Proiectare Centrala Eoliana

Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentarea unui consumator izolat

2010


Cuprins:

Capitolul I : Introducere.................................................................................................................. 4

1.1. Legislatie................................................................................................................................................... 4

1.2. Potentialul si dezvoltarea sistemului eolian............................................................... 6

1.3. Istoricul eolienelor..... 10

1.4. Importanta eolienelor................................................................................................................... 12

1.5. Factorii care recomanda utilizarea eolienelor in Romnia... 14

Capitolul II : Principiul de functionare al eolienelor si tipuri de instalatii......

21

2.1. Tipuri de instalari.. 222.1.1. Eoliene cu ax vertical 222.1.2 Eoliene cu ax orizontal 25

2.2. Componentele clasice ale unei eoliene........ 272.2.1. Palele sau captorul de energie. 292.2.2. Turbina elicoidala cu ax vertical. 292.2.3. Multiplicatorul mecanic de viteza.. 322.2.4. Arborele generatorului.... 322.2.5. Dispozitivele de masurare a vntului. 322.2.6. Generatorul electric.... 322.2.7. Sistemul electronic de control. 342.2.8. Sistemul de orientare.... 342.2.9. Pilonul..... 34

Capitolul III: Proiectarea elementelor mecanice pentru o eoliana de mica putere............................................................................. 35

2


3.1. Predimensionarea arborelui de intrare........................................................................ 373.1.1. Calculul puterii electrice necesare la iesirea din turbina........................................ 373.1.2. Calculul momentului de torsiune.. 383.1.3. Predimensionarea arborelui de intrare................................................................................ 38

3.2. Proiectarea multiplicatorului armonic.......................................................................... 383.2.1. Predimensionarea elementului elastic................................................................................. 383.2.2. Calculul elementelor geometrice ale rotii elastice...................................................... 403.2.3. Determinarea elementelor geometrice ale rotii dintate rigide............................. 413.2.4. Verificarea lipsei interferentei.. 41

Capitolul IV: Proiectarea sistemului electric pentru o eoliana de mica putere............................................................................. 43

4.1. Generatorul...... 43

4.2. Convertorul static de tensiune si frecventa (CSTF).... 44

4.2.1. Stabilizatorul de tensiune.. 474.2.2. Redresor de tensiune 514.2.3. Invertor de cc-ca 524.2.4. Specificatii de material. 604.2.5. Selectarea automata a sursei de alimentare a invertorului 63

4.3. Stocarea energiei eoliene.... 65

Capitolul V: Concluzii....... 67

Capitolul VI: Protectia muncii in instalatiile de joasa si medie tensiune... 69

Bibliografie....................................................................................................................................................... 71

3


Capitolul I : Introducere

1.1. Legislatie

Datorita epuizarii pe plan mondial a rezervelor de combustibili fosili ce actioneaza in mare parte centralele de producere a energiei electrice, se incearca la ora actuala o reorientare asupra surselor neconventionale de producere a energiei electrice, din aceste forme facnd parte si sistemele eoliene. Desi folosite in trecut doar pentru aplicatii de mica putere de obicei pentru aplicatii tip incarcare de acumulatori datorita progreselor facute in domeniul magnetilor permanenti si al generatoarelor eoliene, se poate discuta astazi de sisteme ce ajung la performante superioare in ceea ce priveste randamentul fata de centralele clasice.(Ex:Generatorul eolian NORDEX 2,5 MW).

In martie 2007 Comisia europeana a lansat Noua Politica Energetica a Uniunii Europene pe termen mediu, 2020, care este marcata de trei obiective importante, respectiv: cresterea securitatii alimentarii cu energie, cresterea competitivitatii in domeniul energiei precum si reducerea impactului asupra mediului. Ca parte din aceasta politica, sefii de stat si de Guvern au convenit asupra unor tinte obligatorii pentru cresterea cotei energiei regenerabile.

Dispozitii europene in vigoare: - Directiva 2001/77/CE a Parlamentului European si a Consiliului privind promo-varea electricitatii produse din surse de energie regenerabile. - Directiva 2003/30/CE a Parlamentului European si a Consiliului de promovare a utilizarii biocombustibililor si a altor combustibili regenerabili pentru transport.- in 30 ianuarie 2008 Comisia Europeana a inaintat spre dezbatere propunerea Directiva privind promovarea utilizarii energiei din surse regenerabile, o Directiva cuprinzatoare, care legifereaza toate cele trei sectoare ale energiei regenerabile.

Agentia Internationala a Energiei estimeaza ca : in anul 2030, Europa va importa energie in proportie de 70%.

resursele de petrol se vor epuiza in 40 de ani. gazele naturale mai sunt disponibile pentru inca 60 de ani de acum incolo. consumul actual va duce la epuizarea in 200 de ani a resurselor de

carbune.Energia eoliana este considerata ca una din optiunile cele mai durabile

dintre variantele viitorului, resursele vntului fiind imense. Se estimeaza ca energia eoliana recuperabila la nivel mondial se situeaza la aproximativ 53 000

4


TWh (TerraWattora), ceea ce reprezinta de 4 ori mai mult dect consumul mondial actual de electricitate.

Energia eoliana este folosita extensiv in ziua de astazi, si turbine noi de vnt se construiesc in toata lumea, energia eoliana fiind sursa de energie cu cea mai rapida crestere in ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternice.

La nivel national, domeniul este reglementat in linii generale, de Legea energiei nr.13/2007 si de o serie de hotarri ale Guvernului: H.G. nr. 443/2003 privind promovarea productiei de energie electrica din surse regenerabile. H.G. nr.1982/2004 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii energiei electrice din surse regenerabile de energie si H.G. nr.1535/2003 privind aprobarea strategiei de valorificare a surselor regenerabile de energie. Directiva 2003/30/CE a fost transpusa prin H.G. nr.1844/2005 privind promovarea utilizarii biocarburantilor si a altor carburanti regenerabili pentru transport, amendata de H.G. nr.456/2007.

LEGEA nr. 220 din 27 octombrie 2008 stabileste cadrul legislativ pentru promovarea producerii energiei din surse regenerabile de energie:

Termeni, modalitati si actiuni, responsabilitati, durate de aplicare etc;

Nivelul tintelor nationale privind ponderea energiei electrice din surse regenerabile de energie in consumul final de energie electrica in perspectiva anilor 2010, 2015 si 2020: respectiv 33%, 35% si 38%;

Cotele obligatorii anuale de certificate verzi pentru perioada 2008-2020, modul de atribuire si tranzactionare;

Accesul la reteaua electrica si comercializarea energiei electrice produse din surse regenerabile de energie;

Monitorizare si raportare, facilitati acordate. ART. 3 Sistemul de promovare stabilit prin legea 220/2008 se aplica pentru

energia produsa din: a) energie hidro; b) energie eoliana; c) energie solara; d) energie geotermala si gazele combustibile asociate; e) biomasa; f) biogaz; g) gaz de fermentare a deseurilor; h) gaz de fermentare a namolurilor din instalatiile de epurare a apelor

uzate si care este livrata in reteaua electrica.In vederea realizarii obiectivelor nationale stabilite in prezenta anexa, este

evidentiat faptul ca orientarile pentru ajutoarele de stat in favoarea protectiei mediului recunosc necesitatea continua a mecanismelor nationale de sprijin pentru promovarea energiei din surse regenerabile.

5


Tabel 1:

NR.CRT. TARA

Obiective nationale globale privind ponderea energiei din surse regenerabile in

consumul final brut de energie2005 2020

1. Belgia 2,2 % 13 %

2. Bulgaria 9,4 % 16 %

3. Republica Ceha 6,1 % 13 %

4. Danemarca 17,0 % 30 %

5. Germania 5,8 % 18 %

6. Estonia 18,0 % 25 %

7. Irlanda 3,1 % 16 %

8. Grecia 6,9 % 18 %

9. Spania 8,7 % 20 %

10. Franta 10,3 % 23 %

11.

Italia5,2 % 17 %

12.

Cipru2,9 % 13 %

13.

Letonia32,6 % 40 %

14.

Lituania15,0 % 23 %

15 Luxemburg 0,9 % 11 %

6


16.

Ungaria4,3 % 13 %

17.

Malta0,0 % 10 %

18.

Tarile de Jos2,4 % 14 %

19.

Austria23,3 % 34 %

20.

Polonia7,2 % 15 %

21.

Portugalia20,5 % 31 %

22.

Romnia17,8 % 24 %

23.

Slovenia16,0 % 25 %

24.

Republica Slovaca6,7 % 14 %

25.

Finlanda28,5 % 38 %

26.

Suedia39,8 % 49 %

27.

Regatul Unit1,3 % 15 %

1.2. Potentialul si dezvoltarea sistemului eolian

Energia de origine eoliana face parte din energiile regenerabile, aceasta este o sursa de energie rennoibila generata din puterea vntului. Energia eoliana este atractiva att din punct de vedere ecologic - nu produce emisii in atmosfera, nu formeaza deseuri radioactive, ct si din punct de vedere economic - ca sursa energetica primara vntul nu costa nimic.

Noile cerinte in domeniul dezvoltarii durabile au determinat statele lumii sa isi puna problema metodelor de producere a energiei si sa creasca cota de energie produsa pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto

7


angajeaza statele semnatare sa reduca emisiile de gaze cu efect de sera. Acest acord a determinat adoptarea unor politici nationale de dezvoltare a eolienelor si a altor surse ce nu degaja bioxid de carbon.

Trei factori au determinat ca solutia eolienelor sa devina mai competitiva: noile cunostinte si dezvoltarea electronicii de putere; ameliorarea performantelor aerodinamice in conceperea turbinelor eoliene; finantarea nationala pentru implantarea de noi eoliene.

Sursele regenerabile sunt a doua resursa ca pondere in productia globala de energie electrica.

Energia electrica produsa din surse regenerabile provine in principal tot din regenerabile "clasice", respectiv din centralele hidroelectrice (92%) si din regenerabile combustibile si deseuri (5%).

Desi au inregistrat un ritm de crestere spectaculos in ultimii ani, energia geotermala, solara si a vantului (eoliana) contribuie cu mai putin de 3%.

In prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile in producerea energiei electrice, este scazuta. Se poate spune ca potentialul diferitelor filiere de energii regenerabile, este sub-exploatat. Totusi, ameliorarile tehnologice au favorizat instalarea de generatoare eoliene ,intr-un ritm permanent crescator in ultimii ani, cu o evolutie exponentiala

Distributia procentuala a energiilor regenerabile (estimare,anul 2010) 17% energie eoliana 13% energie solara 4% microhidrocentrale 65% biomasa

1% geotermala

8

33%

35%

38%

30%

31%

32%

33%

34%

35%

36%

37%

38%

2010 2015 2020


Fig.1.1. Energie electrica verde in Romnia - angajamente

Fig.1.2. Ponderea energiilor regenerabile la nivel mondial

Energia eoliana este o sursa de energie regenerabila generata din puterea vntului. Vnturile sunt formate din cauza ca soarele nu incalzeste Pamntul uniform, fapt care creeaza miscari de aer. Energia cinetica din vnt poate fi folosita pentru a roti niste turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, desi aceasta necesita o viteza a vntului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe ora. Putine zone pe pamnt au aceste viteze ale vntului, dar vnturi mai puternice se pot gasi la altitudini mai mare si in zone oceanice.

9


Fig.1.3. Distributia teritoriala a energiilor regenerabile

Energia eoliana in UE la inceputul anului 2008:

56 GW capacitate instalata, incluzand 1,08 GW offshore (platforma continentala a marilor si oceanelor);

Productia de energie electrica de 119 TWh, incluzand 4 TWh offshore; Acoperirea a 3,7% din consumul total de electricitate in U.E.; Evitarea emisiilor a 91 Mt CO2; Evitarea unor costuri de 3,9 miliarde Euro cu combustibilii fosili; Investitia anuala de 11,3 miliarde Euro.

Energia eoliana in UE pentru anul 2010:

80 GW capacitate instalata, incluzand 3,5 GW offshore (platforma continentala a marilor si oceanelor);

Productia de energie electrica de 177 TWh, incluzand 13 TWh offshore; Acoperirea a 5% pana 5,2% din consumul total de electricitate in U.E.; 9,9% din capacitatea totala de generare de energie electrica in U.E.


180 GW capacitate instalata, incluzand 35 GW offshore (platforma continentala a marilor si oceanelor);

Productia de energie electrica de 477 TWh, incluzand 133 TWh offshore; Acoperirea a 11,6% pana 14,3% din consumul total de electricitate in

U.E.; 18,1% din capacitatea totala de generare de energie electrica in U.E.


10


300 GW capacitate instalata, inclusand 120 GW offshore (platforma continentala a marilor si oceanelor);

Productia de energie electrica de 935 TWh, incluzand 469 TWh offshore; Acoperirea a 20,8% pana 28,2% din consumul total de electricitate in

U.E.; 25,5% din capacitatea totala de generare de energie electrica in U.E.

Desi inca o sursa relativ minora de energie electrica pentru majoritatea tarilor, productia energiei eoliene a crescut ajungndu-se ca, in unele tari, ponderea energiei eoliene in consumul total de energie sa fie semnificativ.

Se crede ca potentialul tehnic mondial al energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energie dect este consumata acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafata Pamntul (excluznd oceanele) sa fie acoperite de parcuri de turbine, presupunnd ca terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vnt pe kilometru patrat. Aceste cifre nu iau in considerare imbunatatirea randamentului turbinelor si a solutiilor tehnice utilizate.

1.3. Istoricul eolienelor

Energia eoliana este una din cele mai vechi surse de energie nepoluanta. Drept sursa energetica vntul este cunoscut omenirii de 10 mii de ani, inca de la orizontul civilizatiei energia vntului se utiliza in navigatia maritima. Se presupune ca egiptenii stravechi mergeau cu pnze cu 5.000 ani in urma. In jurul anului 700 pe teritoriul Afganistanului se utilizau masini eoliene cu axa verticala de rotatie se utilizau pentru macinarea grauntelor. Cunoscutele instalatii eoliene (mori cu elicele conectate la turn) asigurau functionarea unor sisteme de irigare pe insula Creta din Marea Mediterana. Morile pentru macinarea boabelor, care functionau pe baza vntului, sunt una din cele mai mari performante a secolelor medii. In sec. XIV olandezii au imbunatatit modelul morilor de vnt, raspndite in Orientul Mijlociu, si au inceput utilizarea larga a instalatiilor eoliene la macinarea boabelor, asadar moara de vnt este stramosul generatoarelor eoliene.

11


Fig.1.4. Moara de vnt

Mai trziu, morile se orientau dupa directia vntului si au fost puse pnze pentru a capta mai bine energia vntului.

Fig.1.5. Moara de vnt cu pnze din zona etnografica Dobrogea de sud (sursa: www.cimec.ro)

Prima moara de vnt cu pale profilate a aparut in secolul doisprezece. Chiar daca era foarte simpla, este totusi vorba de prima cercetare aerodinamica a palelor. Acestea au fost utilizate in principal pentru pomparea apei sau pentru macinarea grului.

In perioada Renasterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au interesat foarte intens de morile de vnt, ceea ce a condus la numeroase inovatii. De atunci, morile s-au inmultit in Europa.

Revolutia industriala a oferit un nou inceput pentru morile de vnt, prin aparitia de noi materiale. in consecinta, utilizarea metalului a permis modificare formei turnului si cresterea considerabila a masinilor pe care le numim pe scurt "eoliene" (Fig. 1.6.).

12


(Fig. 1.6.) Eoliana moderna(sursa http://www.babilim.co.uk/)

1.4. Importanta Eolienelor

Filiera eoliana este destul de dezvoltata in Europa, detinnd pozitia de lider in topul energiilor regenerabile. Acest tip de energie regenerabila asigura necesarul de energie electrica pentru 10 milioane de locuitori. Dealtfel, 90 % din producatorii de eoliene de medie si mare putere, se afla in Europa.

Repartitia in Europa a energiei electrice produse pe baza eolienelor, arata diferente intre state. Germania este liderul pe piata europeana, in ciuda unei incetiniri in 2003 a instalarilor. Spania, pe pozitia a doua, continua sa instaleze intensiv parcuri eoliene. Danemarca este pe a treia pozitie, avnd dezvoltate eoliene offshore si trecnd la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani.

Costurile si eficienta unui proiect eolian trebuie sa tina seama att de pretul eolienei, ct de cele ale instalarii si intretinerii acesteia, precum si de cel al vnzarii energiei. O eoliana este scumpa. Trebuiesc realizate inca progrese economice pentru a se putea asigura resursele dezvoltarii eolienelor. Se estimeaza ca instalarea unui kW eolian, costa aproximativ 1000 euro. Progresele tehnologice si productia in crestere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constanta a

13


pretului estimat Pretul unui kWh depinde de pretul instalarii eolienei, ca si de cantitatea de energie produsa anual. Acest pret variaza in functie de locatie si scade pe masura dezvoltarii tehnologie.

In Germania si Danemarca, investitorii sunt fie mari grupuri industriale, fie particulari sau agricultori. Aceasta particularitate tinde sa implice populatia in dezvoltarea eolienelor. Energia eoliana este perceputa ca o cale de diversificare a productiei agricole. In Danemarca, 100 000 de familii detin actiuni in energia eoliana. Filiera eoliana a permis, de asemenea, crearea de locuri de munca in diverse sectoare, ca cele de producere a eolienelor si a componentelor acestora, instalarii eolienelor, exploatarii si intretinerii, precum si in domeniul cercetarii si dezvoltarii. Se inregistreaza peste 15 000 de angajati in Danemarca si 30 000 in Germania, direct sau indirect implicati in filiera eoliana.

Prima tinta pe care Romania s-a angajat sa o indeplineasca este cea pentru anul 2010: 33% din consumul de energie electrica sa fie acoperit din SRE.

In prezent cota electricitatii provenita din SRE din consumul total de electricitate este de 29% (incluzand si hidro de mare putere) si de cca 1% (fara hidro de mare putere).

Consumul intern brut in 2010 este prognozat la cca 66 TWh, rezultand un necesar de 21,8 TWh din SRE.

Centralele hidro de mare puterepot contribui cu 17 TWh, lasand minim 4,8 TWh pentru alte surse regenerabile dintre care cele mai probabile: hidro de mica putere, energia eoliana si eventual biomasa (cogenerarea)

Cota de 33% in 2010 poate fi indeplinita numai cu o contributie foarte importanta din partea energiei eoliene.

Astazi insa Romania este clasata ultima intre tarile europene, cu cativa MW instalati in grupuri eoliene.

Situatia se va schimba, avand in vedere instalarea inca din acest an a primelor grupuri de mare putere in Dobrogea, la Babadag si Fantanele.

14


Fig.1.7. Contributia centralelor eoliene la productia de energie

15


1.5. Factorii care recomanda utilizarea eolienelor in Romnia

Energia eoliana este folosita destul de extensiv in ziua de astazi, iar turbine noi de vnt se construiesc in toata lumea, energia eoliana fiind sursa de energie cu cea mai rapida crestere in ultimii ani. Capacitatea totala mondiala a turbinelor de vnt este 74,221MW. Majoritatea turbinelor produc energie 25% din timp, acest numar crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternice. Se crede ca potentialul tehnic mondial a energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energie dect este consumata acum.

Potentialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicaturi si in munti. Dar exista multe alte teritorii cu un potential eolian necesar pentru utilizare. Ca sursa energetica vntul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar in anumite perioade prezenta vntului se observa pe parcursul intregii zile. Asupra resurselor eoliene influenteaza relieful pamntului si prezenta barierelor (obstacolelor) plasate la inaltimi de pna la 100 metri. De aceea vntul, intr-o mai mare masura, depinde de conditiile locale (relief) dect soarele. In localitatile montane, spre exemplu, doua suprafete pot avea potential solar egal, insa potentialul vntului poate fi diferit datorita diferentei in relief si directiile curentilor maselor de aer. In legatura cu aceasta planificarea locului pentru plasarea instalatiei se petrece mai detaliat dect montarea unui sistem solar.

Energia vntului de asemenea este supusa schimbarilor sezoniere a timpului. Lucrul unei asemenea instalatii este mai efectiv iarna si mai putin efectiv in lunile de vara (in cazul sistemelor solare situatia este inversa).

