Proiect Licenta Centrale Eoliene

Proiect de Diplomă – “Centrale Eoliene”

1

Cuprins

Capitolul I: Introducere ………………………………..pag 2 Capitolul II: Proiectarea centralei eoliene - Partea mecanică …………………………………………..…...pag 37 Capitolul III: Proiectarea centralei eoliene - Partea electrică................. electrică.................................. .................................. .................................. ..................pag .pag 64 Capitolul IV: Caracteristici generale ale centralelor eoliene moderne...........................................................pag 70 Capitolul V: Dificultăţi legate de valorificarea energiei eoliene...............................................................................pag 76 Capitolul Capitolul VI: Concluzii................... Concluzii.................................... ...........................pag ..........pag 82 Bibliografie……………………………………………...pag 84


2

Capitolul I: Introducere energie regenerabi regenerabilă lă Energia Energia eoliană eoliană este o sursă de energie genera generată tă din putere putereaa vântului. vântului. Vânt Vântur urililee sunt sunt form format atee din din cauz cauzăă că soarele nu încălzeşte Pământul uniform, fapt care creează mişcări de aer. Energia cinetică din vânt poate fi folosită pentru a roti nişte turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deşi aceasta necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe oră. Puţine zone pe pământ au aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mare şi în zone oceanice.

Energia eoliană este folosită extensiv în ziua de astăzi, şi turbine noi de vânt se construiesc în toată lumea, energia eoliană fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creştere în ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.


2

Capitolul I: Introducere energie regenerabi regenerabilă lă Energia Energia eoliană eoliană este o sursă de energie genera generată tă din putere putereaa vântului. vântului. Vânt Vântur urililee sunt sunt form format atee din din cauz cauzăă că soarele nu încălzeşte Pământul uniform, fapt care creează mişcări de aer. Energia cinetică din vânt poate fi folosită pentru a roti nişte turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deşi aceasta necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe oră. Puţine zone pe pământ au aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mare şi în zone oceanice.

Energia eoliană este folosită extensiv în ziua de astăzi, şi turbine noi de vânt se construiesc în toată lumea, energia eoliană fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creştere în ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.


La

sfârşitul

anului

2006,

3

capacitatea

mondială

a

generatoarelor eoliene era de 73904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică. Deşi încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea ţărilor, producţia energiei eoliene a crescut practic de cinci ori între 1999 şi 2006, ajungându-se ca, în unele ţări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%). Se crede crede că potenţ potenţial ialul ul tehnic tehnic mondia mondiall al energi energiei ei eolien eolienee poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum acum.. Aces Acestt nive nivell de expl exploa oata tare re ar nece necesi sita ta 12,7 12,7% % din din supr supraf afaţ aţăă Pământul (excluzând oceanele) să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe kilometru pătr pătrat at.. Aces Aceste te cifr cifree nu iau iau în cons consid ider erar aree îmbu îmbună nătă tăţiţire reaa randamentului turbinelor şi a soluţiilor tehnice utilizate. 1.1 Istoricul eolienelor eolienelor

Energia eoliană este una din cele mai vechi surse de energie nepoluantă. Drept sursă energetică vântul este cunoscut omenirii de 10 mii de ani. încă de la orizontul civilizaţiei energia vântului se utiliza în naviga navigaţia ţia mariti maritimă. mă. Se presup presupune une că egipte egiptenii nii străve străvechi chi mergea mergeauu cu pânze cu 5.000 ani în urmă. În jurul anului 700 pe teritoriul Afganistanului se utilizau maşini eoliene cu axă verticală de rotaţie se utilizau pentru măcina măcinarea rea grăunţ grăunţelo elor. r. Cunoscu Cunoscutel telee instal instalaţi aţiii eolien eolienee (mori (mori cu elicel elicelee conectate la turn) asigurau funcţionarea unor sisteme de irigare pe insula Creta din Marea Mediterană. Morile pentru măcinarea boabelor, care funcţionau pe baza vântului, sunt una din cele mai mari performanţe a secolelor medii. în sec. XIV olandezii au îmbunătăţit modelul morilor de vânt vânt,, răsp răspân ândi dite te în Orie Orient ntul ul Mijl Mijloc ociu iu,, şi au înce începu putt util utiliza izare reaa larg largăă a instalaţiilor eoliene la măcinarea boabelor, aşadar moara de vânt este strămoşul generatoarelor eoliene.


4

Moara de Vânt

Mai târziu, morile se orientau după direcţia vântului şi au fost puse pânze pentru a capta mai bine energia vântului.

Moară de vânt cu pânze din zona etnografică Dobrogea de sud (sursa: www.cimec.ro www.cimec.ro))

Prima moară de vânt cu pale profilate a apărut în secolul doisprezece. Chiar dacă era foarte simplă, este totuşi vorba de prima


5

cercetare aerodinamică a palelor. Acestea au fost utilizate în principal pentru pomparea apei sau pentru măcinarea grâului. În perioada Renaşterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au interesat foarte intens de morile de vânt, ceea ce a condus la numeroase inovaţii. De atunci, morile s-au înmulţit în Europa. Revoluţia industrială a oferit un nou început pentru morile de vânt, prin apariţia de noi materiale. în consecinţă, utilizarea metalului a permis modificare formei turnului şi creşterea considerabilă a maşinilor pe care le numim pe scurt "eoliene" (Fig. 3).

Eoliana moderna

(sursa http://www.babilim.co.uk/)

1.2 Importanţa Eolienelor

Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile, aceasta este o sursă de energie reînnoibilă generată din puterea vântului. Energia eoliană este atractivă atât din punct de vedere ecologic - nu produce emisii în atmosferă, nu formează deşeuri radioactive, cât şi din punct de vedere economic - ca sursă energetică primară vântul nu costă nimic.


6

Noile cerinţe în domeniul dezvoltării durabile au determinat statele lumii să îşi pună problema metodelor de producere a energiei şi să crească cota de energie produsă pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto angajează statele semnatare să reducă emisiile de gaze cu efect de seră. Acest acord a determinat adoptarea unor politici naţionale de dezvoltare a eolienelor şi a altor surse ce nu degajă bioxid de carbon. Trei factori au determinat ca soluţia eolienelor să devină mai competitivă: • noile cunoştinţe şi dezvoltarea electronicii de putere; • ameliorarea performanţelor aerodinamice în conceperea turbinelor eoliene; • finanţarea naţională pentru implantarea de noi eoliene.

În prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile în producerea energiei electrice, este scăzută. Se poate spune că potenţialul diferitelor filiere de energii regenerabile, este sub-exploatat. Totuşi, ameliorările tehnologice au favorizat instalarea de generatoare eoliene ,într-un ritm permanent crescător în ultimii ani, cu o evoluţie exponenţială, având o rată de creştere de 25% în 2003.


7

Evolutia puterii instalate pe plan mondial 1995-2006 [MW] Sursa: EWEA (European Wind Energy Association)

Filiera eoliană este destul de dezvoltată în Europa, deţinând poziţia de lider în topul energiilor regenerabile. Acest tip de energie regenerabilă asigură necesarul de energie electrică pentru 10 milioane de locuitori. Dealtfel, 90 % din producătorii de eoliene de medie şi mare putere, se află în Europa.


8

MW

Procent din piaţa mondială

Germania Spaina Statele Unite ale Americii India Danemarca China Itala Regatul Unit la Marii Britanii Portugalia Franţa

20,622 11,615 11,603 6,27 3,136 2,604 2,123 1,963 1,716 1,567

27.8% 15.6% 15.6% 8.4% 4.2% 3.5% 2.9% 2.6% 2.3% 2.1%

Top 10 -Total Restul Lumii Total Mondial

63,217 11,004 74,221

85.2% 14.8%

Capacitate Totală


9

Repartiţia în Europa a energiei electrice produse pe baza eolienelor, arată diferenţe între state. Germania este liderul pe piaţa europeană, în ciuda unei încetiniri în 2003 a instalărilor. Spania, pe poziţia a doua, continuă să instaleze intensiv parcuri eoliene. Danemarca este pe a treia poziţie, având dezvoltate eoliene offshore şi trecând la modernizarea eolienelor mai vechi de 10 ani. Costurile şi eficienţa unui proiect eolian trebuie să ţină seama atât de preţul eolienei, cât de cele ale instalării şi întreţinerii acesteia, precum şi de cel al vânzării energiei. O eoliană este scumpă. Trebuiesc realizate încă progrese economice pentru a se putea asigura resursele dezvoltării eolienelor. Se estimează că instalarea unui kW eolian, costă aproximativ 1000 euro. Progresele tehnologice şi producţia în creştere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constantă a preţului estimat Preţul unui kWh depinde de preţul instalării eolienei, ca şi de cantitatea de energie produsă anual. Acest preţ variază în funcţie de locaţie şi scade pe măsura dezvoltării tehnologie. În Germania şi Danemarca, investitorii sunt fie mari grupuri industriale, fie particulari sau agricultori. Această particularitate tinde să implice populaţia în dezvoltarea eolienelor. Energia eoliană este percepută ca o cale de diversificare a producţiei agricole. în Danemarca, 100 000 de familii deţin acţiuni în energia eoliană. Filiera eoliană a permis, de asemenea, crearea de locuri de muncă în diverse sectoare, ca cele de producere a eolienelor şi a componentelor acestora, instalării eolienelor, exploatării şi întreţinerii, precum şi în domeniul cercetării şi dezvoltării. Se înregistrează peste 15 000 de angajaţi în Danemarca şi 30 000 în Germania, direct sau indirect implicaţi în filiera eoliană. Energia eoliană este considerată ca una din opţiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vântului fiind imense. Se estimează că energia eoliană recuperabilă la nivel mondial se situează la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattoră), ceea ce reprezintă de 4 ori mai mult decât consumul mondial actual de electricitate.


10

În Europa, potenţialul este suficient pentru asigurarea a cel puţin 20% din necesarul de energie electrică până în 2020, mai ales dacă se ia în considerare noul potenţial offshore. Energia produsă de parcurile eoliene din ţările membre U.E. până la sfarşitul anului 2006 [MW] Total energie produsă Total energie produsă la Energie produsă în Ţările memebre U.E. la sfârşitul anului 2005 sfârşitul anului 2006 anul 2006 [MW] [MW] [MW] Austria 819 145,6 965 Belgia 167,4 26,3 193 Bulgaria 10 22 32 Cipru 0 0 0 Cehia 28 22 50 Danemarca 3128 11,5 3136 Estonia 32 0 32 Finlanda 82 4 86 Franta 757 810 1567 Germania 18414,9 2233,1 20622 Grecia 573,3 172,5 746 Ungaria 17,5 43,4 61 Irlanda 495,5 249,9 745 Itala 1718 417 2123 Letonia 27 0 27 Lituania 6,4 49,05 55,5 Luxemburg 35,3 0 35 Malta 0 0 0 Olanda 1219 356 1560 Polonia 83 69,3 152,5 Portugalia 1,022 694,4 1716 Romania* 1,69 1,3 3 Slovacia 5 0 5 Slovenia 0 0 0 Spania 10028 1587,16 11615 Suedia 509,5 62,15 572 Regatul Unit al Marii 1332 634,4 1963 Britanii Total [MW] 39490,512 7611,06 48062


