut n Fig. III.5

Figura III.5 Generator sincron, Vedere lateral :, 1-Rulment ax, 2-Ax, 3-Suport stator, 4-Stator, 5-Suport rotor, 6-Magnei, 7-Disc suport magnei. 3.4.1 Calculul magnetic al generatorului

A. Alegerea tipului de magnei. n tabelul III.4 i III.5 se prezint tipurile de magnei care se pot cump ra din Romnia [1]. Din acest tabel am ales magnetul permanent de tip Q-40-20-10-N din NdFeB cu caracteristicile

magnetice prezentate n Tabelul III.4.

Tabelul III.6 Magei Permaneni

,

&

"

-

*

.

+


*(

Articol ID Fora de ade- ren n kg

Lungi- me n mm

L ime n mm

Grosime n mm

Pro- dusul energetic n MGOe

Greu- tate n g

Strat de protecie

Temp. max. n C

Q-20-20-10-N 12,0 20,0 20,0 * 10,0 42 30 Ni-Cu-Ni 80 Q-25-25-13-N 20,0 25,4 25,4 * 12,7 40 62 Ni-Cu-Ni 80 Q-30-10-05-N 6,0 30,0 10,0 * 5,0 42 11 Ni-Cu-Ni 80 Q-30-30-15-N 35,0 30,0 30,0 * 15,0 45 100 Ni-Cu-Ni 80 Q-40-10-05-N 8,0 40,0 10,0 * 5,0 42 15 Ni-Cu-Ni 80 Q-40-10-10-N 15,0 40,0 10,0 * 10,0 42 30 Ni-Cu-Ni 80 Q-40-20-05-N 8,8 40,0 20,0 * 5,0 42 30 Ni-Cu-Ni 80 Q-40-20-10-N 25,0 40,0 20,0 * 10,0 42 61 Ni-Cu-Ni 80 Q-40-40-20-N 60,0 40,0 40,0 * 20,0 42 240 Ni-Cu-Ni 80 Q-46-30-10-N 29,0 46,0 30,0 * 10,0 40 100 Ni-Cu-Ni 80 Q-50-15-15-N 33,0 50,0 15,0 * 15,0 48 86 Ni-Cu-Ni 80 Q-50-25-10-LN 12,0 * 50,0 25,0 10,0 40 95 Ni-Cu-Ni 80 Q-51-51-25-N 100,0 50,8 50,8 * 25,4 40 500 Ni-Cu-Ni 80 Caracteristicile magnetice ale acestui magnet pot fi v zute n Tabelul III.7

Tabelul III.7 Caracteristici fizice ale magnetului Calitate Remanen Intensitatea cmpului

coercitiv Produsul energetic

Temperatura maxim de utilizare

Br bHc iHc (BxH)max kG T kOe kA/m kOe kA/m MGOe kJ/m3 C

N30 10.8-11.2

1.08-1.12

9.8-10.5

780-836

12 955 28-30 223-239

80

N33 11.4-11.7

1.14-1.17

10.3-11

820-876

12 955 31-33 247-263

80

N35 11.7-12.1

1.17-1.21

10.8-11.5

860-915

12 955 33-35 263-279

80

N38 12.2-12.6

1.22-1.26

10.8-11.5

860-915

12 955 36-38 287-303

80

N40 12.6-12.9

1.26-1.29

10.5-12.0

860-955

12 955 38-40 303-318

80

N42 12.9-13.2

1.29-1.32

10.8-12.0

860-955

12 955 40-42 318-334

80

N45 13.2-13.7

1.32-1.37

10.8-12.5

860-995

12 955 43-45 342-358

80

N48 13.7-14.2

1.37-1.42

10.8-12.5

860-995

12 955 45-48 358-382

80

N50 14.0-14.6

1.40-1.46

10.8-12.5

860-995

12 955 47-51 374-406

80

N52


*)

B. Calculul num rului de magnei

Fig III.6 Detaliu privind poziia magneilor permaneni fa de bobinele statorului Avem g=t/2 intrefier:

tm wjj cos= (III.5)

tEtNdtd

Ne mm wwfwj

sinsin -=-=-= (III.6)