Articolul "Evaluation of Global Wind Power", de Cristina L. Archer si Mark Z. Jacobson (Stanford University) este rezultatul unui studiu finantat de NASA si finalizat de curnd. Harta resurselor de vnt a fost realizata prin urmarirea a 8000 de puncte de masurare din intreaga lume, inclusiv Romnia. 13 % din punctele de pe harta sunt incadrate in clasa 3 (vnt de 6.9-7.5 m/s) si doar-cteva au fost incadrate in clase mai mari.

Romnia se afla in zona de resurse de pna la 5.9 m/s, ca majoritatea celorlalte zone, insa cu un potential suficient de important pentru a sustine o politica de promovare a sistemelor eoliene.

Ne aflam destul de departe de U.E. in domeniul energiei curate. In Europa exista 48,062MW instalati in turbine eoliene, care produc aproximativ 70 TWh, in timp ce in Romnia sunt in functiune 1,3MW. Doar Parcul Industrial de la Ploiesti beneficiaza de energie electrica furnizata de turbina eoliana cu putere de 660 kW amplasata in apropiere. Aceasta a fost pornita, pe 17 aprilie, la opt km de Ploiesti, la Crngul lui Bot. Aceasta instalatie va produce energie electrica pentru firmele din cadrul Parcului Industrial Ploiesti (PIP). Investitia a costat aproximativ 700.000 de euro, la care s-au adaugat cheltuielile legate de montajul centralei. Zona a fost identificata de meteorologi drept prielnica pentru o asemenea investitie. Pentru ca centrala sa poata functiona este nevoie ca ea sa fie amplasata intr-o zona unde bate vntul constant. Viteza minima a vntului care determina punerea in miscare a centralei este de 3,5m/s, iar in zona parcului industrial viteza medie a vntului calculata de meteorologi este de 7 m/s. Aceasta viteza medie asigura functionarea centralei la 85-90% din capacitate. Daca viteza vntului depaseste 25m/s, centrala

16


se opreste automat pentru a nu fi dereglata de furtuni sau alte fenomene meteorologice.

Centrala eoliana are o putere instalata de 660 kW si produce un curent electric de 690 V, care intra in sistemul national la 20 kV. Este de tip V66 Vestas si a fost proiectata de firma Asja Ambiente din Italia. Componentele sunt productie marca Vestas din Danemarca. Instalatia are o inaltime de 79 metri, din care 55 metri are turnul de sustinere. in vrful turnului se afla nacela cu toata instalatia si palele care se rotesc. Greutatea turnului este de 52 tone, nacela cntareste 23 tone, iar palele doar 7 tone. Centrala este automata si din aceasta cauza necesita un numar mic de persoane care sa se ocupe de intretinerea si functionarea ei. Ea este comandata de un calculator situat la o distanta de 50 metri, care orienteaza nacela dupa directia vntului.

Conducerea Parcului are in plan instalarea a inca doua centrale eoliene asemanatoare. Prima, care le precede pe cele doua, este de putere medie si se preteaza cel mai bine pentru harta vnturilor din acea zona. In proiect se mai afla montarea a 10 centrale pe Valea Doftanei, care vor asigura energia electrica pentru populatie. Costurile cu producerea energiei electrice cu ajutorul centralelor eoliene sunt situate la 75% din costurile necesare pentru producerea de curent electric prin metodele conventionale, intretinerea instalatiilor nu costa prea mult (in jur de 4.500 euro), iar consumabilele trebuie schimbate o data la doi ani. Pna in 2007 se intentioneaza ca 8% din energia produsa in tara sa fie asigurata prin sistemele neconventionale. Procentul este mult mai mare in tari ca Germania 22% si Danemarca 31%.

O firma germana intentioneaza sa construiasca in judetul Suceava 25-30 de centrale eoliene, cu o putere nominala de 800-900 de KW fiecare. Din primele analize, vntul bate cum trebuie, asa ca zona s-ar putea transforma intr-o mica Olanda.

Firma germana West Wind" este una dintre cele mai importante firme din lume care se ocupa cu proiectarea si constructia de centrale eoliene, fiind de asemenea si cea care vinde produsul finit, adica energia electrica. In total, firma are aproximativ 16.000 de asemenea centrale in intreaga lume, detinnd, de exemplu, 50% din numarul total de astfel de centrale existente in Olanda, tara cu traditie in producerea energiei eoliene. Conform specialistilor germani, conditiile existente in Muntii Calimani sunt propice pentru instalarea de centrale eoliene medii, iar o asemenea unitate costa 300.000 de euro. Ei au mai precizat ca pentru fiecare centrala eoliana in parte investitia se amortizeaza de regula in aproximativ doi ani, dar acest lucru variaza in functie de clientii pe care firma ii gaseste pentru a cumpara energia electrica produsa.

In Romnia functioneaza o singura centrala eoliana in judetul Prahova, lnga Ploiesti. Au fost facute studii de fezabilitate pentru construirea de centrale eoliene cu rezultate favorabile la Panciu, in judetul Vrancea, si in Constanta, potrivit MEC. Printre proiectele privind energia regenerabila, cele mai importante sunt cele care vizeaza litoralul Marii Negre.

17


Tabel 2. Modalitate de apreciere a vitezei vntului pe baza observatiei directe

Grade Beaufort Descriere

Viteza vntului (m/s) Observatii

0 Stationar 0 Frunzele nu se misca; fumul se inalta vertical

1 Calm 1-1.5 Frunzele nu se misca; fumul deviaza putin de la traseul vertical

2 Vnt perceptibil 2-3 Frunzele se misca; steagurile flutura incet

3 Vnt usor 3-5.5 Frunzele si ramurelele copacilor in miscare continua, de mica amplitudine

4 Vnt moderat 6-8Frunzele si ramurelele copacilor in miscare

continua, de amplitudine mai mare sau variabila

5 Vant semnificativ 8.5-10Ramurile mici ale copacilor se misca;

steagurile flutura

6 Vnt puternic 11-14 Ramurile mici se indoaie; steagurile flutura si se rasucesc

7 Vnt foarte puternic 14.5-17Crengile se misca; steagurile se misca cu

zgomot (pocnesc)

8 Vnt extrem de puternic 17.5-20Copacii se misca de la radacina (foarte evident

la plopi, ulmi)

9 Inceput de furtuna 21-24 Ramurile se rup din copaci.

10 Furtuna 24.5-28 Crengi intregi se rup din copaci; tigla sau sindrila zboara de pe acoperis

11 Furtuna 29-32 Unii copaci sunt doborti; incep sa apara daune ale locuintelor

12 Uragan 33+ Daune extinse (copaci, case).

18


Grupul CEZ din Cehia, unul dintre cei mai mari producatori, furnizori si distribuitori europeni de energie, investeste 1,1 miliarde euro in cel mai mare parc eolian pe uscat din Europa, cu o putere instalata de 600 MW.

Parcul Eolian Fantanele si Cogealac, se va intinde pe o suprafata de 600 hectare, si va avea capacitatea de 600 megavati (egala cu cea a unui reactor de la Cernavoda). Parcul va fi de trei ori mai mare in comparatie cu cel mai mare parc eolian din Europa situat in Spania. CEZ Romania si-a propus ca la finalizarea acestui proiect sa detina o cota de 10% din piata energiei regenerabile. Potrivit reprezentatilor CEZ Romania, constructia parcului amplasat la nord de Constanta se va desfasura in mai multe etape.

Prima etapa a constructiei va genera 347,5 MW si va include 139 de turbine General Electric, cu o inaltime de 100 metri si cu o capacitate de 2,5 MW. A doua etapa a constructiei va produce 252,5 MW si va cuprinde 101 turbine, fiind operationala pina la sfarsitul lui 2010, inceputul lui 2011. Drumurile construite in timpul realizarii parcului eolian (137 km) vor avea aproape dublul lungimii litoralului maritim romanesc, intre Capul Midia si Vama Veche.

Pentru transportarea si conectarea curentului electric produs de turbinele eoliene numai din prima parte a proiectului sint necesari 150 km de cabluri de diferite voltaje (33kV, 100kV). Peste 400 de persoane de nationalitati diferite lucreaza la constructia parcului eolian de pe imensul santier din Fantanele si Cogealac.

Pentru montarea pieselor componente ale turbinelor eoliene se utilizeaza cele mai mari macarale folosite in Romania cu o greutate intre 500 si 700 t fiecare. O singura elice are lungimea de 48 m, iar diametrul rotorului este de 99 m. Investitorii promit ca drumurile si canalizarea din Cogealac si Fantanele vor fi modernizate. Un alt beneficiu al investitiei va fi gratuitatea iluminatului public, alimentat de noile instalatii. Parcul eolian va consolida prezenta CEZ pe piata romaneasca a distributiei de energie, grupul controland deja Electrica Oltenia (o investitie de 165 milioane euro) si Electrocentrala Galati.

Parcul va avea 240 de turbine, din care 139 la Fntnele si 101 la Cogealac.

Cehii de la grupul energetic CEZ spun ca au finalizat instalarea a 70 de turbine eoliene in comuna Fantanele, prima parte a proiectului eolian de 600 MW.

Singurul lucru de care mai au nevoie cehii pentru a incepe productia de energie electrica este o aprobare din partea Transelectrica, compania nationala de transport al electricitatii, prin care statia de transformare sa fie conectata la reteaua nationala. O statie de transformare este o instalatie electrica a carei functie este de a transfera energia electrica intre doua retele de tensiuni diferite.

Pana in toamna, cehii vor mai ridica inca 69 de turbine eoliene, Fantanele devenind astfel cel mai mare proiect eolian functional pana in prezent. In total, proiectul care presupune montarea a inca 101 turbine eoliene la Cogealac va fi operational anul viitor si va fi la acel moment cel mai mare parc eolian pe uscat din Romania, investitia fiind de 1,1 miliarde de euro.