-2007-

11


12

1.3 Factorii care recomandă utilizarea Eolienelor în România

Energia eoliană este folosită destul de extensiv în ziua de astăzi, iar turbine noi de vânt se construiesc în toată lumea, energia eoliană fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creştere în ultimii ani. Capacitatea totală mondială a turbinelor de vânt este 74,221MW. Majoritatea turbinelor produc energie 25% din timp, acest număr crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice. Se crede că potenţialul tehnic mondial a energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum. Potenţialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicaturi şi în munţi. Dar există multe alte teritorii cu un potenţial eolian necesar pentru utilizare. Ca sursă energetică vântul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar în anumite perioade prezenţa vântului se observă pe parcursul întregii zile. Asupra resurselor eoliene influenţează relieful pământului şi prezenţa barierelor (obstacolelor) plasate la înălţimi de până la 100 metri. De aceea vântul, într-o mai mare măsură, depinde de condiţiile locale (relief) decât de soare. în localităţile montane, spre exemplu, două suprafeţe pot avea potenţial solar egal, însă potenţialul vântului poate fi diferit datorită diferenţei în relief şi direcţiile curenţilor maselor de aer. în legătură cu aceasta planificarea locului pentru plasarea instalaţiei se petrece mai detaliat decât montarea unui sistem solar. Energia vântului de asemenea este supusă schimbărilor sezoniere a timpului. Lucrul unei asemenea instalaţii este mai efectiv iarna şi mai puţin efectiv în lunile de vară (în cazul sistemelor solare situaţia este inversă). De exemplu în condiţiile climaterice din Danemarca sistemele fotoelectrice sunt efective la 18% în ianuarie şi la 100% în iulie. Eficacitatea lucrului staţiei eoliene este de 55% în iulie şi 100% în ianuarie. Astfel, varianta optimă este combinarea într-un sistem a instalaţiilor eoliene şi solare. Asemenea sisteme simbiotice asigură o productivitate a energiei

-2007-


13

electrice mai înalt în comparaţie cu instalaţiile eoliene sau fotoelectrice, luate aparte. Articolul "Evaluation of Global Wind Power", de Cristina L. Archer şi Mark Z. Jacobson (Stanford University) este rezultatul unui studiu finanţat de NASA şi finalizat de curând. Harta resurselor de vânt a fost realizată prin urmărirea a 8000 de puncte de măsurare din întreaga lume, inclusiv România. 13 % din punctele de pe hartă sunt încadrate în clasa 3 (vânt de 6.9-7.5 m/s) şi doar-câteva au fost încadrate în clase mai mari. România se află în zona de resurse de până la 5.9 m/s, ca majoritatea celorlalte zone, însă cu un potenţial suficient de important pentru a susţine o politică de promovare a sistemelor eoliene. Capacitatea potenţială însumată global în domeniul energiei eoliene este de 72 Terrawatts.

Ne aflăm destul de departe de U.E. în domeniul energiei curate. în Europa există 48,062MW instalaţi în turbine eoliene, care produc aproximativ 70 TWh, în timp ce în România sunt în funcţiune 1,3MW. Doar -2007-


14

Parcul Industrial de la Ploieşti beneficiază de energie electrică furnizată de turbina eoliană cu putere de 660 kW amplasată în apropiere. Aceasta a fost pornită, pe 17 aprilie, la opt km de Ploieşti, la Crângul lui Bot. Această instalaţie va produce energie electrică pentru firmele din cadrul Parcului Industrial Ploieşti (PIP). Investiţia a costat aproximativ 700.000 de euro, la care s-au adăugat cheltuielile legate de montajul centralei. Zona a fost identificată de meteorologi drept prielnică pentru o asemenea investiţie. Pentru ca centrala să poată funcţiona este nevoie ca ea să fie amplasată într-o zonă unde bate vântul constant. Viteza minimă a vântului care determină punerea în mişcare a centralei este de 3,5m/s. în zona parcului industrial viteza medie a vântului calculată de meteorologi este de 7 m/s. Această viteză medie asigură funcţionarea centralei la 85-90% din capacitate. Dacă viteza vântului depăşeşte 25m/s, centrala se opreşte automat pentru a nu fi dereglată de furtuni sau alte fenomene meteorologice. Centrala eoliană are o putere instalată de 660 kW şi produce un curent electric de 690 V, care intră în sistemul naţional la 20 kV. Este de tip V66 Vestas şi a fost proiectată de firma Asja Ambiente din Italia. Componentele sunt producţie marca Vestas din Danemarca. Instalaţia are o înălţime de 79 metri, din care 55 metri are turnul de susţinere. în vârful turnului se află nacela cu toată instalaţia şi palele care se rotesc. Greutatea turnului este de 52 tone, nacela cântăreşte 23 tone, iar palele doar 7 tone. Montajul instalaţiei s-a efectuat cu trei macarale şi a început în seara zilei de 22 noiembrie, fiind terminat în seara de 26 noiembrie. La începutul anului 2004, între 5 şi 25 ianuarie, a avut loc pregătirea personalului care se va ocupa de întreţinerea centralei. Este vorba doar de doi electricieni şi un mecanic, care vor fi instruiţi de specialişti din Italia. Centrala este automată şi din această cauză necesită un număr mic de persoane care să se ocupe de întreţinerea şi funcţionarea ei. Ea este comandată de un calculator situat la o distanţă de 50 metri, care orientează nacela după direcţia vântului. Timp de şase luni se -2007-


15

vor efectua experimente pentru ca specialiştii români să se familiarizeze cu noua centrală şi să vadă care sunt performanţele acesteia. Instalaţia va fi legată Ia sistemului energetic al parcului, care asigură iluminatul public şi necesarul de energie electrică pentru firmele din parc. Conducerea Parcului are în plan instalarea a încă două centrale eoliene asemănătoare. Prima, care le precede pe cele două, este de putere medie şi se pretează cel mai bine pentru harta vânturilor din acea zonă. în proiect se mai află montarea a 10 centrale pe Valea Doftanei, care vor asigura energia electrică pentru populaţie. Costurile cu producerea energiei electrice cu ajutorul centralelor eoliene sunt situate la 75% din costurile necesare pentru producerea de curent electric prin metodele convenţionale. întreţinerea instalaţiilor nu costă prea mult (în jur de 4.500 euro), iar consumabilele trebuie schimbate o data la doi ani. Până în 2007 se intenţionează ca 8% din energia produsă în ţară să fie asigurată prin sistemele neconvenţionale. Procentul este mult mai mare în ţări ca Germania 22% şi Danemarca 31%. O firmă germană intenţionează să construiască în judeţul Suceava 25-30 de centrale eoliene, cu o putere nominală de 800-900 de KW fiecare. Din primele analize, vântul bate cum trebuie, aşa că zona s-ar putea transforma într-o mică Olanda. Firma germană „West Wind" este una dintre cele mai importante firme din lume care se ocupă cu proiectarea şi construcţia de centrale eoliene, fiind de asemenea şi cea care vinde produsul finit, adică energia electrică. în total, firma are aproximativ 16.000 de asemenea centrale în întreaga lume, deţinând, de exemplu, 50% din numărul total de astfel de centrale existente în Olanda, ţara cu tradiţie în producerea energiei eoliene. Conform specialiştilor germani, condiţiile existente în Munţii Călimani sunt propice pentru instalarea de centrale eoliene medii, iar o asemenea unitate costă 300.000 de euro. Ei au mai precizat că pentru fiecare centrală eoliană -2007-


16

în parte investiţia se amortizează de regulă în aproximativ doi ani, dar acest lucru variază în funcţie de clienţii pe care firma îi găseşte pentru a cumpăra energia electrică produsă. În România funcţionează o singură centrală eoliană în judeţul Prahova, lângă Ploieşti. Au fost făcute studii de fezabilitate pentru construirea de centrale eoliene cu rezultate favorabile la Panciu, în judeţul Vrancea, şi în Constanţa, potrivit MEC. Printre proiectele privind energia regenerabilă, cele mai importante sunt cele care vizează litoralul Mării Negre.

Modalitate de apreciere a vitezei vântului pe baza observaţiei directe Grade Beaufort

Descriere

Viteza vântului (m/s)

Observaţii

-2007-


17

0

Staţionar

0

Frunzele nu se mişcă; fumul se înalţă vertical

1

Calm

1-1.5

Frunzele nu se mişcă; fumul deviază puţin de la traseul vertical

2

Vânt perceptibil

2-3

Frunzele se mişcă; steagurile flutură încet

3

Vânt usor

3-5.5

Frunzele şi rămurelele copacilor în mişcare continuă, de mică amplitudine

4

Vânt moderat

6-8

Frunzele şi rămurelele copacilor în mişcare continuă, de amplitudine mai mare sau variabilă

5

Vant semnificativ

8.5-10

Ramurile mici ale copacilor se mişcă; steagurile flutură

6

Vânt puternic

11-14

Ramurile mici se indoaie; steagurile flutură şi se răsucesc

7

Vânt foarte puternic

14.5-17

Crengile se mişcă; steagurile se mişcă cu zgomot (pocnesc)

Vânt extrem de 17.5-20 puternic

Copacii se mişcă de la rădăcină (foarte evident la plopi, ulmi)

8 9

Început de furtună

21-24

Ramurile se rup din copaci.

10

Furtună

24.5-28

Crengi întregi se rup din copaci; ţigla sau şindrila zboară de pe acoperiş

11

Furtună

29-32

Unii copaci sunt doborâţi; încep să apară daune ale locuinţelor

12

Uragan

33+

Daune extinse (copaci, case).

-2007-


-2007-

18


-2007-

19


20

1.4 Principiul de funcţionare al eolienelor şi tipuri de instalaţii

Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile. Aero-generatorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său: aceasta este transformată în energie mecanică, care la rândul ei este transformată în energie electrică de către generatorul cuplat mecanic la turbina eoliană. Acest cuplaj mecanic se poate face fie direct, dacă turbina şi generatorul au viteze de acelaşi ordin de mărime, fie se poate realiza prin intermediul unui multiplicator de viteză. În sfârşit, există mai multe posibilităţi de a utiliza energia electrică produsă: fie este stocată în acumulatori, fie este -2007-


21

distribuită prin intermediul unei reţele electrice, fie sunt alimentate sarcini izolate. Sitemele eoliene de convesie au şi pierderi. Astfel, se poate menţiona un randament de ordinul a 59 % pentru rotorul eolienei, 96% al multiplcatorului. Trebuie luate în considerare, de asemenea, pierderile generatorului şi ale eventualelor sisteme de conversie. Tipuri de instalări

O eoliană ocupă o suprafaţă mică pe sol. Acesta este un foarte mare avantaj, deoarece perturbă puţin locaţia unde este instalată, permiţând menţinerea activităţilor industriale sau agricole din apropiere. Se pot întâlni eoliene numite individuale, instalate în locaţii izolate. Eoliana nu este racordată la reţea, nu este conectată cu alte eoliene. În caz contrar, eolienele sunt grupate sub forma unor ferme eoliene. Instalările se pot face pe sol, sau, din ce în ce mai mult, în largul mărilor, sub forma unor ferme eoliene offshore, în cazul cărora prezenţa vântului este mai regulată. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor şi ameliorează estetica.

-2007-


22

Ferma eoliană offshore de la Middelgrunden (Danemarca) (Sursa: http://www.apab.org/fr/page.php?id_rubrique=3&id_sous_rubrique=23 )

Orientarea axului

Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii: eoliane cu ax vertical şi eoliene cu ax orizontal. Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru a antrena generatorul. Eoliene cu ax vertical

Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălţimea de 0,1 - 0,5 din înălţimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operaţiunile de întreţinere. În plus, nu este necesară utilizae unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuşi, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă şi turbulenţelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a -2007-


23

porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal. Cele mai răspândite două structuri de eoliene cu ax vertical se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale sau a variaţiei periodice a incidenţei: • Rotorul lui Savonius în cazul căruia, funcţionarea se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din feţele uni corp curbat au intensităţi diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

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

-2007-


24

• Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variaţiei periodice a incidenţei. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcţie de diferitele unghiuri, este supus unor forţe ale căror intensitate şi direcţie sunt diferite. Rezultanta acestor forţe determină apariţia unui cuplu motor care roteşte dispozitivul.