ENE mm == 2fw (III.7) Unde N este num rul de bobine.

mb Nf

NE f

fw=

= 44,4

2 (III.8)

bmbgbm ABkAB === uff (III.9) Unde 16.0


+#

Aplicnd legea circuitului magnetic cu cmpul Gobinem:

244 =+=G

agmm INgHlHdlH (III.12)

2

(4

2

[4

+=

+=

N

kglH

N

BkglH

I mmm

mm

au

u h (III.13)

mmm

mmma NkglN

HABkNfNIEP +

== )(

2

444.4 uu

(III.14)

Unde Um este nr de magnei:

huu +=

)()(56.12 kglHBAkfP

Nmmmm

m (III.15)

Unde 5.00 =k coeficient de incertitudine. Pentru coeficientul de dispersie magnetic 3.0=uk ;

Hzf 50= ; 26102040 mAm

-= ;

mmlm 10= ;

210220

2mm

tg === ;

6.0=h ;

mAHB

HB mmmm /101672)( 3max

= ;

136.010)310(1034.35.0108003.02056.12 366

=+

= --P

Nm (III.16)

Se pot construi urm toarele forme de alternator:

Tabelul III.8 Forme constructive Bobine Magneti Bobine/Faza 6 8 2 9 12 3 12 16 4 15 20 5


+"

18 24 6

Din acest tabel alegem structura cu 16 magnei i 12 bobine cu 4 bobine pe faz , care este cea

mai apropiat de 13 magnei calculai.

Fig. III.7 Aranjarea magneilor pe disc

Vom avea N1 =4 bobine pe faza. 3.4.2 Calculul electric La un num r de 16 magnei pe un rotor se recomand 12 bobine pe stator, adic la o nf urare trifazat vom avea 4 bobine pe faz . Presupunem )cos( tm wF=F , atunci tensiunea indusa pe faza va fi:

ff kwNfE F= 1124 p (III.17) Din tabel alegem datele corespunz toare generatorului de 1kW, dup un generator din comer.

Tabelul III.9 Caracteristicile generatoarelor n funcie de putere

Din tabel rezulata ca:

caf VVE 40368 == (III.18) Fluxul unui magnet permanent care trece prin bobina este:

WbTAB mm46

0 102.510204065.0-- ===F (III.19)


+&

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

spkf

EN

wm

f 2141102.52024

40

24 41 =

=

F=

-pp (III.20)

Solenaia unei bobine va fi:

AspIN abb 256812214 ===q (III.21) Unde:

AUP

If

a 124073,11000

3

=

=

(III.22)

La o densitate de curent de 2/4 mmAJa = i un coeficient de umplere la bobinare de 0.6 vom avea nevoie de o seciune transversal a bobinei:

22379.012

2568mm

kJS

ua

bb =

=

=q

(III.23)

Rezult c mma 11= si mmb 20= la o turaie a turbinei n=200 rpm.

O bobin ar avea urm toarea form (Fig. III.8):

Fig III.8 Vedere frontala si sectiunde a unei bobine


+*

Fig. III. 9 Bobine executate manual

Similar cu rotorul se proiecteaz i un statorul cu 12 bobine.

Fig. III.10 Vedere frontal- lateral i seciunea prin stator

3.5 Avantajele turbinei verticale Turbinele cu ax vertical au mai multe avantaje fa de cele convenionale cu ax orizontal. Unul din avantajele majore este c aceasta nu pierde energie atunci cnd se orienteaz dup directia vntului deoaere reacioneaz atunci cnd vntul bate din orice directie. Spaiul care il ocup turbina cu ax vertical este mult mai mic fa de spaiul ocupat de turbina cu ax orizontal deci pot fi puse mai multe ntr-un spaiu mai mic. Datorit folosirii lag rului magnetic n defavoarea lag rului convenional frecarea este redus foarte mult i turbina reacioneaz la viteze foarte mici ale vntului.