19


Fig.1.8. Santierul parcului eolian de la Fantanele

Fig.1.9. Pala elice eoliana - santierul de la Fantanele - Cogealac

20


Fig.1.10. Harta eoliana a Romniei

Pentru scopuri energetice intereseaza zonele in care viteza medie a vntului este cel putin egala cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasupra solului.

viteze egale sau superioare pragului de 4m/s, (redate prin nuante de bleu), se regasesc in Podisul Central Moldovenesc si mai ales in Dobrogea.

peste 8m/s, redate prin culoare mai inchisa, repartizate indeosebi pe vrfurile cele mai inalte ale Lantului Carpatic. Energia eoliana este folosita extensiv in ziua de astazi, si turbine noi de vnt

se construiesc in toata lumea.

21


Fig.1.11. Harta resurselor de vant ale Romaniei

22


Capitolul II : Principiul de functionare al eolienelor si tipuri de instalatii

Fig. 2.1. Sistemul de ansamblu a unei eoliene

Energia de origine eoliana face parte din energiile regenerabile. Aero-generatorul utilizeaza energia cinetica a vntului pentru a antrena arborele rotorului : aceasta este transformata in energie mecanica, care la rndul ei este transformata in energie electrica de catre generatorul cuplat mecanic la turbina eoliana. Acest cuplaj mecanic se poate face fie direct, daca turbina si generatorul au viteze de acelasi ordin de marime, fie se poate realiza prin intermediul unui multiplicator de viteza. In sfrsit, exista mai multe posibilitati de a utiliza energia electrica produsa: fie este stocata in acumulatori, fie este distribuita prin intermediul unei retele electrice, fie sunt alimentate sarcini izolate.

23


Sitemele eoliene de convesie au si pierderi. Astfel, se poate mentiona un randament de ordinul a 59 % pentru rotorul eolienei, 96% al multiplicatorului.

Trebuie luate in considerare, de asemenea, pierderile generatorului si ale eventualelor sisteme de conversie.

2.1 Tipuri de instalari

O eoliana ocupa o suprafata mica pe sol. Acesta este un foarte mare avantaj, deoarece perturba putin locatia unde este instalata, permitnd mentinerea activitatilor industriale sau agricole din apropiere. Se pot intlni eoliene numite individuale, instalate in locatii izolate unde eoliana nu este racordata la retea, nu este conectata cu alte eoliene. In caz contrar, eolienele sunt grupate sub forma unor ferme eoliene. Instalarile se pot face pe sol, sau, din ce in ce mai mult, in largul marilor, sub forma unor ferme eoliene (offshore), in cazul carora prezenta vntului este mai regulata. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor si amelioreaza estetica.

Exista mai multe tipuri de eoliene. Se disting insa doua mari familii: eoliane cu ax vertical si eoliene cu ax orizontal.

Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru a antrena generatorul.

2.1. Eoliene cu ax vertical

Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mica, avnd inaltimea de 0,1 - 0,5 din inaltimea rotorului. Aceasta permite amplasarea intregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitnd astfel operatiunile de intretinere. In plus, nu este necesara utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca in cazul eolienelor cu ax orizontal. Totusi, vntul are intensitate redusa la nivelul solului, ceea ce determina un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusa si turbulentelor de vnt. In plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, iar pilonul este supus unor solicitari mecanice importante. Din aceste motive, in prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precadere catre eolienele cu ax orizontal.

Cele mai raspndite doua structuri de eoliene cu ax vertical se bazeaza pe principiul tractiunii diferentiale sau a variatiei periodice a incidentei.

24


Rotorul lui Savonius in cazul caruia, functionarea se bazeaza pe principiul tractiunii diferentiale. Eforturile exercitate de vnt asupra fiecareia din fetele uni corp curbat au intensitati diferite. Rezulta un cuplu care determina rotirea ansamblului.

Fig.2.2. Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Fig.2.3. Schema rotorului lui Savonius

(Sursa:http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm)

Rotorul lui Darrieus se bazeaza pe principiul variatiei periodice a incidentei. Un profil plasat intr-un curent de aer, in functie de diferitele unghiuri, este supus unor forte ale caror intensitate si directie sunt diferite. Rezultanta acestor forte determina aparitia unui cuplu motor care roteste dispozitivul.

25


Fig.2.4. Imaginea unei eoliene Darrieus (Sursa: http://www.jura.ch/lcp/forum/energies/vent.html)

Fig.2.5. Schema rotorului lui Darrieus (Sursa: http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm)

2.2. Eoliene cu ax orizontal

Functionarea eolienelor cu ax orizontal se bazeaza pe principiul morilor de vnt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obtine un bun compromis intre coeficientul de

26


putere, cost si viteza de rotatie a captorului eolian, ca si o ameliorare a aspectului estetic, fata de rotorul cu doua pale.

Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai putin supuse unor solicitari mecanice importante si au un cost mai scazut.

Exista doua categorii de eoliene cu ax orizontal:

Amonte: vntul sufla pe fata palelor, fata de directia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, dupa directia vntului.

Fig.2.6. Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte

Aval: vntul sufla pe spatele palelor, fata de nacela. Rotorul este flexibil si se auto-orienteaza.

27


Fig.2.7. Schema unei eoliene cu ax orizontal aval

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

3.2. Componentele clasice ale unei eoliene

Diagrama turbina eoliana - descrie partile componente sistemului.

28


Sistemul este compus din: 1. Pale - Forma si conceptia lor este esentiala pentru a asigura forta de rotatie necesara. Acest design este propriu fiecarui tip de generator electric. 2. Nacela - Contine generatorul electric asigurnd si o protectie mecanica 3. Pilon - Asigura strucura de sustinere si rezistenta a asamblului superior. 4. Fundatie - Asigura rezistenta mecanica a generatorului eolian.

Fig.2.8. Schema eoliana

29


Fig.2.9. Parti componente a unei turbine eoliene

30


2.2.1. Palele sau captorul de energie - sunt realizate dintr-un amestec de fibra de sticla si materiale compozite. Ele au rolul de a capta energia vntului si de a transfera rotorului turbinei, profilul lor este rodul unor studii aerodinamice complexe, de el depinznd randamentul turbinei.

Latimea palelor determina cuplul de pornire, care va fi cu att mai mare cu ct palele sunt mai late. Profilul depinde de cuplul dorit in functionare.

Fig.2.10. Profil de pala

Numarul de pale depinde de eoliana. In prezent, sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigura limitarea vibratiilor, a zgomotului si a oboselii rotorului, fata de sistemele mono-pala sau bi-pala. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bi-pala fata de cel mono-pala, iar cresterea este de 3% intre sistemul cu trei pale fata de doua pale. In plus, este un compromis bun intre cost si viteza de rotatie a captorului eolian si avantaje din punct de vedere estetic pentru sistemul cu trei pale, fata de cel cu doua pale.

2.2.2. Turbina elicoidala de tip elicoidal cu ax vertical - poate fi folosita cu success in zonele izolate, fara sursa de alimentare cu energie electrica, sau in cazul cnd se doreste economisirea acesteia, se poate utiliza intr-un mod foarte eficient un motor eolian, de mici dimensiuni, realizat intr-o constructie simpla si de mare fiabilitate.

Fata de turbinele clasice multipale cu ax orizontal, acest tip de turbina, realizata intr-o conceptie noua, contine 2 brevete de inventie si prezinta urmatoarele elemente de noutate:

31


.

Fig.2.11. Pala Elicoidala

Rotorul turbinei este o constructie monobloc din fibra de sticla , care datorita formei geometrice de tip elicoidal, permite functionare de la viteze ale vntului de 2,5 m/s, iar la viteze mai mari de 20 m/s, se autofrneaza.

Prezina o mare fiabilitate, datorita constructiei monobloc din fibra de sticla. Aceasta turbina este capabila sa antreneze un generator de curent cu magneti permanenti, care poate stoca energia electrica in baterii de acumulatori.

Fata de rotoarele clasice tip "multipala", acesta prezinta urmatoarele avantaje:

Constructie simpla si robusta Fiabilitate ridicata Pret de fabricatie redus cu 50% Putere specifica mare pe suprafata activa Functionare optima si la viteze mici ale vntului Asigura momente mari la pornire Iesire din vnt fara sisteme mecanice de protectie, datorita constructiei geometrice originale

32


Datorita faptului ca functioneaza in parametrii optimi si la viteze mici ale vntului, care sunt preponderente in Romania ( 3-7 m/s) , aceste rotoare se pot amplasa in orice zona din tara, fara fundatii costisitoare.

Fig.2.12. REVIR - Rotor eolian pentru vnt cu intensitate redusa

Inventia se refera la un rotor eolian pentru vant cu intensitate redusa, destinat a se folosi ca subansamblu principal la turbinele eoliene, cu rol de a converti energia preluata de la vant in energie mecanica de rotatie, sau pentru pompare apa cu pompa cuplata direct pe axul rotorului.Rotorul eolian, este alcatuit dintr-un ax si o flansa pe care sunt montati suporti, ce prezinta niste bosaje in zona prinderii palelor, pale semicirculare dispuse sub forma unor solzi de peste pe suportii de fixare, palele fiind inclinate cu unghiurile +, - cu valori cuprinse intre 515 precum si unghiul cu valori cuprinse intre 540 , cu efect in timpul functionarii de producere a unor microvartejuri ce determina cresterea fortei portante. Palele rotorului eolian, sunt compuse din placile centrale de forma unor coroane de sector circular de raze si centre diferite, pe care se fixeaza simetric de o parte si de cealalta niste placi elastice, de dimensiuni si grosimi descrescatoare fata de placa centrala, dispuse sub forma unor solzi de peste, cu efect in timpul

33


functionarii de producere a unor microvartejuri ce determina cresterea fortei portante. Gheorghe Cristea este unul dintre autorii unei inventii care ar putea revolutiona infrastructura in materie de energie a vntului. Eoliana medaliata cu aur la trei competitii internationale este silentioasa, porneste la o viteza a vntului foarte redusa si poate fi amplasata oriunde.

2.2.3. Multiplicatorul mecanic de viteza - permite transformarea puterii mecanice, caracterizata de cuplu mare si viteza mica specifica turbinei eoliene, in putere de viteza mai ridicata, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbinei eoliene este prea mica, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului. Multiplicatorul asigura conexiunea intre arborele primar (al turbinei eoliene) si arborele secundar (al generatorului).

Exista mai multe tipuri de multiplicatoare, cum ar fi: Multiplicatorul cu una sau mai multe trepte de roti dintate, care

permite transformarea miscarii mecanice de la 19-30 rot/min la 1500 rot/min. Axele de rotatie ale rotilor dintate sunt fixe in raport cu carcasa.