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

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

-2007-


25

Eoliene cu ax orizontal

Funcţionarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obţine un bun compromis între coeficientul de putere, cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian, ca şi o ameliorare a aspectului estetic, faţă de rotorul cu două pale. Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai puţin supuse unor solicitări mecanice importante şi au un cost mai scăzut.

Imaginea unei eoliene cu ax orizontal şi a unei mori de vânt (Sursa: http://www.diebrennstoffzelle.de/alternativen/wind/index.shtml )

Există două categorii de eoliene cu ax orizontal: -2007-


26

• Amonte: vântul suflă pe faţa palelor, faţă de direcţia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcţia vântului.

Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte

• Aval: vântul suflă pe spatele palelor, faţă de nacelă. Rotorul este flexibil şi se auto-orientează. -2007-


27

Schema unei eoliene cu ax orizontal aval

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă şi dă cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafeţe de direcţionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse şi are o stabilitate mai bună.Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în funcţie de direcţia şi forţa văntului. Pentru aceasta, există dipozitive de orientare a nacelei pe direcţia vântului şi de orientare a palelor, în funcţie de intensitatea acestuia.În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezintă cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară industrială. 1.5 Componentele clasice ale unei eoliene Diagrama turbina eoliana descrie parţile componente sistemului

Sistemul este compus din: -2007-


28

1. Pale- Forma şi concepşia lor este esenşiala pentru a asigura forşa de rotaţie necesară. Acest design este propriu fiecărui tip de generator electric. 2. Nacela- Conţine generatorul electric asigurând şi o protecţie mecanică 3. Pilon- Asigură strucura de susţinere şi rezistenţă a asamblului superior. 4. Fundaţie- Asigură rezistenţa mecanică a generatorului eolian.

-2007-


-2007-

29


30

Palele sau captorul de energie sunt realizate dintr-un amestec

de fibră de sticlă şi materiale compozite. Ele au rolul de a capta energia vântului şi de a transfera rotorului turbinei, profilul lor este rodul unor studii aerodinamice complexe, de el depinzând randamentul turbinei. Lăţimea palelor determină cuplul de pornire, care va fi cu atât mai mare cu cât palele sunt mai late. Profilul depinde de cuplul dorit înfuncţionare.

Numărul de pale depinde de eoliană. În prezent, sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigură limitarea vibraţiilor, a zgomotului şi a oboselii rotorului, faţă de sistemele mono-pală sau bi-pală. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bi-pală faţă de cel monopală, iar creşterea este de 3% între sistemul cu trei pale faţă de două pale. în plus, este un compromis bun între cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian şi avantaje din punct de vedere estetic pentru sistemul cu trei pale, faţă de cel cu două pale.

-2007-


31

Butucul este prevăzut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ

(hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotaţie a turbinei eoliene (priza de vânt). • Controlul activ se face prin motoare hidraulice, acestea sunt numite şi "pitch control". Acest sistem asigură modificarea unghiului de incidenţă a palelor pentru a valorifica la maximum vântul instantaneu şi pentru a limita puterea în cazul în care vântul depăşeşte viteza nominală. în general, sistemul roteşte palele în jurul propriilor axe (mişcare de pivotare), cu câteva grade, în funcţie de viteza vântului, astfel încât palele să fie poziţionate în permanenţă sub un unghi optim în raport cu viteza vântului, astfel încât să se obţină în orice moment puterea maximă. Sistemul permite limitarea puterii în cazul unui vânt puternic (la limită, în caz de furtună, trecerea palelor în "drapel"). • Controlul aerodinamic pasiv este numit şi "stall control", Palele eolienei sunt fixe în raport cu butucul turbinei. Ele sunt concepute special pentru a permite deblocarea în cazul unui vânt puternic. Deblocarea este progresivă, până cînd vântul atinge viteza critică. Acest tip de control este utilizat de cea mai mare parte a eolienelor, deoarece are avantajul că nu necesită piese mobile şi sisteme de comandă în rotorul turbinei. • Ultimul tip de control, vizează utilizarea avantajelor controlului -2007-


32

pasiv şi al celui activ, pentru a controla mai precis conversia în energie electrică. Acest sistem este numit control activ cu deblocare aerodinamică, sau "active stall". El este utilizat pentru eolienele de foarte mare putere.

Sistemul de răcire este atât pentru multiplicatorul de viteză ce transmite eforturile mecanice între cei doi abori, cât şi pentru generator. Ele sunt constituite din radiatoare de apă sau ulei şi ventilatoare. Răcirea cu ulei este utilizată pentru multiplicatoare. Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice, caracterizată de cuplu mare şi viteză mică specifică turbinei eoliene, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbîei eoliene) şi arborele secundar (al generatorului). Există mai multe tipuri de multiplicatoare, cum ar fi: • Multiplicatorul cu una sau mai multe trepte de roţi dinţate, care permite transformarea mişcării mecanice de la 19-30 rot/min la 1500 rot/min. Axele de rotaţie ale roţilor dinţate sunt fixe în raport cu carcasa. • Multiplicatorul cu sistem planetar, care permite obţinerea unor rapoarte de transmisie mari, într-un volum mic. în cazul acestora, axele -2007-


33

roţilor numite sateliţi nu sunt fixe fată de carcasă, ci se rotesc fată de celelalte roti. Există şi posibilitatea antrenării directe a generatorului, fără utilizarea unui multiplicator.

Arborele generatorului sau arborele secundar antrenează

generatorul electric, sincron sau asincron, ce are una sau două perechi de poli. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotaţie în cazul unui vânt violent. Pot exista şi alte dispozitive de securitate. Dispozitivele de măsurare a vântului sunt de două tipuri: o giruetă pentru evaluarea direcţiei şi un anemometru pentru măsurare vitezei. Informaţiile sunt transmise sistemului numeric de comandă, care realizează reglajele în mod automat.

-2007-


34

Generatorul electric asigură producerea energiei electrice.

Puterea sa atinge 4,5 MW pentru cele mai mari eoliene. în prezent se desfăşoară cercetări pentru realizarea unor eoliene de putere mai mare (5 MW). Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Datorită preţului şi randamentului, se utilizează, aproape în totalitate, generatoare de curent alternativ. Generatoarele de curent alternativ pot fi sincrone sau asincrone, funcţionând la viteză fixă sau variabilă. Conectarea directă la reţea este realizată prin conectarea directă la reţeaua de curent alternativ trifazat. Conectarea indirectă se realizează prin trecerea curentului de la turbină printr-o serie de componente electrice care îl ajustează astfel încât să îndeplinească cerinţele reţelei electrice la care este conectat. Cu un generator asincron, această cerinţă este îndeplinită automat Generatorul asincron sau maşina asincronă (MAS) este frecvent utilizată, deoarece ea poate suporta uşoare variaţii de viteză, ceea ce constituie un avantaj major pentru aplicaţiile eoliene, în cazul cărora viteza vântului poate evolua rapid, mai ales pe durata rafalelor. Acestea determină solicitări mecanice importante, care sunt mai reduse în cazul utilizării unui generator asincron, decât în cazul generatorului sincron, care funcţionează în mod normal, la viteză fixă. Maşina asincronă este însă puţin utilizată -2007-


35

pentru eoliene izolate, deoarece necesită baterii de condensatoare care să asigure energia reactivă necesară magnetizării. Aceasta poate fi: -Cu rotor bobinat. înfăşurările rotorice, conectate în stea, sunt legate la un sistem de inele şi, perii ce asigură accesul la înfăşurări, pentru conectarea unui convertor static în cazul comenzii prin rotor (maşina asincronă dublu alimentată - MADA). -În scurt-circuit. Rotorul este construit din bare ce sunt scurtcircuitate la capete prin intermdiul unor inele. înfăşurările rotorice nu sunt accesibile.

Sistemul electronic de control a funcţionării generale a eolienei

şi a mecanismului de orientare. El asigură pornirea eolienei, reglarea înclinării palelor, frânarea, ca şi orientarea nacelei în raport cu vântul. Sistemul de orientare a nacelei este constituit dintr-o coroană dinţată (cremalieră) echipată cu un motor. El asigură orientare eolienei şi "blocarea" acesteia pe axa vântului, cu ajutorul unei frâne. Pilonul este, în general, un tub de oţel şi un turn metalic. El susţine turbina eoliană şi nacela. Alegerea înălţimi este importantă, deoarece trebuie realizat un bun compromis între preţul de construcţie şi -2007-


36

expunerea dorită la vânt. în consecinţă, odată cu creşterea înălţimii, creşte viteza vântului, dar şi preţul. în general, înălţimea pilonului este puţin mai mare decât diametrul palelor. înălţimea eolienelor este cuprinsă între 40 şi 80 de metri. Prin interiorul pilonului trec cablurile care asigură conectarea la reţeaua electrică.

-2007-


37

Capitolul II: Proiectarea centralei eoliene Partea mecanică Centrala eoliană este amplasată într-o zonă deluroasă unde vântul bate cam 4000 de ore pe an şi viteza medie anuală este de 5-6 m/s. Astfel la aceasta viteza a vântului, o turbină eoliană va avea o turaţie cuprinsă între 25-35 de rotaţii pe secundă. Pentru a determina ce putere electrica trebuie să producă 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 şi a consumatorilor. Tabel Consumatori Casnici

Componente Iluminat

Flourescent Electrocasnice

Mixer Uscator Ventilator Uscator haine (electric) Cafetiera Maşina spălat vase (uscare) Fier de călcat Cuptor cu microunde Aragaz electric mare Frigider(nou, economic) Aspirator (manual) Maşina de spălat (ax orizontal) Jacuzzi Climatizare

Aer condiţionat (centrala) Comunicatii

TV color 25" AC stereo/home cinema Desktop Computer Imprim. Inkjet Antena Satelit Categorie consumator

Putere [W]

Cantitate Functionare [buc] [ore / zi]

Cunsum [kWh / luna]

13

15

3

15

300 1000 50 1000 1000 700 1000 1500 2100 200 100 250 750

2 4 3 1 1 1 1 2 1 2 1 1 1

0,5 0,5 1 2 1 0,5 1 1 3 5 2 2 2

9 60 18 210 30 10,5 30 90 189 60 6 15 15

3500

1

3

323

150 500 300 35 30

5 2 2 1 1

3 1 1 1 4

67,5 30 72 1,05 3,6

kWh/ luna

-2007-

Procent

Proiect de Diplomă – “Centrale Eoliene” Iluminat Electrocasnice Climatizare Comunicaţii Energie de Rezervă

38

15 680 323 156 125 10 1309

Altele Total

-2007-

1% 52% 25% 12% 10% 1% 100%


Schema de principiu a Centralei Eoliene

2.1. Predimensionarea arborelui de intrare

-2007-

39


40

2.1.1 Calculul puterii electrice necesare la ieşirea din turbină P e

η total

=

η total

=

=

=

E consum

P e = t

P i

η mecanic ⋅η electric

η mecanic

η electric

⋅

=

0,75 ⋅ 0,95

=

0,7125

0,75

0,95

= 1309,2 [ kWh/luna ]=

Econsum t

=

0,505[ Ws ] 1[ sec ]

=

1309,2 ⋅10 3kWh

=

0,505 Wh/sec [

30 [ zile ] ⋅ 24 [ ore ] ⋅ 3600 [sec ]

0,5 [ W ⇒ ] P=i

P e

=

η total

0,505

=

0,7125

0,708 [W

]

]

= 1[ sec ]

2.1.2 Calculul mometului de torsiune

M t =

30 ⋅ P i

π ⋅ nt

30 ⋅ 0, 708 13,522 = [ N m⋅] 1 π ⋅ 30 ⋅ 60

=

nt- turaţia turbinei nt=30 [rot/min]