++

Fig. III.11 Diferite dispuneri ale turbinei (pe stlp, pe acoperisul cl dirilor)

Fig. III.12 Frontul de aer pentru turbin vertical i turbin orizontal

Fig. III.13 Vederi de ansamblu


+,

Fig III.14 Turbina cu echipamentele electronice


+-

Fig. III. 15 Schema electric


+.

IV. CAIET DE SARCINI (CS)

4.1 Caracteristici tehnice i func ionale minimale i obligatorii

Prin lucrarea de fa am dorit implementarea unui sistem eolian n care o component important este integrarea unei turbine eoliene de mic putere n vederea aliment rii cu energie electric a locuinelor izolate i eventual integrarea ntr-un sistem complex de energii regenerabile complementare. De asemenea am gndit acest tip de generator cu posibilit i de folosire n sisteme de irigaii la ferme izolate, iluminat public, sisteme de monitorizare, etc.

4.1.1 Cerine de lucru - funcionare n mediul exterior; - eficien ridicat la viteza mic a vntului; - furnizare de curent monofazat pentru consumatori de maxim 2kW; - capacitate de a nc rcare n acumulatori (sistem de tip stand alone).

4.1.2 Cerine generale Generatorul eolien independent va avea o putere nominal de 1000 W i va fi dotat turbin , un

set de acumulatori, invertor i accesorii de montaj (suport turbin , cabluri de curent, conectori i tablouri electrice). 4.2 Cerine tehnice minime

4.2.1 Specificaii tehnice generale Generatorul eolian independent de 1000W trebuie s aib o eficient ridicat la o vitez redus a vntului i s asigure alimentarea unor consumatori electrici monofazai cu puterea maxim de 2 kW. Se va asigura protecia generatorului la supratensiuni atmosferice, scurt circuit, supranc rcare, supradesc rcare i funcionare instabil (acceler ri urmate de frn ri bru te). Sistemul va fi prev zut cu ntreruptor de urgen pentru oprirea generatorului pe timpul lucr rilor de ntreinere sau de montare/demontare care va ntrerupe tensiunea de la ie irea generatorului i l va trece n regim de frnare. Stocarea energiei se va face n seturi de acumulatori. Protecia bateriilor de acumulatori va fi asigurat prin:

- decuplarea automat a consumatorilor dac nivelul capacit ii setului de acumulatori scade sub 30%, pn cnd capacitatea setului de acumulatori ajunge la cel putin 50% din capacitatea maxim .

- Funcie de deviere si desc rcare a puterii pe o sarcin rezistiv , pentru protecia setului de acumulatori la supranc rcarea sistemul.

4.2.2 Specificatii tehnice invertor Ie irea de curent alternativ (sarcina):

Putere de ie ire in regim continuu: minim 1,2 kW


+(

Tensiune de ie ire : 230 V;

Frecvena nominal = 50 Hz

Curentul nominal: minim 5,2 A

Intrarea de curent continuu (baterie): Tensiunea nominala a bateriei: 48 V

Curentul maxim in regim continuu: minim 12 A;

Capacitatea bateriei: 100 Ah... 10000 Ah;

Parametri Generali

Prev zut cu:

- ecran de afi aj i comand la distan ;

- funcii de protecie a bateriei la supradesc rcare, supranc rcare, comanda automat a cupl rii i decupl rii sarcinii n funcie de starea de nc rcare a bateriei;

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

Eficienta minima: 93%;

Temperatura de lucru: cel puin n intervalul -25C ...+60C;

Clasa de Protecie: IP54 sau echivalent;

Interfaa de comunicaii: RS485 sau Bluetooth (sau similar).

4.2.3 Specificatii tehnice set de acumulatori Tip baterie: etan , f r ntreinere;

Tip separatoare: fibr de sticl (AGM) sau similar ca performan ;

Tensiune nominal set de acumulatori: 48 V;

Capacitatea nominal a bateriei: min. 1000 Ah;

Durata de via n regim tampon: minim 12 ani;

Rastel montaj: inclus;

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

4.2.5 Specificatii tehnice supori generator eolian Tip: pentru acoperi plan prev zut cu ancore n limea minim : 2,7m Material: rezistent la coroziune atmosferic 4.3 Alte cerine

4.3.1 Se va completa n mod obligatoriu un tabel cu urm toarea configuraie:


+)

Nr. crt. Cerin a minim Ofertat Corespondena cu documenta ia

Se completeaz n coloana Cerina minim toate cerinele precizate in Cap. Cerine tehnice minime

Se completeaz n coloana Ofertat cu caracteristica/valoarea ofertat .