Multiplicatorul cu sistem planetar, care permite obtinerea unor rapoarte de transmisie mari, intr-un volum mic. in cazul acestora, axele rotilor numite sateliti nu sunt fixe fata de carcasa, ci se rotesc fata de celelalte roti.

Exista si posibilitatea antrenarii directe a generatorului, fara utilizarea unui multiplicator.

Fig.2.13.Principiul de functionare al multiplicatorului de turatie eolian

2.2.4. Arborele generatorului sau arborele secundar - antreneaza generatorul electric, sincron sau asincron. El este echipat cu o frna mecanica cu disc (dispozitiv de securitate), care limiteaza viteza de rotatie in cazul unui vnt violent. Pot exista si alte dispozitive de securitate.

34


2.2.5. Dispozitivele de masurare a vntului - sunt de doua tipuri: o girueta pentru evaluarea directiei si un anemometru pentru masurare vitezei. Informatiile sunt transmise sistemului numeric de comanda, care realizeaza reglajele in mod automat.

2.2.6. Generatorul electric - asigura producerea energiei electrice. Puterea sa atinge 4,5 MW pentru cele mai mari eoliene. in prezent se desfasoara cercetari pentru realizarea unor eoliene de putere mai mare (5 MW). Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Datorita pretului si randamentului, se utilizeaza, aproape in totalitate, generatoare de curent alternativ. Generatoarele de curent alternativ pot fi sincrone sau asincrone, functionnd la viteza fixa sau variabila.

Conectarea directa la retea este realizata prin conectarea directa la reteaua de curent alternativ trifazat.

Conectarea indirecta se realizeaza prin trecerea curentului de la turbina printr-o serie de componente electrice care il ajusteaza astfel inct sa indeplineasca cerintele retelei electrice la care este conectat. Cu un generator asincron, aceasta cerinta este indeplinita automat

Generatorul asincron sau masina asincrona (MAS) este frecvent utilizata, deoarece ea poate suporta usoare variatii de viteza, ceea ce constituie un avantaj major pentru aplicatiile eoliene, in cazul carora viteza vntului poate evolua rapid, mai ales pe durata rafalelor. Acestea determina solicitari mecanice importante, care sunt mai reduse in cazul utilizarii unui generator asincron, dect in cazul generatorului sincron, care functioneaza in mod normal, la viteza fixa. Masina asincrona este insa putin utilizata pentru eoliene izolate, deoarece necesita baterii de condensatoare care sa asigure energia reactiva necesara magnetizarii. Aceasta poate fi:

- Cu rotor bobinat, infasurarile rotorice, conectate in stea, sunt legate la un sistem de inele si, perii ce asigura accesul la infasurari, pentru conectarea unui convertor static in cazul comenzii prin rotor (masina asincrona dublu alimentata - MADA).

- In scurt-circuit, rotorul este construit din bare ce sunt scurtcircuitate la capete prin intermdiul unor inele. infasurarile rotorice nu sunt accesibile.

35


Fig.2.14 Interiorul unei nacele

3.7. Sistemul electronic de control a functionarii generale a eolienei si a mecanismului de orientare. El asigura pornirea eolienei, reglarea inclinarii palelor, frnarea, ca si orientarea nacelei in raport cu vntul.

Fig.2.15. Dispozitive de masurare a vantului

2.2.8. Sistemul de orientare a nacelei este constituit dintr-o coroana dintata (cremaliera) echipata cu un motor. El asigura orientare eolienei si "blocarea" acesteia pe axa vntului, cu ajutorul unei frne.

36


2.2.9. Pilonul - este, in general, un tub de otel si un turn metalic. El sustine turbina eoliana si nacela. Alegerea inaltimi este importanta, deoarece trebuie realizat un bun compromis intre pretul de constructie si expunerea dorita la vnt. in consecinta, odata cu cresterea inaltimii, creste viteza vntului, dar si pretul. in general, inaltimea pilonului este putin mai mare dect diametrul palelor. inaltimea eolienelor este cuprinsa intre 7 si 40 de metri. Prin interiorul pilonului trec cablurile care asigura conectarea la reteaua electrica.

Fig.2.18. Interior pilon

Capitolul III: Proiectarea elementelor mecanice pentru o eoliana de mica putere

Pentru a determina ce putere electrica trebuie sa produca turbina este recomandata inlocuirea tuturor consumatorilor traditionali, cu altii identici dar mult mai eficienti din punct de vedere al consumului de energie. Primul pas trebuie facut prin determinarea consumului si a consumatorilor.

Tabel 3 - Consumatori Casnici

Componente Putere [W]Cantitate [buc]

Functionare [ore / zi]

Consum [kWh / luna]

Mixer 300 W 1 0.1 h 0.9 kWhUscator 1000 W 1 0.1 h 3.0 kWhVentilator 150 W 1 0.5 h 2.3 kWhUscator haine (electric) 4000 W 1 0.3 h 30.0 kWhCafetiera 1000 W 1 0.2 h 6.0 kWhMasina spalat vase 700 W 1 0.2 h 3.2 kWhFier de calcat 1000 W 1 0.3 h 9.0 kWhCuptor cu microunde 1500 W 1 0.1 h 4.5 kWhFrigider (nou, economic) 200 W 1 6.0 h 36 kWhAspirator 1000 W 1 0.3 h 9.0 kWh

37


Masina de spalat 3000 W 1 0.5 h 45.0 kWhAer conditionat 2500 W 2 3.0 h 450.0 kWhTV color 150 W 2 4.0 h 54.0 kWhDesktop Computer 300 W 1 2.0 h 18.0 kWhLaptop Computer 100 W 1 2.0 h 6.0 kWhAntena Satelit 30 W 1 6.0 h 5.4 kWhIluminat (economice ) 20 W 021502 4.0 h.0 h 72.0 kWhDrujba 2000 W 1 2 h 120.0 kWhFlex mare 2000 W 1 0.2 h 12.0 kWhCositoare Elect. 1400 W 1 0.5 h 21.0 kWhTocatoare Elect. 2000 W 1 1 h 60.0 kWhPompa alimentare apa 1500 W 1 2.0 h 90.0 kWhAlti consumatori (rezerva ) 300 kWh

Total consum 1357 kWh

Centrala eoliana este amplasata intr-o zona deluroasa, la o altitudine de 700 m fata de nivelul marii, unde vntul bate cam 4000 de ore pe an si viteza medie anuala este intre 3,5..8 m/s.

La valoarea nominala a vitezei vantului de:Vnom.= 8 m/s avemCp=0,3 - coeficientul de utilizare a energiei eoliene are valoarea maxima.Astfel la aceasta viteza a vntului, o turbina eoliana va avea o turatie

cuprinsa intre 25-35 de rotatii pe minut. Teoria privind conversia energiei eoliene in baza unei turbine idealizate

amplasata intr-un flux de aer (fig.3.1.), presupune ca fluxul de aer va ceda unei turbine ideale nu mai mult de 59,26% (teoria Betz) din puterea sa initiala (fig. 3.2).

In realitate, cele mai performante turbine eoliene cu trei pale au factorul Betz egal cu 0,45 0,50.

Fig. 3.1. Efectul produs de turbina asupra unui flux de aer

38


Energia vntului este in fapt, energia cinetica recuperabila a aerului, ce traverseaza suprafata S.

Puterea asociata acestei energii cinetice este:

3

21 vSCP pturbina = in care:

WPturbina 80,770803,825,13,021 3

==

v - viteza vntului [m/s]; = 1,25 kg/m, densitatea aerului, in conditii normale de temperatura si presiune, la nivelul marii;S= suprafata [m] acoperita de palele turbinei.

Totusi, aceasta putere nu poate fi recuperata in totalitate, deoarece o parte este necesara pentru evacuarea aerului care a efectuat lucru mecanic asupra palelor turbinei. Se introduce coeficientul de putere (de performanta) al turbine Cp, rezultnd puterea mecanica la arborele turbinei.

Coeficientul de putere a fost introdus in cadrul teoriei lui Betz. Limita lui Betz indica energia maxima ce poate fi recuperata, chiar si de cele mai performante eoliene - bipale sau tripale, cu ax orizontal.

Aceasta nu poate fi dect 59% din energia vntului, ceea ce inseamna ca Cp max (teoretic) este 0,59.

Pentru o eoliana reala, Cp este cel mult 0,3 0,4. Coeficientul Cp caracterizeaza randamentul turbinei eoliene. El poate fi

exprimat si ca:

adisponibil

turbinamecp P

PC .=

WC

PP

p

turbinamecadisponibil 3,25693,0

8,770.===

39


Fig. 3.2. Variatia factorului de eficienta Cp in raport cu factorul de franare

3.1. Predimensionarea arborelui de intrare

3.1.1 Calculul puterii electrice necesare la iesirea din turbina

itotale PP =7125,095,075,0 === electricmecanictotal

75,0=mecanic95,0=electric

[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]31309,2 10 kWh1309,2 kWh/luna 0,505 Wh/sec

30 zile 24 ore 3600 secconsumE = = =

[ ][ ] [ ] [ ]

[ ]i

0,505 Ws 0,5050,5 W P 0,708 W1 sec 0,7125

t 1 sec

consum ee

total

E PPt

= = = = = =

=

3.1.2 Calculul mometului de torsiune

[ ]30 30 0,708 13,522 N m13060

it

t

PMnpi pi

= = =

nt- turatia turbinei nt=30 [rot/min]

3.1.3 Predimensionarea arborelui de intrare din conditia de rezistenta la rasucire

Arborele este confectionat din Otel Aliat marca 40Cr11 cu c=520 [Mpa]

[ ] [ ]331 1316 16 13522 16 5,09 mm 25 mm520STAS

t ta

i a

M Md dd

pi pi pi

= = = =

3.2. Proiectarea multiplicatorului armonic

40


3.2.1. Predimensionarea elementului elastic din conditia de rezistenta la oboseala

1. Numerul de dinti al rotii elastice, respectiv al rotii rigide ze, zr

Nkz

zzzi

z

e

er

erge

=

=

Fig 3.3. Sectiune element elastic

[ ] [ ]100; 100 200 dinti 202 dinti22;

rge e

e rr e

i z z zz z

= = = =

= 2. Diametrul interior al cilindrului elementului elastic

[ ] [ ]