2.1.3 Predimensionarea arborelui de intrare din condiţia de rezistenţă la răsucire

Arborele este confecţionat din Otel Aliat marca 40Cr11 cu τc=520 [Mpa] -2007-

Proiect de Diplomă – “Centrale Eoliene” Marca oţelului

Duritatea [HB]

STAS

41

Rm [Mpa]

σc [MPa]

τc c

40Cr11

τ

=

791-80

M t ⋅ 16 π ⋅ d i3

235

≤ τ a ⇒ d1 ≥ 3

1000

M t ⋅16 π ⋅ τa

=

3

800

13522 ⋅16

π ⋅520

σ ) 5 6 , 0 . . . 8 5 , 0 (

Rezistenţa la oboseală[MPa] încovoiere tracţiune răsucire σ-1 σ-1t τ-1

410

500

300

STAS

=5, 09[ mm] ⇒ d 1 =25[ mm]

2.2. Proiectarea multiplicatorului armonic 2.2.1 Predimensionarea elementului elastic din condiţia de rezistenţă la oboseală

1. Numerul de dinţi al roţii elsatice, respectiv al roţii rigide ze, zr r i ge

=−

z e z r − z e

=−

z e k z ⋅ N

= 100;   ⇒ 100 = zr − z e = 2;  r i ge

z e 2

⇒ ze=

200 [dinti ⇒ ] z =r 202 dinti [

2. Coeficientul diferentei numerelor de dinti:

-2007-

]

Proiect de Diplomă – “Centrale Eoliene” k z

42

=1

3. Numarul undelor de deformatie N

=

2

4. Diametrul interior al cilindrului elementului elastic d i

0,456 ⋅ M t 2

= 3

 σ −1 3 ⋅ E ⋅ Y ψ ⋅z −  r ⋅ k c i ge  σ

d i

= 3

σ

 520  2 ⋅1,7 

 sd   ⋅ ψ bd⋅ ψ sd  0,456 ⋅13522 3 ⋅2 ⋅10 5⋅1,5 ⋅ 0,014 − ⋅ 0,⋅ 2  100  STAS

di

= 43,38 [mm ]⇒ d i=

52 mm [

0,014

]

5. Rezistenţa la oboseală a materialului roţii elastice (34MoCr11) σ-1=520 [Mpa] 6. Modulul de elasticitate longitudinal al materialului roţii elastice E=2·105 [Mpa] 7. Coeficienţii de lăţime, de grosime ai roţii elastice: ψ bd

=

0,2

ψ sd

=

0,014

8. Coeficientul de influenţă a dintelui, Yz=1,5; 9. Coeficentul de siguranţă la oboseală, respectiv de concentrare a tensiunilor cσ=1,7; kσ=2 10. Grosimea obadei roţii elastice s1 = ψ

sd

⋅ d i =0,014 52 ⋅ =0,728[

mm]

11. Modulul roţii dinţate,

-2007-


d m= i z e

=

52 200

43

STAS

= 0, 26 ⇒ 0, 28[ mm ]

2.2.2 Calculul elementelor geometrice ale roţii elastice

1. Diametrul de picior al roţii elastice d

= d +i 2 ⋅ s1 = 52 + 2 ⋅0, 728 =53, 456[ mm]

fe

2. Numarul de dinţi ai sculei cuţit roata cu care se prelucrează roata elastică, z0=144 3. Diametrul de cap al sculei cuţit roată, da0=41,25mm 4. Distanţa tehnologică între axe la prelucrarea roţii elastice,

aw01

=

d

+ d 0a =

fe

2

53,456 +41,25 = 2

47,35mm

-2007-


44

5. Unghiul de antrenare al angrenajului tehnologic la prelucrarea roţii dintaţe elastice,

cosα w01 =

m ⋅ ( ze

+ z 0 ) ⋅cosα 0, 28 ( ⋅ 200 +144) cos ⋅ 20 = 2 ⋅ aw01 2 ⋅47, 35 o

1= =0, 955 ⇒ wα 01

6. Coeficienţii de deplasare ai profilului roţii sculă, respectiv ai roţii elastice x01,xe

x01

=

e

x=

xe

=

da0 2⋅m

−

z0

+ 2 ⋅ ha*0 2

=

41, 25 2 ⋅ 0, 28

−

144 + 2 ⋅ 1,5

ze + z 0 ⋅ ( inv α w01 − inv α ) − 01 x 2 ⋅ tan α 200 + 144 ⋅ ( 0, 009 − 0, 015) − 0,16 2 ⋅ 0,364

2

= 0,16[ mm]

= −2, 99[ mm]

= tan αw01 − α w01 = 0,009 invα = tan α − α = 0,015 invα w 01

2.3 Determinarea mărimii deformaţiei iniţiale, wn0

-2007-

o


45

1. Diametrul interior al rulmentului, d=40-0,012mm Diametrul exterior al rulmentului, D=52-0,013mm Diametrul bilei rulmentului, Dw=3,969mm Diametrul caii de rulare a inelului exterior, dce D − d = D −  − Dw  =   2   52 − 40 − 3,969  = 49,969mm d ce = 52 −    2  d ce

Diametrul caii de rulare a inelului interior, dci D − d = D +  − Dw    2   52 − 40 − 3,969  = 54,031mm d ci = 52 +    2  d ci

Raza plan transversal a căii de rulare a inelului exterior Re

=

0,55 ⋅ Dw

=

2,18 mm

Raza plan transversal a căii de rulare a inelului interior Ri

=

0,525 ⋅ Dw

=

2,08 mm

2. Jocul radial în rulment, δ1=0,02mm 3. Jocul maxim la montaj al deformatorului cu roată elastică δ 2

=

aS

+ A s = −0,012 − 0,013 = −0,025 mm

4. Forţa pe cea mai încărcată bilă a rulmentului 8,3 ⋅ k ⋅ M t 2 8,3 ⋅ 1,2 ⋅ 13522 = = 108,43 N F b max = z b ⋅ d e 23 ⋅ 54 -2007-


46

5. Diametrul de divizare al roţii elastice d e

=

m z e ⋅

=

m z e ⋅

=

0, 28 200 ⋅

=

54 mm

6. Unghiurile de contact ale căilor de rulare ale rulemntului,

− cos α e

=

4

Dw

2

d ce

+ 2

cos α i

=

d ce 4

Dw

+

+ 2

dce

+ 2

dci

1

Re

−

2

−

1

=

1

+

−

1

=

49,97 4 3, 969

Ri

+

−

49,97

2

Ri

  = 0, 710 ⇒  j  =1,192  µ  e

49,97 2,18 4 2 1 3,969

Re

1

+

+

2,18

1

  = 0, 923 ⇒  j  =1, 006  µ  i

2,08

2

−

54, 03

1 2, 08

7. Deformaţiile elastice (apropierea) ale inelului exterior, respectiv interior:

 4 2  D− d−  w ce  4− δ ke = 17,3⋅ 10 −3⋅ 1,192⋅ 108, 43 ⋅2   3,969 δ ke

  = 17,3⋅ 10 −3⋅  j  ⋅  µ  e

δ ki

  = 17,3⋅  j  ⋅  µ  i

δ ki

= 17,3⋅ 10 −3⋅ 1,006⋅

1 

2 ⋅ F b max

2 F b max⋅

 4  D+  w

2

1 

dci

Ri 

108, 43 2⋅

−



Re

−

= 2,18 

−

 = 2,08 

2

49,97

 4+  3,969 

2

54,03

= δ ke + δ ki = 1, 6 + 1, 4 = 3[ mm ]

9. Deformator camă cu două forţe concentrate -2007-

1,6 mm [

]



8. Deformaţia totală (apropierea inelelor rulmentului) δk0

1

1

1, 4 mm [

]


47

  + δ + δ ko ⋅  i e ⋅ daegr−1  + A ⋅ie ⋅ d aegr 2 d m  d m  wno =   e i gr ⋅  4 − 3 ⋅ d ae  − 1 d m   54,16 0, 02 + 3  54,16 100 ⋅ + ⋅  100 ⋅ 54,16 −1   + 0, 25 ⋅10−5 ⋅10 2 2 52, 73 52, 73   wno = 54,16   100 ⋅  4 − 3 ⋅ −1  52,73   wno = 1,41[ mm] d ae 2

he

= d fe + 2 ⋅ he = 53, 46 46 + 2 ⋅ 0, 35 = 54,16 = 1, 25 25 ⋅ m = 1, 25 25 ⋅ 0, 28 28 = 0, 35 35

dm

= d i + s1 = 52 + 0, 72 7 28 = 52, 72 7 28

d ae

A = bw

=

0,375 ⋅ M t 2

E ⋅ bw ⋅ s1 aw01 3

=

0,375 ⋅13522 2 ⋅ 10 10 ⋅15,75 ⋅ 0,72 0,728 8 5

= 0,25 ⋅10 −5

= 47,26 = 15,75 3

2.2.4 Verificarea grosimii obadei roţii elastice, s1, din condiţia de rezistenţă la oboseală

1. Grosimea dintelui roţii elastice pe cercul de picior

-2007-


s

= d

fe

  π  f⋅e   2 ⋅ z+ 2 ⋅ x⋅ tan α + e   e 2

48

    inαv − inα v fe    

    π  = 0, 42[ mm] s fe = 53, 46 ⋅     20 2 2 0 0 2 2 , 9 9 t a n 0 , 0 1 5 0 , 0 0 2 ⋅ + ⋅ − ⋅ + − ( )    2    invα = 0,015 invα fe = 0,002 o

2. Unghiul de presiune pe cercul de picior cos α e

=

m ⋅ z e ⋅ cos α d fe

=

0, 28 28 ⋅ 200 ⋅ cos 20 20 53,46

o

= 0, 984 ⇒ α e = 10, 26

o

3. Tensiunile de încovoiere, pe directia tangenţiala, în roata elastică, corespunzător unghiurilor φ=0° (σi1)φ=0° şi φ=90° (σi1)φ=90° 2   sin β  −  4 ⋅ E ⋅ s1 ⋅ wn0 δ ⋅ + π ( σ i1 ) ϕ = 0 =   2 4 dm w 2 ⋅ n0   B − π   2  − sin30 5 4 ⋅ 2 ⋅ 10 ⋅ 0,72 ,728 ⋅ 1,41 ,41  0,02 ,02 π ⋅ + ( σ i1 ) ϕ = 0 = 2 52, 728  2 ⋅1, 41 1, 4 − 4 π 

-2007-

o

   = 325,7[MPa]  


49

2   β − sin  4 ⋅ E ⋅ s1 ⋅ wn 0  δ π σ = ⋅ + ( i1 ) ϕ = 90  2⋅ w  4 d m2 n0   B − π   2  − sin30 5 4 ⋅ 2 ⋅ 10 ⋅ 0, 72 728 ⋅1, 41 41  0, 02 02 ⋅ + π ( σ i1 ) ϕ = 90 = 2 52, 728  2 ⋅ 1, 41 1, 4 − 4 π 

B = sin β

+ π − β  ⋅cos 2 

β =sin 30

o

+ π −π  c⋅os 30 2 6 

   =325,7[MPa]   1

4. Tensiunea de încovoiere în secţiunea roţii elastice

σ 1 s

=

M ie

=

6 ⋅ M ie

bw ⋅ s

2 1

=

6 ⋅ 12860 15, 15, 75 ⋅ 0,7282

M t 1+

bw ⋅ ( k1 ⋅ s1 )

13522

=

B ⋅ sr 3 3

= 9243[ N] 12860 0[ N ⋅ mm] = 1286

1, 4 ⋅ 0,728

3

1+

15,75 ⋅ ( 1,2 ⋅ 0,728 ,728)