Cerinele tehnice ale produselor ofertate trebuie susinute de documentaii, de exemplu: prospecte, file de catalog, standarde recunoscute pe plan internaional, documente emise de organisme internaionale abilitate s efectueze teste comparative etc. n coloana Corespondena cu documentaia, se vor meniona explicit documentaiile n care se reg sesc caracteristicile/valorile ofertate.

4.3.2 Toate echipamentele vor fi instalate conform solicit rii autorit ii contractante;

4.3.3 Toate echipamentele vor fi testate, dupa instalare, n scopul demonstr rii funcionalit ilor solicitate n caietul de sarcini;

4.3.4 Oferta va include toate accesoriile necesare mont rii echipamentelor;

4.3.5 Nu se accept oferte echivalente;

4.3.6 Garania solicitat , pentru toate sistemele i echipamentele, va fi de minim 2 ani, dac nu este menionat explicit alceva.

4.4 Cantit i

Nr. crt.

Model Denumire material

Cantitate UM

1 Pale+Flansa Vibra de sticla 1 buc

2 Suport turbin , 6 m Oel 1 buc

3 Magneti Ni-Cu-Ni 32 buc

4 Discuri rotor Fier 2 buc

5 Rasina Epoxidica 2 litru 6 Fibra de sticla 1 m 7 Fir de cupru Cupru 5 kg 8 Butuc sustinere rotori 2 buc


,#

Perioada i condiiile de livrare - oferta financiar trebuie s respecte condiia Incoterms DDP (Delivery Duty Paid) pentru

echipamente provenite din afara UE, respectiv DDU (Delivery Duty Unpaid) pentru cele din UE;

- livrarea se va face cu mijloacele de transport ale furnizorului la locul de destinaie final a echipamentului Institutul ICDT al Universitatii Transilvania din Brasov, Str. Institutului nr. 10;

- desc rcarea, manevrarea/manipularea pn la locul de punere n funciune se va face de c tre furnizor;

- livrare n maxim 2 luni de la data semn rii contractului, dar nu mai tarziu de 30.07.2013. Not :

- costurile privind livrarea, manipularea i instalarea echipamentelor vor fi incluse n propunerea financiar a ofertantului pentru fiecare lot.

4.2 Modalitatea de plat - plata se va realiza integral de c tre beneficiar, n maxim 90 de zile de la data semn rii

procesului verbal de predare-primire i punere n funciune a echipamentelor la parametrii prev zui n ofert ;

- valoarea estimata contract: 6000 lei f r TVA

4.3 Perioada de valabilitate a ofertei - perioada de valabilitate a ofertei: 90 zile de la termenul limit de depunere a ofertelor.

4.4 Termen de garanie - minim 24 luni ncepnd cu data semn rii procesului verbal de predare-primire i punere n

funciune la parametrii prev zui n ofert .

4.5 Specificaia tehnic din partea produc torului - ofertantul va face dovada respect rii cerinelor solicitate (sau superioare) ale echipamentelor

ofertate, prin documentaie original a produc torului; - toate caracteristicile tehnice (minime i evaluabile), cuprinse n caietul sarcini, vor fi susinute

prin fise de catalog, bro uri, specificaie de livrare, specificaie detaliat produse, emise de produc tor. n cazul n care unele caracteristici tehnice nu se reg sesc n aceste documente, ele pot fi susinute cu manualele de operare/service emise de produc tor;

- documentele de susinere a caracteristicilor tehnice (fi e de catalog, bro uri, specificaie detaliat produse, emise de produc tor, etc) vor fi prezentate n limba romn sau englez ;

- la livrarea echipamentelor se vor preda beneficiarului: cartea tehnica, manualul de operare, licenele n original (pe suport electronic CD/DVD) care s permit reinstalarea software, certificatul de garanie al echipamentului i alte documente necesare oper rii i funcionarii.