2

3 1

53

0,4563

0,456 13522520 3 2 10 1,5 0,014 0,2 0,014

2 1,7 100

43,38 mm 52 mm

ti

z sdbd sdr

ge

i

STAS

i i

MdE Y

k c i

d

d d

=

=

= =

3. Rezistenta la oboseala a materialului rotii elastice -1=520 [Mpa]

41


4. Modulul de elasticitate longitudinal al rotii elastice E=2105 [Mpa]

5. Coeficientii de latime, de grosime ai rotii elastice:

2,0=bd ; 014,0=sd

6. Coeficientul de influenta a dintelui : Yz=1,5

7. Coeficentul de siguranta la oboseala, respectiv de concentrare a tensiunilor : c=1,7; k=2

8. Grosimea obadei rotii elastice[ ]1 0,014 52 0,728 mmsd is d= = =

9. Modulul rotii dintate,

[ ]52 0,26 0,28 mm200

STASi

e

dmz

= = =

3.2.2. Calculul elementelor geometrice ale rotii elastice

Fig.3.4. Schita roata elastica

1. Diametrul de picior al rotii elastice

42


[ ]12 52 2 0,728 53,456 mmfe id d s= + = + =

2. Coeficientii de deplasare ai profilului rotii scula, respectiv ai rotii elastice x01,xe

[ ]*

0 0 001

2 41,25 144 2 1,5 0,16 mm2 2 2 0,28 2

a ad z hxm

+ + = = =

( )( ) [ ]

001 01

01 01 01

2 tan200 144 0,009 0,015 0,16 2,99 mm2 0,364

tan 0,009tan 0,015

ee w

e

w w w

z zx inv inv x

x

invinv

+=

+= =

= =

= =

3.2.3. Determinarea elementelor geometrice ale rotii dintate rigide

1. Diametrul de picior al rotii rigide

( ) ( ) [ ]02 02 0,5 2 8,03 0,5 41, 25 57,31 mmfr w ad a d= + = + =2. Diametrul de cap al rotii rigide

[ ]02 2 2

54,58 2 1,41 2 0,28 2 0,05 0,28 56,81 mmar ae n d

ar

d d w h x md

= + = + =

3. Inaltimea activa a dintelui, hd=m=0,28mm

3.2.4. Verificarea lipsei interferentei

1. Diametrul cercului inceputurilor evolventice pentru roata elastica

[ ]cos 0,940,28 200 53,88 mmcos 0,97le e le

d m z

= = =

43


2. Diametrul cercului inceputurilor evolventice pentru roata rigida

[ ]cos 0,940,28 202 54,712 mmcos 0,97lr r lr

d m z

= = =

3. Conditiile lipsei interferentei

0

0

254,58 54,712 2 1,41(Adevarat)

256,81 53,88 2 1,41 0,05(Adevarat)

ae lr n

ar le n

d d w

d d w x

+ +

+ +

4. Diametrul cercului de baza al rotii elastice

[ ]cos 0,28 200 cos20 52,62 mmbe ed m z = = =5. Diametrul cercului de baza al rotii rigide

[ ]cos 0,28 202 cos20 53,15 mmbr rd m z = = =

44


Capitolul IV : Proiectarea sistemului electric pentru o eoliana de mica putere

4.1. Generatorul

In cazul generatoarelor asincrone, datorita alunecarii, exista posibilitatea functionarii acestora cu usoare variatii de viteza vom folosi o masina asincrona (MAS) cu rotor in scurtcircuit asociata cu un convertor static de tensiune si frecventa (CSTF) indirect.

Fig. 4.1. Componenta sistemului electric

In principiu, viteza se regleaza prin intermediul frecventei de alimentare a infasurarilor statorice.

Bidirectionalitatea CSTF asigura functionarea atat in zona hiposincrona (sub caracteristica mecanica naturala), ct si in cea hipersincrona (deasupra caracteristicii mecanice naturale) si controlul energiei reactive vehiculate cu reteaua de distributie.

Turbina eoliana fiind cu viteza variabila, pentru optimizarea puterii debitate in retea, in functie de viteza vntului, este de dorit ca sa se poata regla viteza de rotatie a eolienei.

Generatorul cu viteza variabila ar permite functionarea pentru o gama mult mai larga a vitezei vntului, deci recuperarea unei cantitati mai mari din energia vntului, reducnd in acelasi timp zgomotul pe durata intervalelor cu vnt slab. in cazul eolienelor cu viteza variabila, sistemul este reglat astfel inct, pentru fiecare viteza a vntului, eoliana sa functioneze la puterea maxima. Este ceea ce se numeste Maximum Power

45


Point Tracking (MPPT). Pentru o anumita viteza de rotatie a eolienei, puterea maxima se obtine in concordanta cu caracteristica eolienei P(Q).

Fig. 4.2. Diagrama putere viteza vantului

Bilantul de puteri: MAS Pmec =Pelec (PS) PS = Pmec - Q pierderi

Parametrii ce caracterizeaza generatorul asincron (MAS) sunt:- numarul de poli ( de perechi de poli); - 8- puterea nominala[kW] - 2,5 kw- turatia nominala [rot/min]; - 1800 rot/min- randamentul nominal; - 0,95- factorul de putere nominal; - 0,87Viteza de rotatie se poate modifica in limite largi (intr-un domeniu de pna la 3),

prin modificarea frecventei de alimentare a masinii.Sistemele eoliene cu viteza variabila ce functioneaza conectate la retea,

utilizeaza convertoare statice de tensiune si frecventa (CSTF).

4.2. Convertorul static de tensiune si frecventa (CSTF) compus din:

- convertor c.a.-c.c. - (redresor) (1) (se utilizeaza redresoare necomandate, cu diode, in cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirectionale. In cazul generatoarelor asincrone, se utilizeaza redresoare cu comanda in durata. Acestea pot furniza si energia reactiva necesara magnetizarii.)

46


- convertor c.c.-c.a. - (invertor) (2) (prin comanda acestuia, se poate regla frecventa si valoarea eficace a energiei, astfel inct sa se poata realiza conectarea la retea. Se prefera utilizarea invertoarelor cu modulatie in durata, deoarece calitatea energiei furnizate este mai buna)

Dimensionarea unui sistem eolian pentru un consumator izolat are ca obiectiv realizarea unei conversii de putere a parametrilor electrici variabili preluati de la bornele generatorului eolian, in parametri constanti stabilizati oferiti consumatorului final. Sistemul eolian prezentat are in componenta un generator de tensiune, un etaj invertor de tensiune (24-220 V) si instalatia de automatizare aferenta, dupa cum se arata in schema bloc din figura 4.3. In cele ce urmeaza, se vor detalia componentele etajului invertor.

Schema bloc este alcatuita din:

Stabilizator de tensiune; Redresor de tensiune; Invertor de tensiune; Schema de selectare automata a sursei de alimentare a invertorului.

Aceasta schema a fost adoptata pe baza urmatoarelor criterii:

Necesitatea stabilizarii tensiunii variabile preluate de la generator; Folosirea unui banc de baterii pentru continuitatea alimentarii cu

tensiune in cazul in care generatorul nu functioneaza; Convertirea tensiunii preluate de la generator/baterii trebuie sa se faca

la anumiti parametri de calitate (valoarea tensiunii de iesire sa varieze maxim cu 10%, valoarea frecventei tensiunii de iesire sa varieze cu maxim 1%);

In cazul in care parametrii de iesire ai invertorului de tensiune nu mai corespund limitelor admise, sa se faca comutarea automata pe sistemul national de distributie;

Randamentul de conversie al tensiunii oferite de generator sa ajunga la un maxim de 95%.

47


Fig.4.3. Sistemul electric - schema bloc

48


Principalii parametri de functionare ai etajului de putere sunt:

Tensiune de intrare: 24V curent continuu; Tensiune de iesire: 220V curent alternativ 10%; Frecventa tensiunii de iesire: 50 Hz 1%; Puterea nominala continua: 2500 W (3125 VA) pe sarcina rezistiva.

Pentru realizarea acestui etaj intermediar de conversie dintre generator si reteaua de consum, se vor urmari:

Dimensionarea si realizarea stabilizatorului de tensiune; Dimensionarea si realizarea redresorului de tensiune; Dimensionarea, alegerea componentelor si realizarea invertorului de

tensiune; Extragerea de concluzii pe baza montajului realizat si principalelor

forme de unda ale acestuia.

Deoarece necesarul de putere instalata difera de la consumator la consumator, puterea dimensionata a etajului invertor variaza pentru fiecare consumator in parte. Schema de comanda si schema de putere ramn aceleasi pentru orice valoare a puterii de iesire, singurele modificari facndu-se asupra valorilor componentelor din scheme; rezulta de aici ca discutia care se face asupra unei valori a puterii dimensionate a iesirii invertorului se poate extinde pentru o plaja de valori destul de larga.

Datorita modului de constructie, singura diferenta fata de un etaj invertor de o putere mai mare o constituie magnitudinea curentilor de circulatie, principalele tensiuni ramnnd aceleasi, putndu-se astfel aproxima o scalare de la puterea de 2.5 kW la puterea de 6 kW.

Aceasta scalare se poate determina din raportul puterilor (P6kW/P2.5kW=2,4), deci orice curent din schema de 2,5 kW va avea un corespondent de 2,4 ori mai mare in schema de 6 kW, stresul datorat tensiunilor fiind acelasi.

Peste 6 kW, se considera inoportuna folosirea unei tensiuni de intrare de 24V, datorita curentilor mari care apar la intrarea invertorului de tensiune, recomandndu-se folosirea unui etaj indermediar convertor cc-cc pentru mentinerea in limite acceptabile a valorilor curentilor de intrare, sau cresterea tensiunii de intrare a invertorului.

4.2.1. Stabilizatorul de tensiune - are rolul de a stabiliza tensiunea aplicata unui consumator de energie electrica fata de variatiile tensiunii sursei de alimentare, variatiile rezistentei de sarcina si variatiile temperaturii. El se intercaleaza intre sursa de alimentare si consumator.