3

5. Tensiunea de tracţiune în elementul elastic

σ n

= k ⋅f ( t ) ϕ

2 ⋅ M t 2

⋅ d e ⋅ bw ⋅1s

1, 2 0 ,=6

⋅

2 1 3 5 2⋅ 2

5 4 1 5, 5, 5 7

⋅ 28 ⋅ ⋅0 , 7 28

6. Tensiunea de încovoiere a dintelui roţii elastice -2007-

3 1, 8 1

Proiect de Diplomă – “Centrale Eoliene” 6 ⋅ M id

σ id =

bw ⋅ s12

=

6 ⋅ 0, 004 15,, 75 ⋅ 0,7282 15

= 0,003

= F t max ⋅ ( he ⋅ 0, 5 ⋅ s1 ) ⋅  0, 5 ⋅ Yz − ( 1 − 0, 5 ⋅ ks ) ⋅ ( Yz − 1 ) 

M id

z e

7,86

M id = F t max

200

=

⋅ ( 0, 5566 ⋅ 0, 5 ⋅ 0, 77228) ⋅  0, 5⋅ 1, 0099 − ( 1 − 0, 5⋅ 0, 5) ⋅ ( 1, 0099 − 1)  = 0, 00004

π 2 ⋅ M t 2 2 ⋅ ϕ 2 ⋅ d e ⋅ z e

=

π 2 ⋅ 13522 π

2⋅

8

⋅ 5 4 ⋅ 20 0

= 7,86[ N ]

7. Coeficientul de influenţă a dintelui echivalent Y z =

k s

=

1 3 1 − k ⋅ 1 −  s1     s  s    2 e       

s fe p

=

1

= 1,09 3     0,728    − ⋅ 1 0 , 5 1 −     1,288      

= 0,38 = 0,5 0, 5 0,76

8. Grosimea totală a elementului elastic în dreptul danturii incluzând şi înaltimea dintelui echivalent s2ech = s1 + hech 0=, 72 728

0,+56 56

1, 2=88 8[ 8 m]

9. Tensiunea tangenţiala de torsiunea elementului elastic τ

=

50

2 ⋅ M t 2

π

⋅

2

d m ⋅ s3

=

2 ⋅ 13 522

π 52,732 0,7 ⋅

=

4,42[MPa]

⋅

10. Amplitudinea tensiunilor

-2007-


⋅ z( ( σ ) itϕ =0 − ( σ ) itϕ =90 )

Y

σ itv

=

σ itv

=

σ idv

=

Y z⋅ σ is 2

σ id 2

2 1,09 ⋅ 9243

=

2

0,003

=

2

=

51

1,09 ⋅ ( 325,7 − 325,7 ) 2

=0

= 5037,4[ MPa ]

= 0,0015[ MPa]

3

τ v

σ n

=

σ nv

2

=

31,81

τ

2 4,42

2

2

= =

= 15,9 [ MPa]

= 2,21[ MPa]

11. Valoarea medie a tensiunilor

σ itm

=

(

Y ⋅ z ( σ Y z⋅ σ

) ϕit= 0 −( σ )

2 1, 09 9243 ⋅

1,09⋅ ( 325,7

=

σ itm

=

σ idm

= σ id =0,003 0,0015 = [ MPa]

σ nm

= σ n =

τ m

=

is

2 2

2

=

2

2 31,81

2

τ

=

)

itϕ =90

4,42 2

2

= [ MPa] 5037,4

= [ MPa] 15,9

=2,21[ MPa]

12. Amplitudinea tensiunilor totale -2007-

2

+ 325,7)

355[ MPa = ]


52

= σ itv + σisv + σ nv + σidv = σ tv = 0 + 5037,4 + 0,0015 + 15,9 + 2,21 = 5055,5[MPa σ itv

13. Tensiunea medie totală

= σ itm + σ ism + σ nm + σ idm σ tm = 355 + 5037,4 + 0,0015 + 15,9 + 2,21 = 5410,5[MPa] σ tm

14. Coeficientul de siguranţă la oboseală

c=

cσ ⋅ cτ cσ

2

+ cτ

2

=

0, 012 ⋅ 470 0, 012

cσ

=

σ −1 k σ ⋅ σ tv + ψ σ ⋅ σ m

cτ

=

τ −1 k τ ⋅ τ v

=

1040 1 ⋅ 2,21

=

2

+ 470

2

= 0,0119 520

2 ⋅ 5055,5 + 0,15 ⋅ 2,12 ⋅ 10

= 470

=2 ψ σ = 0,15 σ −1 = 0, 5 ⋅ σ r = 0, 5 ⋅ 1040 = 520[MPa] τ −1 ≈ σ r = 1040[MPa] kτ = 0,5 ⋅ k σ = 0,5 ⋅ 2 = 1 k σ

2.2.5 Verificarea roţii la suprasarcină

1. Suprasarcina de scurtă durată -2007-

5

= 0,012


M t 2 max

53

= M t 2 ⋅ 2 = 13522 ⋅ 2 = 27044 [ N ⋅ mm ]

2. Deformaţia radială a roţii elastice la suprasarcină

  + δ + δ ko max ⋅  i e ⋅ daegr −1  + A ⋅ie ⋅ d aegr d m 2 2  d m  wno max =  d ae  e i gr ⋅  4 − 3 ⋅  − 1 d m   54,16 0, 02 + 6  + ⋅  100 ⋅ 54,16 −1   + 0,5 ⋅10−5 ⋅100 ⋅ 54,16 2 2 52, 73 52, 73   wno max = 54,16   100 ⋅  4 − 3 ⋅ −1  52,73   wno max = 1,43[ mm] d ae

= d fe + 2 ⋅ he = 53, 46 + 2 ⋅ 0,56 = 54,58[ mm] he = 2 ⋅ m = 1, 25 ⋅ 0, 28 = 0,56[ mm ] d ae

= di + s1 = 52 + 0,728 = 52,728 ⋅ 27044 =0,5 10 0,375 ⋅ M t 2max −5 = 0,375 ⋅ Amax = 2 ⋅105 ⋅15,75 ⋅0,728 E ⋅ bw ⋅ s1 dm

bw

=

Fb max

aw01 3

= 47,26 =15,75 3

= 8,3 ⋅ k ⋅ M t 2 = 8,3 ⋅ 1, 2 ⋅ 27044 = 216,87 N zb ⋅ d e 23 ⋅ 54

-2007-


 j  ⋅   µ e

δ ke m ax = 1 7 , 3 

F 2 ⋅

⋅− 3 δ ke m ax = 17, 3 10

1,192 ⋅

 4 bm ax  Dw

54

⋅

2

1

dce

Re

4 216, ⋅ 872  3, 969

  − 

−

2

1

49, 97

2,18

⋅

−

 4 2 1   axD ⋅ d R+  − bm  w ci i  1 δ ki m ax = 17, 3 10 ⋅ − 3 1, ⋅006 216,87 ⋅  2 4 ⋅ 2 +  3, 969 54, 03 2, 08 δ k 0 max = δke max + δ ki max =1595,36 +1417,28 = 6[ mm]  j  ⋅   µ i

δ ki m ax = 17,3 

 

[ m m ]

F 2⋅

 

[  −]

3. Tensiunile de încovoiere pe direcţe tangenţială în roata elastică, la suprasarcină

 4 ⋅ E ⋅ s1 ⋅wn 0 max  σ = ⋅ ( i1max ) ϕ = 0  2 dm  2⋅  ( σ i1max ) ϕ = 0 =

4 ⋅ 2 ⋅ 10

5

⋅0, 728 2

52, 728

    

2

δ w0nmax

− sin β π + 4 B − π

2  − sin30 1,⋅ 43 0, 02 π +4  ⋅2⋅ 1, 43  1, 4 − π 

o

-2007-

  330,3[MPa =   


55

2   − sin β   4 ⋅ E ⋅ s1 ⋅ wn 0 max δ π + ⋅ ( σ i1max ) ϕ = 90 =   2 4 dm w ⋅ 2 n 0max   B − π   2  5 ⋅ 43  0, 02 π − sin30 4 ⋅ 2 ⋅ 10 ⋅0, 728 1, ⋅ + ( σ i1max ) ϕ = 90 =  2 52, 728  2⋅ 1, 43 1, 4 − 4 π 

o

  =  330,3[MPa]  

4. Tensiunea maximă de încovoiere în sectiunea roţii elastice de grosime s1 σ is max

M t max

= σ is ⋅

M t 2

= 9243⋅ 2 = 18486 [ MPa ]

5. Tensiunea maxima de tractiune în elementul elasitc σ n max = σ n ⋅

M t max M t 2

= 31,81⋅ 2=

63, 62 [ MPa ]

6. Tensiunea maximă de încovoiere

σ id max = σ id

⋅

M t max M t 2

=

0,003⋅ 2= 0,006 [ MPa ]

7. Tensiunea maximă de torsiune τ max

= τ ⋅ M t max = 4,42 ⋅ 2 = 8,82 [ MPa ] M t 2

8. Tensiunea maximă statică totală σ max = Y z⋅( σ itmax) ϕ = 0 σ max = 1,09 ⋅330,3

+ σmax +Y z ⋅ σismax + σidmax n +63,62 +1,09 18486 ⋅ + = 0,006 20573[M

9. Tensiunea echivalentă σ ech max

=

σ max2

+ 4 ⋅ τ max2 = 20573, 4[MPa]

-2007-


56

10. Coeficientul de siguranţă la suprasarcină σ c

c=

σ ech max

=

800 200

= 4 > 1, 4

2.2.6 Determinarea elementelor geometrice ale roţii dintate rigide

1. Coeficienţii de deplasare ai profilului roţii sculă, respectiv ai roţii rigide

x02 r

=

da0 2⋅ m

z0− 2

−

⋅ * ha 0

41,06 144 = ⋅ 2 0, 28

2

k z ⋅ m − w0n e x− k z ⋅ m

x=

5 ⋅ −2 1,−1,82 [ 2

1 0, 2 8 1, 41 ⋅ − 2,∆x 99 = − − 1 0,28 ⋅

mm]

=

−0, 05

[1, 04−]

2. Coeficientul capului dintelui cuţitului roată, ha0*=1,5 3. Coeficientul strângerii la asamblare, Δx=0,08 4. Unghiul de angrenare al angrenajului tehnologic, la prelucrarea roţii rigide invα w 02

  = 2⋅ xr − x02  ⋅tan  zr − z0 

αinv +

 1,α 20=4 1,⋅ 8 2 −  202 144 − 

0, 36 ⋅ 0, 0

α w02 ≈ 18

o

5. Distanta tehnologică între axe, la prelucrarea roţii rigide aw02

=

⋅ α ( zr − z 0 ) cos

m⋅

2 ⋅ cosα w02

0,=28

(

202 144 −)

⋅

0, 94 ⋅

⋅ 2 0,95

8, 03 [ = m]

6. Diametrul de picior al roţii rigide d

=fr 2 ⋅(

a 02 w +0,5 ⋅d 0)

a

=2( ⋅8, 03 0,+ 5 41,⋅ )25

=[ 57,31

]

7. Diametrul de cap al roţii rigide

= d ae + 2⋅ wn 0− 2⋅ hd− 2⋅∆ x⋅ m ⋅ d ar = 54,58+ 2⋅ 1,41− 2⋅ 0,28− 2⋅ 0,05 d ar

8. Înalţimea activă a dintelui, hd=m=0,28mm

-2007-

0,28 = 56,81 mm [

]