4.6 Scrisoare de garanie din partea ofertantului / produc torului - scrisoare de garanie din partea ofertantului / produc torului c tre beneficiar, dedicat pe modelul

oferit de echipament, din care s rezulte c produsul este unul nou, nu este un produs demo sau refuzat de c tre alt beneficiar, nu este reconstruit i nu conine componente (subansamble) remanufacturate i nu a fost utilizat n prezent ri, expoziii, trguri etc.


,"

4.5 Controlul calit ii Verificarea calit ii are urm toarele aspecte:

Verificarea randamentului produs de generatorul electric dup ce a fost realizat conversia, prin m surarea tensiunii produse, cu ajutorul unui multimetru;

Verificarea amplas rii captatorului eolian, innd cont de condiiile meteo. Sistemul trebuie amplasat ntruun punct unde este captat o putere a vntului de minim 3 m/s;

Verificarea cablurilor electrice conectate la bobin , respectiv la LED pentru a nu fi n scurtcircuit;

Verificarea axului ce se rote te n jurul suportului, pentru a evita eventualele frec ri ce ar duce la frnarea sistemului. n aceast situaie se va putea unge axul cu ulei pentru a nlesni oscilaia.

4.6 M suri de protec ie a muncii Se respect normele de protecia muncii n instalaii electrice i n special cele mpotriva electrocut rii. 4.6.1 Protecia mpotriva electrocut rii prin atingere direct Pentru a se evita accidentele prin electrocutare la atingeri directe, se iau urm toarele m suri de protecie:

1. Inaccesibilitatea la atingeri ntmpl toare, realizat prin: izolarea electric a tuturor elementelor conduc toare de curent care fac parte din

circuitele curenilor de lucru; utilizarea de carcase de protecie, fixate sigur pe suporturi; amplasarea la n limi inaccesibile n mod normal; folosirea de bloc ri electrice sau mecanice care s nu permit accesul persoanelor

neautorizate; 2. Mijloace pentru protecia personalului, care se mpart n urm toarele categorii:

mijloace de protecie electroizolante care s protejeze personalul mpotriva electrocut rilor prin izolarea fa de p rile aflate sub tensiune;

mijloace de protecie cu rol de a verifica prezena sau lipsa de tensiune; mijloace de protecie contra apariiei accidentale a tensiunii la locul de munc ; mijloace cu rol de avertizare i semnalizare vizual ;

3. Tensiuni reduse de alimentare a utilajelor. 4. Izolarea suplimentar de protecie.

4.6.2 Protecia mpotriva electrocut rii prin atingere indirect

Elementele instalaiilor care n mod normal nu sunt sub tensiune, dar care pot intra sub tensiune datorit unui defect, vor fi prev zute cu una sau mai multe m suri de protecie n funcie de:

tipul reelei de alimentare (cu neutral izolat fa de p mnt sau cu neutral legat la p mnt);

tensiunea nominal de lucru; tipul echipamentului electric; locul de amplasare al utilajului electric.

n cazul reelelor cu neutral legat la p mnt, se va aplica una din urm toarele m suri principale: protecia prin legare la nul; alimentarea la tensiune redus sau separarea de protecie, pentru echipamentele mobile

sau portabile; i una din urm toarele m suri suplimentare:


,&

legarea la p mnt de protecie; izolarea suplimentar de protecie; egalizarea sau dirijarea distribuiei potenialelor; deconectarea automat n cazul apariiei unei tensiuni periculoase de defect sau a unui

curent periculos de defect; folosirea mijloacelor individuale de protecie, pentru echipamente mobile sau portabile.

n cazul reelelor cu neutral izolat fa de p mnt se aplic concomitent urm toarele m suri de protecie:

legarea la p mnt de protecie; controlul permanent al rezistenei de izolaie a reelei fa de p mnt, cu deconectarea

sectorului defect i semnalizarea acustic

Documents

Generator Eolian