Datorita actiunii stabilizatorului, tensiunea de la bornele sarcinii poate fi practic constanta si independenta de factorii perturbatori, deci ansamblul sursa de alimentare - stabilizator de tensiune poate fi privit ca o sursa de tensiune aproape ideala, cu o rezistenta interna foarte mica.

49


Datorita acestei rezistente interne foarte mici, se reduce interactiunea nedorita dintre diversii consumatori care se alimenteaza in paralel de la aceeasi sursa de alimentare, evitnd astfel producerea unor perturbatii grave in functionarea acestora.

Folosirea stabilizatoarelor este necesara si in cazul alimentarii multora dintre schemele electrice a caror functionare corecta implica o tensiune de alimentare mentinuta riguros intre anumite abateri maximum admisibile.

Problema stabilizarii tensiunii de alimentare se pune in mod deosebit in cazul aparatelor electronice de masura, a caror precizie de masurare este sensibil influentata de stabilitatea tensiunii de alimentare.

In cazul cnd rezistenta de sarcina a stabilizatorului este constanta, curentul prin aceasta va fi constant, deci stabilizatorul de tensiune in mod implicit joaca rolul unui stabilizator de curent.

Datorita tensiunii variabile oferite de generatorul de tensiune, pentru alimentarea invertorului s-a folosit un etaj intermediar de stabilizare a tensiunii. Acesta este dimensionat sa asigure o tensiune stabilizata de iesire de:

U= 24V;I= 40A; la o variatie a tensiunii de intrare de 10 V.De mentionat faptul ca acest stabilizator se poate folosi numai pentru maxim

40 A iesire, deoarece peste aceasta limita pierderile in conductie devin foarte mari.La generatoarele care asigura o tensiune de iesire constanta, dar si puteri

mai mari, se poate elimina intercalarea unui astfel de stabilizator.

Parametrii principali: Tensiune de intrare: 25-35 V Tensiune de iesire: 24 V Curent maxim: 40A

Stabilizatorul este realizat din 5 circuite integrate LM338 puse in paralel, capabile sa suporte fiecare 8A pentru o valoare a tensiunii de iesire intre 24 si 32V, si deci per total valoarea de 40A necesara.

Pentru impartirea uniforma a curentilor pe cele 8 circuite integrate, s-au conectat in serie cu iesirea acestora cte o rezistenta de 0,1 la 5W. De notat faptul ca aceste stabilizatoare pot suporta, pe o durata maxima de 0,5 secunde, si in conditiile montarii pe un radiator, curenti de pna la 12A fiecare, fiind deci compatibili cu sarcini ce necesita curenti de pornire ridicati. Deasemenea, aceste circuite stabilizatoare detin prin constructie circuite de protectie la suprasarcini si scurtcircuit, marind fiabilitatea ansamblului general.

Valoarea tensiunii de iesire se regleaza prin comanda pe pinul 3 (ADJ), comanda data de tranzistorul 2N2905.

Pentru realizarea stabilizarii tensiunii de iesire la variatiile att ale tensiunii de intrare, ct si a sarcinii conectate, s-a folosit amplificatorul operational de mare precizie LM308. Aceasta reglare se face prin setarea unei tensiuni de referinta pe intrarea neinversoare (pinul 3) prin intermediul rezistentei R5 si a potentiometrului TR1.

50


Aceasta valoare este comparata cu valoarea intrarii inversoare (pinul 2), valoare preluata de pe divizorul de tensiune format din rezistentele R6, R7, R8 si R9. La o variatie a tensiunii de iesire, comparatorul va comanda curentul de baza a tranzistorului 2N2905, care la rndul lui va comanda intrarile de reglare ale circuitelor integrate stabilizatoare LM338.

Datorita limitarii tensiunii de alimentare a circuitului integrat LM308 intre 2 si 20V, s-a introdus un stabilizator de tensiune LM7818, pentru a alimenta amplificatorul operational LM308 la o tensiune constanta de 18V, si a asigura astfel precizia necesara.

Pentru a putea corecta variatiile de tensiune de la bornele de intrare, s-a conectat la intrarea stabilizatorului doua condensatoare electrolitice de valori mari, 10.000F/63V, iar la iesire un condensator de 47F/63V.

Pentru netezirea formei de unda de intrare si iesire, s-au adaugat si doua condensatoare de 100nF/100V. Desi ridica valoarea de cost a montajului foarte mult, aceste condensatoare sunt necesare pentru o buna functionare a sistemului din care fac parte.

Montajul mai contine si un led rosu inseriat cu o rezistenta R10, montate la iesirea stabilizatorului, cu scopul semnalarii prezentei tensiunii.

De notat si faptul ca cele 5 rezistente de 0,1 montate in serie cu circuitele LM se vor pozitiona la distanta fata de cablajul imprimat, deoarece disipa destul de multa caldura in timpul functionarii, riscnd deteriorarea circuitelor. De asemenea, se va lua in considerare si valoarea mare a curentilor vehiculati prin montaj, legaturile fiind facute cu conductori dimensionati sa suporte cel putin 40A in mod continuu (se pot lega in paralel doua conductoare de 4mm).

Datorita caldurii disipate de capsule in timpul functionarii in sarcina, s-a montat si un ventilator de 80 mm, pentru prevenirea intrarii in protectie termica a stabilizatoarelor de tensiune LM338.

Schema ansamblului stabilizator a fost realizata cu ajutorul programului Multisim, iar cablajul a fost realizat folosind programul Eagle v4.0.

51


Fig. 4.4. Schema ansamblu stabilizator de tensiune

52


4.2.2. Redresor de tensiune - transforma energia electrica de curent alternativ in energie electrica de curent continuu. In functie de natura elementelor componente, redresoarele sunt:

- necomandate - realizate numai cu diode;- semicomandate - realizate cu diode si tiristoare;- comandate - realizate numai cu tiristoare.

Redresoarele necomandate asigura la iesire o tensiune continua de valoare medie constanta. Redresoarele semicomandate si comandate asigura la iesire o tensiune continua reglabila.

Redresoarele pot fi cu sau fara transformator. Cele fara transformator se caracterizeaza prin simplitate, gabarit mic si pret redus. Desi prezinta aceste avantaje, redresoarele fara transformator sunt utilizate pe scara redusa. Introducerea transformatorului in circuitul energetic al redresoarelor permite rezolvarea urmatoarelor probleme:

transformarea tensiunii sursei, astfel inct sa fie in concordanta cu tensiunea receptorului;

transformarea numarului de faze (marirea numarului de faze) in scopul netezirii tensiunii si a curentului redresat;

obtinerea punctului de nul pentru circuitele de redresare cu conexiunea in stea;

izolarea retelei de curent alternativ de reteaua de curent continuu; imbunatatirea formei curentului primar;

realizarea redresoarelor cu scheme de redresare complexe.Primul redresor, cel din figura 4.5, este alcatuit din transformatorul de retea

T1, puntea redresoare D1, tiristorii Q1 si Q2, potentiometrul R3. Modul de functionare este destul de simplu: din potentiometrul R3 se seteaza o valoare limita a tensiunii de incarcare a bateriei 28,5V, pentru baterii de 24V. In momentul conectarii bateriei de incarcat (se considera ca aceasta este sub limita de incarcare), poarta tiristorului Q1 este polarizata, iar acesta intra in conductie, incarcnd bateria conectata intre bornele + si - . Odata ce valoarea tensiunii bateriei a ajuns la pragul stabilit de potentiometrul R3, dioda zenner D3 se deschide, provocnd intrarea in conductie a tiristorului Q2, determinnd astfel o tensiune inversa destul de mare pe terminalele primului tiristor pentru a-l bloca. Primul tiristor ramane in aceasta stare att timp ct bateria are o valoare mai mare dect referinta impusa de potentiometrul R3.

Limitarea curentului la acest redresor este impusa doar de puterea transformatorului, dimensionarea puntii redresoare si de parametrii nominali ai tiristoarelor. Alegerea componentelor se face tinnd seama de curentul de incarcare pe care vrem sa il aplicam acumulatorilor. Rezulta ca pentru un curent de incarcare de 2A, transformatorul trebuie sa fie dimensionat la o putere aparenta de 100VA. De asemenea, puntea redresoare trebuie sa fie aleasa la un amperaj superior celui necesar, in circuitul prezent fiind aleasa de 10A la 100V, pentru a lucra intr-un regim termic normal (~300C).

53


Pentru a putea lucra in mod constant cu un curent de 2A, tiristorul Q1 a fost ales ca fiind de tipul TYN808 (8A la 80V), iar cel de-al doilea tiristor de tip BT151 (2A la 500V).

Pentru a semnala incarcarea completa, montajul a fost prevazut cu un led indicator de 24V/2W, care se aprinde in momentul iesirii din conductie a tiristorului Q1. Acest redresor va fi incorporat in invertorul de tensiune, intrnd automat in functie in momentul trecerii pe sistemul de distributie national.

Al doilea redresor, care asigura incarcarea bateriei pe durata functionarii generatorului, este identic cu primul redresor, singurele modificari constnd in eliminarea transformatorului de tensiune si a puntii redresoare, precum si adaugarea unui condensator de 2200 F/63V, pentru a putea minimiza efectele variatiei de tensiune de intrare.

Figura 4.5. Schema electrica redresor

4.2.3. Invertor de cc-ca este un dispozitiv folosit pentru a produce tensiune alternativa din tensiune continua, modificnd parametrul de intrare Ui constant, in parametrii de iesire Ue si fe constanti.

Majoritatea invertoarelor realizeaza aceasta prin convertirea tensiunii continue in tensiune alternativa, urmnd ridicarea acesteia printr-un transformator. Scopul este acela de a efectua aceste conversii ct mai eficient posibil, astfel inct cea mai mare parte a tensiunii continue sa fie transformata in tensiune alternativa, fara pierderi termice si de comutatie prea mari.

54


Circuitele moderne folosesc scheme ca cea aratata in figura 4.6. Tensiunea continua este transformata cu ajutorul a doua perechi de mosfet-uri (denumite si comutatoare statice). Tensiunea continua este conectata la priza mediana a primarului unui transformator, in timp ce fiecare dintre mosfeturi se conecteaza intre o terminatie a infasurarii primare a transformatorului si masa.