57

2.2.7 Verificarea lipsei interferenţei

1. Unghiul de presiune la capul dintelui cuţitului roată, la prelucrarea roţii elastice cos α a 0

= m ⋅ z 0 ⋅ cos α = 0, 28 ⋅ 144 ⋅ d a 0

0,94 41,25

= 0,918 ⇒ α a 0 = 23, 24

o

2. Unghiul de presiune pe cercul inceputurilor evolventice, pentru roata elastică tan α le

= tanα w01 −

tan α le

= 0,3 −

144 200

z o z e

⋅ ( tanα a 0 − tanα w 01 )

⋅ ( 0, 43 − 0,3 ) = 0, 22 ⇒ α le = 12, 4

o

3. Unghiul de presiune pe cercul începuturilor evolventice, pentru roata rigidă tan α lr

= tan α w 02 −

tan α lr

= 0,32 −

z o z e

144 200

⋅ ( tanα a 0 − tanα w02 )

⋅ ( 0, 43 − 0,32 ) = 0, 24 ⇒ α lr = 13,73

o

4. Diametrul cercului începuturilor evolventice pentru roata elastică dle

= m ⋅ z e ⋅

cos α cos α le

= 0, 28⋅ 200⋅

0,94 0,97

=

53,88 [ mm ]

5. Diametrul cercului începuturilor evolventice pentru roata rigidă dlr

= m ⋅ z r ⋅

cos α cos α lr

= 0, 28⋅ 202 ⋅

0,94 0,97

6. Condiţiile lipsei interferenţei -2007-

= 54,712 [ mm ]


58

≤ d lr + 2 ⋅ wn0 54,58 ≤ 54,712 + 2 ⋅1, 41(Adevarat) d ar ≤ d le + 2 ⋅ wn0 − ∆x 56,81 ≤ 53,88 + 2 ⋅1, 41 − 0,05(Adevarat) d ae

2.2.8 Calculul jocurilor în angrenare

1. Unghiul de intrare în angrenare sub sarcină wn wn 0

=

1,13 1,41

= 0,8 ⇒ ϕ a = 20

o

2. Deformaţia radială sub sarcină la unghiul φ=φa wn

= d ar

− d ae 2

+ δ =

56,81− 54,58

+

2

= 1,13 [ mm ] 0,02

3. Deformaţia tangenţială şi unghiulară sub sarcină v w0

= −0,32484 ⇒ v = −0, 46

2 ⋅ θ

d m ⋅ w0

= 0,87497 ⇒ θ = 32,52

4. Unghiul de rotire relativă a roţii rigide, la rotaţia deformatorului cu unghiul φa, φr

ϕr

=

π 2

− ϕ a = 70

o

5. Deplasarea tangenţială a capului dintelui roţii elastice -2007-


59

 dae − dm  d+ ae w+ ϕ ⋅  δ +d ae ⋅ ϕ  ⋅ ϕ + sinδ + v θ cos + ⋅ ) r ϕ +a n n r   a  0rmax ( k a ⋅ ϕ   n d m 2  2    dm   54, 58− 52, 728 54, 58 π 7 ⋅ 0, 02 + 54,58 π⋅  π 7 ⋅ vae =  −0, 46 + 32,52 1, 41 ⋅  + +  18   52, 728 9 18  2 2       7π 54,58 −3 1, ⋅43 10⋅ + 4,76 ⋅ sin 20 + ⋅ cos 20 +   18 52,728   vae = 71,86[ MPa] vae =

6. Deformaţia totala (apropierea inelelor) tinând seama de suprasarcină Mtmax

δ k 0max

= δ ko ⋅ 3 22 = 3⋅ 3 22 =

4,76 [ mm ]

7. Deformaţia tangentială la întinderea roţii elastice luând în consideratie suprasarcina Mtmax

= 0,375 ⋅ M t max E ⋅ bw ⋅ s1 0,375 ⋅ M t max v p max = E ⋅ bw ⋅ s1 v p max

⋅  ϕ a + 2 ⋅cos ϕ a − 2   2   ⋅  π + 2 ⋅ cos 20 − 2   =1, 43 ⋅10−3 [ MPa] 2 9 

8. Grosimea dintelui roţii elastice pe cercul de cap

 π 2 ⋅ ( xe ) ⋅ tanα  d inv inv ⋅ + + α − α ae  ae  z z 2 ⋅ e  e   π 2 ⋅ ( −2,99 ) ⋅ tan 20 s + + 20 − inv15 ae = 54,58 ⋅  200  2 ⋅ 200 sae = 0,33[ mm] s ae =

9. Grosimea dintelui roţii rigide pe cercul de cap

-2007-

inv


 π 2 ⋅ xr ⋅ tanα s ar d ⋅ + + αinv− ar = 2 z z ⋅ r  r  π + 2 ⋅ 1,04 ⋅ tan20 + s = ⋅ 56,81 ar  2 ⋅ 202 202 sar = 0,65[ mm ]

60

 α inv ar  

 

20 −inv 20  inv

10. Diametrul cercului de bază al roţii elastice

d be

= m ⋅ z e ⋅ cos α = 0, 28 ⋅ 200 ⋅ cos 20 = 52, 62 [ mm ]

11. Diametrul cercului de bază al roţii rigide

d br

= m ⋅ z r ⋅ cos α = 0,28 ⋅ 202 ⋅ cos20 = 53,15[ mm ]

12. Unghiul de presiune la capul dintelui roţii elastice

cos α ae

=

d be d ae

=

52,62 54,58

= 0,96 ⇒ α ae = 15

o

13. Unghiul de presiune la capul dintelui roţii rigide cos α ar

=

d br d ar

=

53,15 56,81

= 0,93 ⇒ α ar = 20,67

o

14. Jocul la capul dinţilor roţii elastice s − s =  vae − ae ar  ⋅ cosα ae  2   0,33 − 0,65   jae =  71,86 − ⋅ 0,96 = 69,14 [ mm ]  2   jae

15. Jocul frontal anterior şi jocul frontal posterior

-2007-

Proiect de Diplomă – “Centrale Eoliene” vwj1

jvw1 vwj2

jvw 2 b1

61

= − b1 ⋅ ( ⋅vcos α ae + w⋅ sin α ae ) l 1

= − 7,75 ⋅ ( −0,46 ⋅ 0,96 + 1,13 ⋅ 0,26) = 0,027[ mm] 41,6

= b2 ⋅ ( ⋅vcos α ae + w⋅ sin α ae ) l 1

= 7,75 ⋅ ( −0, 46 ⋅ 0, 96 + 1,13 ⋅ 0, 26) = − 0, 027[ mm] 41,6

= b2 = bw = 15,75 = 7,75[ mm ] 2

2 l1 = l − ( a1 + b1 ) = 41, 6 − ( 3,15 + 7, 75)

= 30, 7[ mm]

l = 0, 8 ⋅ d i

= 0,8 ⋅ 52 = 41, 6[ mm] a1 = 0, 2 ⋅ bw = 0, 2 ⋅ 15, 75 = 3,15[ mm]

16. Deformaţia radială a roţii elastice la intrarea în angrenare sub sarcină

w = vn − δ − δ k 0 ⋅ cosϕ a w = −0, 46 − 0, 02 − 3⋅ cos 20= − 3, 29 17. Deformaţia tangentială a roţii elastice la intrarea în angrenare sub sarcină

v = vn + δ ⋅ ϕa + δ k 0 ⋅ cosϕ a + v p v = −0, 46 + 0, 02 ⋅

π 9

+ 3⋅ cos 20+ 1, 43⋅ 10 −3=

-2007-

2,36


62

18. Jocul datorat rotirii relative a elementului elastic în zona frontală anterioară a dintelui jt 1

=

jt 1

=

4 ⋅ M t max ⋅ b1

π ⋅ G ⋅ d m2 ⋅ s1 4 ⋅ 27044 ⋅ 7, 75

π ⋅ 8,07 ⋅ 10 ⋅ 52,728 ⋅ 0,728 5

= 0,009[ mm ]

19. Jocul datorat rotirii relative a elementului elastic în zona frontală posterioară a dintelui jt 2

=−

jt 2

=−

4 ⋅ M t max ⋅ b1

π ⋅ G ⋅ d m2 ⋅ s1 4 ⋅ 27044 ⋅ 7,75

π ⋅ 8,07 ⋅ 10 ⋅ 52,728 ⋅ 0,728 5

= − 0,009[ mm ]

20. Jocul global anterior la varful dintelui şi jocul posterior la varful dintelui

= jae + jvw1 + jt1 jae1 = 0,69 + 0,027 + 0,009 = 0,726[ mm] jae 2 = jae + vw j 2 + jt 2 jae1 = 0, 69 − 0, 027 − 0, 009 = 0, 41[ mm] jae1

-2007-

Proiect de Diplomă – “Centrale Eoliene” 2.2.9 Determinarea profilului deformatorului camă

1. Raza curenta a razei camei ρ kϕ

= 0,5 ⋅ +d

k

w

2. Cresterea curentă a razei camei wk

= wϕ + ∆wmax ⋅

ϕ o

45

o

wk

= 1,12 − 0, 028 ⋅

20

o

45

= 1,1[ mm ]

3. Valoarea maximă a creşterii deplăsării radiale a unui punct de pe suprafaţa deformatorului

∆wmax = − 0,02⋅ wk 0 ∆wmax = − 0,02⋅ 1,41= − 0,028 [ mm ] 4. Valoarea deplasării radiale curente wϕ = wk 0 ⋅

w w0

wϕ = 1, 41⋅ 0,8 = 1,12 [ mm]

-2007-

63


64

Capitolul III: Proiectarea centralei eoliene Partea electrică 3.1 Lanţul de conversie electrica va cuprinde: •

generatorul

•

convertorul static de tensiune şi frecvenţă, compus din:

-convertor c.a.-c.c. (redresor) (1) (se utilizează redresoare necomandate, cu diode, în cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirecţionale. În cazul generatoarelor asincrone, se utilizează redresoare cu comandă în durată. Acestea pot furniza şi energia reactivă necesară magnetizării.) -convertor c.c.-c.a. (invertor) (2) (prin comanda acestuia, se poate regla frecvenţa şi valoarea eficace a energiei, astfel încât să se poată realiza conectarea la reţea. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulaţie în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună) Turbina eoliană fiind cu viteză variabilă, pentru optimizarea puterii debitate în reţea, în funcţie de viteza vântului, este de dorit ca să se poată regla viteza de rotaţie a eolienei. Ideea de bază este de a realiza un generator cu frecvenţă fixă, dar cu viteză variabilă. Generatorul cu viteză variabilă ar permite funcţionarea pentru o gamă mult mai largă a vitezei vântului, deci recuperarea unei cantităţi mai mari din energia vântului, reducând în acelaşi timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab. în cazul eolienelor cu viteză variabilă, sistemul este reglat astfel încât, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcţioneze la puterea maximă. Este ceea ce se numeşte Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pentru o anumită viteză de rotaţie a eolienei, puterea maximă se obţine în concordanţă cu caracteristica eolienei P(Q).

-2007-


65

Viteza de rotaţie se poate modifica în limite largi (într-un domeniu de până la 3), prin modificarea frecvenţei de alimentae a maşinii. Sistemele eoliene cu viteză variabilă ce funcţionează conectate la reţea, utilizează convertoare statice de tensiune şi frecvenţă (CSTF). Convertorul static de tensiune şi frecvenţă (CSTF)

Prin modificarea vitezei, frecvenţa şi amplitudinea tensiunii la ieşirea generatorului sunt varibile. Pentru conectarea la reţea, energia electrică trebuie transformată şi adusă la parametrii constanţi ai reţelei. în acest scop se utilizează convertoare statice de tensiune şi frecvenţă , interpuse între generator (sincron sau asincron) şi reţea. Acesta transformă energia de curent alternativ în curent continuu, generează energie de curent alternativ, ce este filtrată pentru asigura conectarea cu reţeaua de distribuţie, fără a produce perturbarea acesteia. Generatoarele astfel echipate pot suporta rafale ale vântului, reducând solicitările mecanice.

-2007-


66

Comanda acestor convertoare se realizează cu plăci de comandă numerice specializate, implantate în PC. Controlul transferului de putere între redresorul cu modulaţie în durată şi invertor se realizează prin controlul circuitului intermediar de curent continuu Acesta conţine un condensator de valoare importantă, ce asigură atât filtrarea tensiunii, cât şi caracterul de sursă de tensiune al circuitului intermediar. Generatorul

În cazul generatoarelor asincrone, datorită alunecării, există posibilitatea funcţionării acestora cu uşoare variaţii de viteză vom folosi o maşină asincronă (MAS) cu rotor în scurtcircuit asociată cu un convertor static de tensiune şi frecvenţă (CSTF) indirect.

În principiu, viteza se reglează prin intermediul frecvenţei de alimentare a înfăşurărilor statorice.

-2007-


67

Bidirecţionalitatea CSTF asigură funcţionarea atăt în zona hiposincronă (sub caracteristica mecanică naturală), cât şi în cea hipersincronă (deasupra caracteristicii mecanice naturale) şi controlul energiei reactive vehiculate cu reţeaua de distribuţie. 3.2 Stocarea energiei unei eoliene

Situaţia actuală de pe piaţa energiei electrice oferă oportunităţi pentru sistemele de stocare a energiei (SSE) în care se poate stoca o anumita cantitate de energie cu scopul de a fi restituită ulterior. Stocarea energiei joacă un rol esenţial în reţeaua de alimentare cu energie electrică, pentru asigurarea unui management mai eficient al resurselor de care se dispune. în combinaţie cu sistemele de producere a energiei electrice prin conversia energiilor regenerabile, SSE pot creşte valoarea energiei electrice generată de centralele eoliene, furnizând energie în momentele de vârf şi acumulând energie în momentele când cererea de energie este redusă. Strategic plasate, SSE pot creşte gradul şi eficienţa de utilizare a sistemului existent de transmisie şi distribuţie a energiei electrice. SSE pot fi utilizate pentru a reduce vârfurile de sarcină dintr-o staţie de alimentare cu energie electrică, ceea ce duce la eliminarea centralelor „de vârf şi o mai bună utilizare a centralelor de regim permanent. De asemenea, SSE servesc la asigurarea calităţii energiei electrice, în cazul, fluctuaţiilor de frecvenţă, a supratensiunilor, a scăderilor de tensiune şi chiar a întreruperii totale a alimentării cu energie de la centrală sau de la staţia de alimentare. În ultimii ani, nevoia de a găsi soluţii cât mai eficiente de stocare a energiei a renăscut interesul pentru acumularea energiei în volanţi de inerţie. Prin urmare, au apărut sistemele inerţiale de stocare a energiei (SISE), formate dintr-un volant de inerţie cuplat la o maşină electrică. Volanţii de inerţie sunt elemente de stocare a energiei sub forma de energie -2007-


68

cinetică. Dacă maşina electrică funcţionează în regim de motor, volantul este accelerat şi acumulează energie cinetică. Când maşina electrică funcţionează în regim de generator, aceasta frânează volantul transformându-i energia cinetică în energie electrică. Astăzi, este posibil să se construiască volanţi capabili să înmagazineze energia la densităţi de 4 - 5 ori mai mari decât bateriile electrochimice. De asemenea, densitatea de putere este de peste 30 de ori mai mare la volanţi. Alte avantaje ale SISE sunt rata mare de transfer a energiei, posibilitatea de a funcţiona în regimuri dinamice rapide, numărul ridicat de cicluri încărcare / descărcare, durata mare de viată, fiabilitate ridicată, lipsa poluării, etc. în concluzie, este posibil să se construiască „baterii electromecanice", bazate pe stocarea energiei în volaori de inerţie, mai eficiente decât bateriile electrochiinice convenţionale. PERFORMANTE Durata de funcţionare Fiabilitate Timp de reîncărcare Poluare Preţ Densitate de putere [W/Kg] Densitate de energie [Wh/Kg]

BATERII ELECIROCHIMICE 2-8ani scăzută 10-15 ore poluante 0,30 $/Wh 150

SISE

10-40

>50

> 26 ani ridicată 10 s – câteva ore nepoluante 1 $/Wh 5000

Bateriile de condensatoare. Pentru ameliorarea factorului de putere al instalaţiei, se conectează baterii de condensatoare, ce sunt constituite din trei baterii de condensatoare monofazate, conectate în triunghi. Bateriile de condensatoare asigură şi compensarea puterii reactive consumate (ca o medie, ţinând cont de neregularităţile vântului). Energia reactivă este necesară maşinilor asincrone pentru magnetizare. Astfel, bateriile de condensatoare (surse de energie reactivă) asigură local energia necesară magnetizării, ameliorând astfel factorul de putere global al -2007-


69

eolienei. în cazul funcţionării autonome a eolienelor, bateriile de condensatoare sunt indispensabile pentru asigurarea energiei reactive necesare magnetizării maşinii.

-2007-


70

Capitolul IV: Caracteristici generale ale centralelor eoliene moderne În Germania, energia eoliană este în plină ascensiune şi pe câmpurile din polderul de la Wybelsum, "măturat" de vânturile Mării Nordului, într-o zona industrială departe de orice localitate, funcţionează cea mai mare centrală eoliană din lume, "E-112". Având o înălţime de aproape 180 metri, cea a unui imobil cu 40 de etaje, pentru întreţinerea centralei "E112" a trebuit instalat un ascensor interior. Din beton şi oţel, sute de tone, cu o înălţime demnă de un zgârie nori, construirea celei mai mari centrale eoliene din lume a reprezentat o muncă de precizie. în prezent, alături se află în construcţie o soră geamănă. Şantierul este încă la fundaţie, etapacheie, într-o groapă imensă fiind instalată o cocă metalică, acolo unde se va ridica turnul, iar în jur, în cerc, o serie de piloni de oţel înfipţi până la 22 de metri sub pământ. Totul este măsurat în sute de tone şi la înălţimea la care se lucrează, dacă o piesă se mişcă cu câţiva centimetri, are grave repercusiuni. Cele trei pale, a căror lungime o depăşeşte pe cea a unei piscine olimpice, au fiecare o greutate de 20 tone.

-2007-


71

În Olanda proiectul unei astfel de centrale a fost foarte bine primit de public deoarece a fost amplasată pe apă. Scopul acestui proiect a fost bine ales şi s-a dovedit un mare succes. Centrala eoliană are 4 turbine cu 2 pale şi produce o cantitate anuală de 3.5 MWh.

In anul 1989 guvernul olandez a stabilit acest proiect. Pe ţărm construirea unei centrale eoliene nu era posibilă datorită neîncrederii populaţiei. în larg viteza vânturilor este mai mare şi mai constantă pe tot timpul anului. Compania ENW a pus în aplicare acest proiect construind o centrală de 2 MW în doi ani de zile( 1992-1994) în Ijsselmer la 2,6 km nord de oraşul Medemblik. Turbine au fost construite de firma NedWind şi sunt în număr de 4 având o înălţime de 40 de metri dispuse la o distanţă de 200 de metri unul de celălalt. Centrala eoliană a fost pusă în funcţiune în anul 1994 şi proiectată să producă 3.5 Mwh pe an. în anul 1996 au fost obţinuţi 3.95 MWh ceea ce reprezintă echivalentul a 900 000 de metri cubi de gaze naturale având o eficienţă de 40%. Din punct de vedere economic investiţia a costat 10 milioane de guldeni din care turbinele au costat 800 000, iar preţul unui kilowat este de 0.15 guldeni. Durata de funcţionare a centralei este prevăzută a fi de 19 ani.

-2007-


72

Centrala eoliană de la Vikna este construită pe o colină a unei insule la 65 grade latitudinea nordică. Turnul centralei are înălţimea de 100 de metri faţă de nivelul Mării Norvegiei într-o zonă în care bate permanent. Centrala are 5 turbine cu pas reglabil produse de firma daneză Vestas fiecare turbină având o putere de 2.2 MW. Viteza medie anuală a vântului este de 7.2 m/s la o înălţime de 30 de metri.

In anul 1989 firma Norwegian Water Resources and Energy Administration a demarat la cererea guvernului norvegian un proiect de cercetare a zonelor în care ar putea fi amplasată o centrală eoliană. A fost aleasă această zonă deoarece îndeplinea toate condiţiile (creasta dealului este paralelă cu direcţia vitezei vântului, zona este liberă). în septembrie 1991 firma Nord Trondelag Elvek a început construcţia centralei montând 3 turbine de 400 kW fiecare, dar în august 1993 au mai fost montate încă 2 de 500kW. “Performantele" sistemului sunt: puterea instalată este de 2.2 MW, producţia anuală de energie este de 5,5 GWh, factorul de capacitate 0.30, costul investiţiei 25 de milioane de-NOK(coroane norvegiene)(1993), costul unui kilowat este de 0,47 NOK/Wh.

-2007-


73

Guvernul norvegian a investit 50% din această sumă. La început se preconiza obţinerea de 5.8GW cu o disponibilitate de 97 %. în primi 2 ani de funcţionare s-au obţinut 6.56 GWh în special datorită condiţiilor favorabile (viteze mari ale vânturilor) în 1995 cu o disponibilitate de 93.5%. Au fost şi probleme însă. în această zonă au loc frecvente descărcări electrice care influenţau negativ reţeaua de comunicaţii dintre turbină şi sistemul de comandă. Palele turbinelor au fost realizate din aluminiu iar nacela avea o „împământare" din cupru ceea cea dus la eliminarea acestui neajuns. Din punct de vedere economic investiţia s-a dovedit a fi rentabilă. Iniţial s-au investit 13 milioane de coroane pentru cumpărarea celor 3 turbine de 400 KW. Aceste turbine au o viaţă de funcţionare de20 de ani şi pot produce 3.1 GWh pe an. Costurile de întreţinere şi reparaţie sunt de 0.07 coroane, preţul unui KW fiind de 0.47coroane.în a doua etapă s-au mai investit 12 milioane pentru cele 2 turbine de 500MW dar preţul KW a rămas acelaşi. Centrala eoliană de la Vikna este conectată la sistemul energetic şi lucrează la capacitatea maximă. Deşi a fost primul proiect de acest fel din Norvegia a fost bine primit atât de guvern cât şi de public. Centrala eoliană de la Haverigg a fost construită în nord-vestul Angliei în anul 1992 şi are 5 turbine de 225 kW şi o putere totală de 1.125 kW. în 5 ani de zile a produs 16 MWh. Ea a fost concepută ca un sistem energetic independent pentru alimentarea cu electricitate a 500 de case şi a consumatorilor industriali din această zonă. Proiectul a fost bine primit şi a beneficiat de sprijinul autorităţilor locale. În Marea Britanie în 1997-capacitatea de producţie era de 6.5MW şi erau instalate 700 de turbine eoliene.

-2007-


74

Proiectul aeestei centrale eoliene a fost conceput de companiile Windcluster Ltd. şi PowerGen care au studiat zona şi au găsit soluţia cea mai optimă datorită potenţialului energetic al vântului. Centrala eoliană a fost amplasată pe ţărm şi are 5 turbine la o distanţă de 200 de metri unul de celălalt. Turnurile au înălţimea de 30 de metri şi sunt situate la 10 metri de nivelul mării. Turbinele sunt fabricate de firma Vestas din Danemarca şi au axul orizontal cu 3 pale cu pas reglabil având un diametru de 27 de metri. Centrala dispune de un transformator care ridică tensiunea la 11KV pentru a fi distribuită în reţeaua locală de electricitate. Turbinele încep să lucreze când viteza vântului este mai mare de 3.5 m/s şi se opresc când aceasta ajunge la 25 m/s.Fiecare turbină este controlată de un computer care supraveghează viteza şi direcţia vântului şi orientează rotorul în mod corespunzător şi ajustează automat unghiul pasului elicei. Din punct de vedere economic investiţia a costat 1 milion de lire sterline iar preţul unui kilowat este de 0.11 lire sterline. Sistemul este fiabil în exploatare şi alimentează zona fără întrerupere, are un factor de capacitate de 30% şi o disponibilitate de 98% având o durată de viaţă de 15 ani.