Fig. 4.6. Schema generala invertor

Actionnd cele doua comutatoare statice alternativ, curentul circula prin cele doua infasurari ale transformatorului, producnd un flux magnetic alternativ in infasurarea secundara (raportul de transformare intre cele doua infasurari este de aproximativ 10:1).

Mosfet-urile sunt folosite ca si comutatoare statice deoarece in pozitia deschis au o impedanta tinznd la ,iar in pozitia inchis sunt foarte aproape de scurtcircuit (doar ctiva miliohmi). In practica, sunt cteva mosfet-uri conectate in paralel pentru a putea suporta curentii care apar in circuit, totusi putndu-se considera ca un singur mosfet.

Deoarece mosfet-urile sunt folosite intr-un ciclu inchis-deschis, acest tip de invertor nu produce o tensiune sinusoidala pura la iesire, comparabila cu cea de distributie nationala.

55


Forma tensiunii de iesire este de fapt un sir de impulsuri dreptunghiulare alternative. Totusi, latimea pulsurilor si spatiul dintre ele sunt alese in asa fel inct media lor sa fie egala cu tensiunea de 220 V. Foma de unda rezultanta se numeste sinusoida modificata, multe din echipamentele obisnuite putnd sa functioneze in parametri normali. Dezavantajul consta in faptul ca tensiunea de iesire nu contine doar armonica principala, ci si pe cele de rang superior, unele echipamente fiind nefunctionale datorita acestora.

Reglarea tensiunii de iesire se face printr-un procedeu numit modulatie in durata MID (PWM) si este realizat de obicei printr-un sistem de reglaj in bucla inchisa asupra tensiunii sau curentului de la iesirea invertorului.

La o crestere a sarcinii aplicate invertorului, se realizeaza o modificare a latimii pulsurilor de comanda a mosfet-urilor, corectnd astfel valoarea mediata a tensiunii de iesire. Procedeul are anumite limitari, ajungnd (in momentul unei suprasarcini) sa emita la iesire un semnal de forma dreptunghiulara.

Unele tipuri de invertoare au incorporat un pornitor pentru a permite echipamentelor de tip motor sa porneasca fara a intra in regim de protectie automata (curentul de pornire al acestor echipamente fiind de aproximativ Ip = 3...10 In ).

Chiar si in cazurile acestea, multe aplicatii nu sunt compatibile cu invertoarele de tensiune, deoarece curentul de pornire necesar este mult peste posibilitatile de generare ale invertorului, existnd pericolul defectarii acestuia.

Desi dimensionarea invertoarelor de tensiune se face pentru sarcini rezistive, majoritatea sarcinilor suportate sunt de tip inductiv sau capacitiv, aceste sarcini impunnd probleme deosebite in functionarea invertoarelor.

Datorita componentelor inductive, se produc vrfuri de tensiune care pot fi transferate prin intermediul transformatorului de putere mosfet-urilor care realizeaza conversia de energie.

Riscul este minim in momentul cnd mosfet-urile se afla in stare de conductie, dar devine maxim in momentul in care sunt in repaos. Din acest motiv se monteaza diode zenner de mare putere intre iesirile mosfet-urilor si masa.

O alta solutie consta in montarea de diode de mare putere ultrarapide conectate intre fiecare capat al infasurarilor primare si un condensator electrolitic de mare capacitate, care se incarca la dublul potentialului sursei de alimentare a invertorului.

In momentul aparitiei unei tensiuni inverse superioare gradului de incarcare a condensatorului, diodele intra in conductie si condensatorul absoarbe vrfurile de tensiune.

Invertorul de putere proiectat este un invertor in semipunte monofazat, realizat pe baza tehnologiei de comanda MID (PWM). Structura invertorului este realizata in jurul microcontrolerului PIC16F84. Invertorul are o constructie simpla si robusta, dimensionat sa suporte sarcini cu caracter puternic inductiv sau capacitiv, fiind alcatuit din doua module de baza comanda si putere - care vor fi discutate in cele ce urmeaza.

56


Specificatii: Tensiune de intrare: 24Vcc Tensiune de iesire: 220Vca 50Hz Putere nominala: 2500 VA

Datorita comenzii bancurilor de mosfet-uri in unda qvasirectangulara, forma de iesire a tensiunii invertorului este de tip sinusoida modificata, invertorul putnd fi folosit in domenii de sensibilitate redusa, nerecomandndu-se folosirea pentru aparataj medical, de precizie ridicata sau in sisteme de etalonare.

Modulul de comandaEste compus dintr-un etaj detector de tensiune, un convertor pe 8 biti

ADC0831, trei stabilizatoare de tensiune de 5, 6 si 12 Vcc pentru alimentarea circuitelor integrate din sistem si producerea valorilor de referinta pentru etajele de suprasarcina si de reglare, si, cel mai important, dintr-un microcontroler PIC16F84. Fata de proiectele clasice cu circiute integrate, acest modul are un avantaj si un dezavantaj principal: avantajul consta in faptul ca realizarea fizica a modulului de comanda necesita foarte putine componente, reducnd astfel costurile implicite, iar dezavantajul consta in faptul ca microcontrollerul necesita un program elaborat (prezentat in punctul 5.3.1) pentru comanda mosfet-urilor si realizarea functiilor de protectie la suprasarcina si ajustare automata a frecventei si tensiunii de iesire. Se poate considera ca acest program este cel mai important factor din cadrul invertorului.

Functionarea modulului de comanda In momentul alimentarii circuitelor invertorului, tensiunea de iesire generata

in prima faza modulul de putere este sesizata de etajul detector de tensiune, format dintr-un transformator T2 (avnd rol si de separatie galvanica) auxiliar conectat la iesirea invertorului, avnd o tensiune de iesire de 9Vca. Aceasta tensiune este redresata de o dioda 1N4001, si apoi integrata de un condensator de 10F. Prin esantionarea in acelasi punct al pantei tensiunii alternative, microcontrolerul are posibilitatea de a estima valoarea tensiunii de iesire prin intermediul convertorului pe 8 biti ADC0831. Acest tip de convertor a fost ales pentru modul de lucru serial, necesitnd doar o intrare de 3 pini la nivelul microcontrolerului (18 pini), marind astfel posibilitatile de lucru ale acestuia. Valoarea tensiunii de iesire este masurata cu o aproximatie de 2,1 V din tensiunea de 220 Vca, valoare considerata acceptabila, incadrndu-se in limita de eroare de 10%.

Microcontrolerul functioneaza la o frecventa de tact de 3.072 MHz, generata de un cristal de quartz conectat intre pinii OSC1 si OSC2. Aceasta frecventa de tact este aleasa pentru a mentine o frecventa a tensiunii de iesire de 50Hz.

Algoritmul de calcul pentru producerea modulatiei MID produce un puls variabil pe iesirile RB6 si RB7 responsabile pentru comandarea mosfeturilor, puls ce variaza intre 5 si 8.2 milisecunde. Latimea pulsurilor depinde de reglajul necesar la iesire, tensiunea mentinndu-se constanta prin marirea sau micsorarea latimii pulsului de comanda. Forma de modulatie MID a fost aleasa in primul rnd pentru posibilitatea reglarii tensiunii de iesire; daca pulsul ar fi setat pentru a produce o tensiune fixa la iesire de 220 Vca, in momentul cuplarii sarcinii, aceasta s-ar reduce

57


drastic, curentul ar creste necontrolat, putnd conduce la defecte majore. Rezulta ca sistemul se comporta ca un regulator de tensiune, mentinnd tensiunea constanta pe masura ce sarcina variaza.

Pulsul produs la iesirea transformatorului de putere al invertorului (considernd un puls din tensiunea mediata) este produs prin comandarea perechilor de mosfet-uri cu doua semnale dreptunghiulare in antifaza. Primul puls de comanda este fix, pe o perioada de 1/240 dintr-o secunda (un sfert dintr-un ciclu de comanda complet). Pe durata acestui puls, convertorul pe 8 biti este citit, calculndu-se al doilea puls. Se realizeaza astfel un sistem de reactie in bucla inchisa cu cstig unitar. Odata ce timpul alocat primului puls ia sfrsit (dupa cum este setat de TMR0 in microcontroler), un puls de latime variabila este generat. Acest puls poate fi extins intre 0 si 4 milisecunde, fiind generat pe baza calculelor precedente. Dupa evolutia acestui puls, primul banc de mosfet-uri este inchis, microcontrolerul alocnd inca 1/240s timp mort necesar recuperarii de energie. Pulsul total poate varia acum pe o singura ramura a puntii de mosfet-uri intre 50 si 97% din ciclul unei jumatati de perioade. Procesul se repeta si pentru a doua ramura a puntii de mosfet-uri, cu un puls identic, pentru a produce o sinusoida simetrica la iesirea invertorului.

Prin programarea existenta, microcontrolerul include si o detectie de suprasarcina. In cazul in care sarcina este constituita dintr-un motor, curentul consumat de acesta la pornire tinde sa depaseasca posibilitatile de generare ale invertorului (curentul de pornire poate sa depaseasca de 10 ori curentul nominal). In timpul pornirii motorului, frecventa pulsurilor de comanda atinge maximul, insa tensiunea la bornele de iesire ale invertorului scade, datorita curentului mare cerut (daca in mod normal la iesirea transformatorului de 220V curentul maxim este de 10A pentru o putere de 2500VA, in cazul pornirii unui motor se poate ajunge la 50-60A). Microcontrolerul sesizeaza aceasta cadere de tensiune ca pe o suprasarcina, insa asigura, pentru o perioada scurta de timp, de maxim 6 secunde, functionarea in acest mod, permitnd pornirea motorului.

Microcontrolerul mai furnizeaza semnale pentru trei leduri de stare (alarma, suprasarcina si starea PWM), o comanda pentru corectarea factorului de putere prin conectarea pe iesirea invertorului a unui condensator si o comanda pentru un releu de putere, pentru conectarea sarcinii la invertor. Acest releu este comandat dupa un timp de 5 secunde de la alimentarea circuitelor invertorului.

Modulul de putereEste compus dintr-un etaj de comanda, un etaj limitator de curent, etajul de

putere si etajul de iesire tensiune.

Functionarea modulului de putereMosfet-urile de putere nu sunt comandate direct de iesirile de

Documents

Proiectare Centrala Eoliana