-2007-


75

Capitolul V: Dificultăţi legate de valorificarea energiei eoliene Problemele actuale pe care un investitor în energetica surselor regenerabile de energie le întâmpină se împart în două mari categorii, potrivit perioadei de timp care caracterizează activitatea în proiect, aşa cum se poate vedea în fig. 1:

-2007-


76

Deşi există un cadru legislativ generos (Legea Energiei, Legea eficienţei energiei, HG 443/2003), efortul de investigare şi promovare a unor investiţii întâlneşte în practică numeroase bariere. 5.1. Probleme tehnice întâlnite:

Lipsa sau limitarea dotărilor necesare operaţiilor de construcţiimontaj specifice instalaţiilor eoliene de puteri mari, în speţă macarale, trolii, etc. - Lipsa unor servicii calificate de întreţinere şi reparaţii în exploatare, care poate determina diminuarea disponibilităţii şi compromiterea succesului investiţiilor. Partea electronică a erogeneratoarelor este deosebit de complexă, iar asigurarea pieselor de schimb pentru un număr redus de unităţi se poate face doar de la uzina mamă, rezervarea fiecărei piese in-situ fiind prohibitivă. 5.2. Probleme administrative şi de practică comună: - Lipsa de informare a potenţialilor parteneri locali asupra posibilităţilor şi oportunităţilor de valorificare a resurselor regenerabile de energie. -

-2007-


77

Preţuri neadecvate şi nerealiste cerate pentru lucrările de construcţii-montaj. - Lipsa de cooperare şi uneori dezinteresul unor autorităţi locale cu atribuţii de autorizare în realizarea proiectului. - Greutăţi în procurarea informaţiilor utile (de exemplu hărţile de detaliu ale teritoriului şi a celor de cadastru imobiliar). Informaţiile şi autorizaţiile trebuie obţinute din mai multe surse, dispersate şi necorelate. - Lipsa unei singure autorităţi pentru primirea şi prelucrarea avizelor (biroul unic). - Coordonarea între responsabilii care dau avize, de exemplu: organul coordonator de avize (primăria/prefectura, consiliul judeţean/local) ar trebui să ceară avizele de la celelalte organe (pompieri, mediu, sanitar, etc.) - Nespecificarea unei liste concrete a avizelor necesare, unică pe ţară (număr de avize, de la ce autorităţi trebuie să provină, pe baza căror documente se face eliberarea, etc). - Nu se cunosc costurile necesare pentru eliberarea acestor avize. - Termen nespecificat în care avizele trebuie date (nefuncţionarea legii aprobării tacite). - Nu există o registru centralizat al zonelor în care nu este permisă construcţia obiectivelor energetice (rezervaţii naturale, zone de atracţie turistică, zone de protecţie sanitară, etc.) - Impedimentul de a construi pe teren extravilan (pe care nu este permisă construirea). - Taxele de schimbare a destinaţiei terenului din teren agricol sunt diferite de la zonă la zonă şi, în unele cazuri, sunt necunoscute. - Lipsa normelor care să precizeze distanţa faţă de alte clădiri la care se pot construi instalaţiile eoliene. -

-2007-


78

5.3. Racordarea la reţea

Problema construirii conexiunii de legătură cu sistemul energetic naţional. - Problema punctului de racordare (proprietatea asupra acestuia, obligaţia exploatării şi întreţinerii acestuia). -

5.4. Cadrul de reglementare

- Lipsa unor norme care să prevadă obligaţia autorităţilor competente şi a antreprenorilor implicaţi de a încheia contracte pe o perioadă lungă de timp, de peste 20 ani. - Inexistenţa obligativităţii operatorului de reţea de a achiziţiona întreaga cantitate provenită din surse regenerabile, nu numai a cantităţii reglementate. - Clarificarea / armonizarea ordinului ANRE 37/2002, cu privire la aprobarea Metodologiei pentru stabilirea preţurilor / tarifelor de achiziţie a energiei electrice de la producători independenţi şi autoproducători. - Intrarea în vigoare a unor norme şi armonizarea normelor existente în privinţa accesului şi a racordării la reţea a producătorului independent. La realizarea proiectelor de investiţii în construcţia de centrale energetice eoliene pot apărea următoarele riscuri, care ar diminua efectul economic prognozat. în mod general, instituţiile financiare examinează patru tipuri de riscuri: politice, valutare, de creditare şi riscurile realizării proiectului. - Riscul politic corespunde grupului de riscuri controlat de conducerea ţării. Un astfel de risc poate apărea, de exemplu, la modificarea legislaţiei în vigoare a ţării, a tipului de proprietate etc. - Riscul valutar ar putea deriva din cel politic şi din factori economici, în urma devalorizării monedei naţionale etc. -2007-


79

5.5 Riscul de credit survine ca urmare a incapacităţii

cumpărătorului de a plăti pentru marfa procurată, sau a diminuării cererii, în cazul dat, la energie electrică. - Riscul realizării proiectului survine în urma unor evenimente sau cauze care ar împiedica executarea proiectului, inclusiv a cazurilor de forţă majoră. Primele trei tipuri de risc vor fi minime în cazul unei stabilităţi politice în ţară, având în vedere interesul deosebit manifestat de factorii de conducere, reflectat în legislaţia în vigoare, referitor la implementarea surselor de energie regenerabilă. Riscul realizării proiectului trebuie examinat în detaliu, făcând comparaţie cu proiectele analoge desfăşurate în energetica tradiţională (de exemplu, construcţia unei centrale termoelectrice). Pe lângă riscurile de bază, ar putea surveni şi alte riscuri, precum ar fi: - Riscul ecologic, care presupune creşterea cheltuielilor legate de protecţia mediului. Acest risc este exclus, dat fiind faptul că centrala eoliană este o sursă de energie "curată" în regim reglementat, precum şi în caz de avarie. - Riscul social. în acest caz, centrala electrică eoliană este examinată ca sursă potenţială de accidente în producţie. La centrala electrică eoliană există foarte puţine locuri de contact al personalului cu elementele rotitoare, electrice, cu temperatură înaltă sau altele care ar putea fi cauza traumatisme. Urmând regulile prescrise de protecţie, riscul accidentării la centrala electrică eoliană se reduce la minim, fiind de zeci de ori mai mic în comparaţie cu cel existent la centralele termoelectrice. - Riscul tehnologic şi riscul de transport este examinat ca risc al reducerii producţiei de energie din cauza lipsei de combustibil, apă şi a altor consumabile. Acest risc este minim în comparaţie cu cel de la CTE-uri, -2007-


80

fiindcă la centralele electrice eoliene nu există consum de combustibili sau apă tehnologică. Nu apare nici riscul transportului în lipsa căruia centrala nu ar putea fi asigurată cu combustibil. - Riscul de producţie este legat de reducerea volumului de produs finit (energie electrica) din cauza ieşirii din funcţiune a agregatelor sau a infrastructurii electrice. Agregatele eoliene fabricate actualmente au depăşit de regulă toate situaţiile de rodaj specifice prototipurilor. Firmele producătoare de agregate eoliene dau garanţii pentru producţia lor, identice cu cele ale utilajului pentru termocentrale. - Riscul energetic eolian, în cazul centralei electrice eoliene are cea mal mare pondere. O reducere substanţială a producerii de energie este posibilă la aprecierea incorectă a vitezei medii a vântului sau a repartizării acestuia pe gradaţii. Reducerile pot fi cauzate şi de schimbările considerabile ale condiţiilor de vânt care au loc în unele perioade de timp. Acest risc poate fi redus punând la baza calculelor energetice date sigure multianuale despre viteza şi roza vânturilor, inclusiv date obţinute prin măsurători de lungă durată pe locul de amplasare a centralei. - Riscul de forţă majoră poate apărea în cazul unor circumstanţe neobişnuite de tipul îngheţurilor cu lapoviţă, dar care pot cauza deteriorarea reţelelor electrice. Concluzia finală este că, în România există interes şi disponibilităţi foarte mari pentru investiţii în proiecte energetice din resurse regenerabile, dar, totodată, dacă se doresc aceste investiţii, trebuie ca autorităţile să definească, simplifice şi pregătească cadrul şi procedurile administrative şi de reglementare.

-2007-


81

Capitolul VI: Concluzii Avantaje

În contextul actual, caracterizat de creşterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea dependenţei de aceşti combustibili. Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluţie foarte bună la problema energetică globală. Utilizarea resurselor regenerabile se adreseaza nu numai producerii de energie, dar prin modul particular de generare reformuleaza şi modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor. Energia eoliana în special este printre formele de energie regenerabila care se preteaza aplicatiilor la scara redusa. Tipuri de sisteme eoliene de mici capacitati: Sisteme eoliene autonome

-2007-


82

Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanţe poluante şi gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili. Nu se produc deşeuri. Producerea de energie eoliană nu implică producerea nici a unui fel de deşeuri. Costuri reduse pe unitate de energie produsă. Costul energiei electrice produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanţial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalităţile negative inerente utilizării combustibililor clasici. În 2004, preţul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime faţă de cel din anii 80, iar previziunile sunt de continuare a scăderii acestora, deoarece se pun în funcţiuni tot mai multe unităţi eoliene cu putere instalată de mai mulţi megawaţi. Costuri reduse de scoatere din funcţiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din funcţiune pot fi de câteva ori mai mare decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcţiune, la capătul perioadei normale de funcţionare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate. •

•

•

•

Dezavantaje

La început, un important dezavantaj al producţiei de energie eoliană a fost preţul destul de mare de producere a energiei şi fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii ani, însă, preţul de producţie pe unitate de energie electrică a scăzut drastic, ajungând până la cifre de ordinul 3-4 eurocenţi pe kilowatt oră, prin îmbunătăţirea parametrilor tehnici ai turbinelor. -2007-


83

Un alt dezavantaj este şi "poluarea vizuală" - adică, au o apariţie neplăcută - şi de asemenea produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). Alţii susţin că turbinele afectează mediul şi ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări şi necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor. Argumente împotriva acestora sunt că turbinele moderne de vânt au o apariţie atractivă stilizată, că maşinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele şi că alte surse de energie, precum generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, deoarece creează poluare şi duc la efectul de seră. Un dezavantaj practic este variaţia în viteza vântului. Multe locuri pe Pământ nu pot produce destulă electricitate folosind puterea eoliană, şi din această cauză energia eoliană nu este viabilă în orice locaţie.

Bibliografie 1.

www.lpelectric.ro

2.

www.ewea .org/ - European Wind Energy Association

3.

www.wwindea.org/ - World Wind Energy Association

4.

ro.wikipedia.org/

5.

6.

Univers ingineresc, revistă, Asociaţia generală a inginerilor din România,16-30 noiembrie 2006 Dimensiuni contemporane ale dezvoltarii durabile şi competitive Prof.univ.dr. Dumitrache CARACOTA, Ec.drd.Constantin Razvan CARACOTA

7.

www.enereco.go.ro

Energia vântului, Vlad Ilie,1982 9. Zestrea energetica a lumii, Nestor Lupei, Ed.Albatros, 1986 8.

-2007-

Proiect Licenta Centrale Eoliene

Recommend Documents