Generator Eolian

CLEAN ENERGY FUTURE GROUP

GENERATOR EOLIAN CU TURBIN VERTICAL PE LAGR MAGNETIC

GETVLM

BORDAN

7/20/2013

The vertical wind turbine with a double helix fan and permanent magnetic bearings was conceived as an alternative for supplying with electric energy isolated houses that do not have access to the electrical grid. Also it can be used to power monitoring systems (CCTV), street lighting which also do not have access to the electrical grid. The magnetic bearings reduce friction to practically zero increasing the wind sensitivity of the turbine and the double helix blade system captures both horizontal and vertical wind currents making it perfect for low speed wind areas but also in turbulent areas.

The generator develops a power of 1000 W with the help of its rotor equipped with the permanent magnetic bearings and the stator equipped with coils, which capture the magnetic flux generated by the rotor and transforms it in electric current. The turbine has a diameter of 1 meter and a height of 2 meters. The generator does not require brushes and excitation current. The electric current produced is being stored in batteries where it is converted using an inverter. It can be mounted easily on rooftops or balconies being as safe as a satellite dish and it is as well very quiet because of the magnetic bearing system.

GENERATOR EOLIAN CU TURBIN VERTICAL PE LAGR MAGNETIC - BORDAN

CUPRINS

I.INTRODUCERE .9

II. MEMORIU DE PREZENTARE (M.P.)...11

2.1Obiectul Proiectului11

2.2Surse Regenerabile de Energie...11

2.2.1 Energia hidroelectric...11

2.2.2 Energia mareelor,valurilor i a gradienilor termici ai oceanelor11

2.2.3 Energia solar12

2.2.5 Energia din biomas.12

2.2.5 Energia din biogas....12

2.3 Energia Eoliana..12

2.3.1 Densitatea de aer.15

2.3.2 Msurarea vitezei vntului..16

2.3.3 Turbulenele.17

2.3.4 Obstacole...17

2.4 Turbine Eoliene....17

2.4.1 Turbine cu ax vertical...17

2.4.2 Turbinele Savonius18

2.4.3 Turbinele Darrieus18

2.4.4 Turbine eoline cu rezisten simpl..18

2.4.5 Turbine eoliene cu diferen de rezisten...18

2.4.6 Turbine cu ax orizontal.19

2.5 Generatoare Eoliene.20

2.5.1 Diferenele n comparaie cu generatoarele convenionale.21

2.6 Tipuri de generatoare....21

2.6.1 Generator de inducie21

2.6.2 Generator sincron excitat electric.22

2.6.3 Generator cu reluctan variabil.22

2.6.4 Generator sincron cu magnei permaneni cu flux radial.22

2.6.5 Generator sincron cu flux axial.24

2.6.6 Generator cu flux transversal i turaie variabil..25

2.7 Instalaia electric a unei centrale eoliene26

2.8 Lagrul de legatur dintre generator i turbin.27

2.8.1 Lagre magnetice active ...27

2.8.2 Lagre magentice pasive...27

2.9 Soluia adoptat28

8


III. BREVIAR DE CALCUL (B.C.).29

3.1Date de proiectare..29

3.2Proiectare turbin eolian..31

3.3Proiectare Lagr Magnetic.33

3.4Proiectare Generator ....35

3.4.1 Calculul magnetic al generatorului...35

3.4.2 Calculul electric...39

3.5Avantajele turbinei verticale .41

IV. CAIET DE SARCINI (CS).45

4.1 Caracteristici tehnice i funcionale minimale i obligatorii..45

4.1.1 Cerine de lucru..45

4.1.2 Cerine generale..45

4.2 Cerine tehnice minime ..45

4.2.1 Specificaii tehnice generale...45

4.2.2Specificatii tehnice invertor ...45

4.2.3Specificatii tehnice set de acumulatori...46

4.2.4 Specificatiile tehnice ale tablourilor electrice........................................46

4.2.5 Specificatii tehnice supori generator eolian..46

4.3 Alte cerine 46

4.4 Cantiti..47

4.5 Controlul calitii.48

4.6 Msuri de protecie a muncii...49 V. NOTI TEHNIC (N.T.).51 5.1. Destinaia i descrierea produsului51

5.2 Modul de funcionare..51

5.3 Defecte posibile i mod de depanare..52 VI. DOCUMENTAIA ECONOMIC (D.E.).53 6.1 Lista de material..53

6.2. Fia de manoper direct.53

6.3. Deviz estimative.54 VII. CONCLUZII...55 VIII. BIBLIOGRAFIE...56 IX. ANEXE....57

9


I.INTRODUCERE

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

Aplicarea tehnologiei lagrelor magnetice la turbina eolien, practic ntreaga greutate a turbinei este susinut de ctre lagrul magnetic, elimin frecrile din rulmeni, iar costurile de ntreinere sunt reduse, se elimin vibraiile mecanice i reduce zgomotul, se reduce cuplul de pornire, generatorul producnd energie la viteze mici ale vntului.

Energia eolian sau energia vntului, este o form de energie regenerabil. La nceput energia vntului era transformat n energie mecanic, folosit ca mijloc de propulsie pe ap pentru diverse ambarcaiuni iar ceva mai trziu ca energie pentru morile d e vnt. Morile de vnt au fost folosite ncepnd cu sec al 7-lea .Hr de per i pentru mcinarea cerealelor. Morile de vnt europene, constr uite ncepnd cu sec al 12-lea n Anglia i Frana, au fost folosite att pentru mcinarea de boabe ct i pentru tierea butenilor, mrunirea tutunului, confecionarea hrtiei, presarea semin elor de in pentru ulei i mcinarea de piatr pentru vopselele de pictat.

Morile de vnt persane aveau palete f cute din mnunchiuri de trestie, care se nvrteau n jurul unei axe verticale i erau folosite la mcinarea cerealelor. Ele au nceput s fie folosite de peri din secolul al VII-lea .Hr.Primele mori de vnt din Eu ropa au fost construite n sec al 12-lea n nordul Franei i n sudul Angliei, ele s-au rspndit apoi n Belgia, Germania i Danemarca. n Olanda ele au fost folosite pentru a drena zonele mltinoase pentru a le face locuibile de ctre Jan Leegwater i inginerii danezi care i-au urmat.

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

Energie eolian este generat prin transferul energiei vntului unei turbine eol iene. Vnturile se formeaz datorit nclzirii neuniforme a suprafeei Pmntului de c tre energia radiat de Soare care ajunge la suprafaa planetei noastre. Aceast nclzire variabil a straturilor de aer, produce zone de aer de densiti diferite, fapt care creeaz diferite micri ale aerului. Energia cinetic a vntului poate fi folosit la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Energia vntului reprezint una din alternativele energetice care pot asigura pentru zonele n care viteza vntului este cuprins ntre 712m /s, costuri ale kilowatorei de ordinul de mrime a celor obinute n centralele clasice pe crbune sau combustibil lichid.

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

10


alternativ ieftin i eficient n generarea electricitii pe plan individual. Scderea preurilor la magnei permaneni din pmnturi rare i din neodinium ct i a progreselor n electronica de putere au jucat un rol important in dezvoltarea mainii electrice fr perii colectoare cu flux axial. Aceste maini au devenit de curnd foarte eficiente, datorit densitii de curent mare i a fiabilitii lor ceea ce a condus la nlocuirea mainii de curent continuu i eficientizarea mainii de inducie.

Maina electric cu flux axial (MEFA) i maina de tip disc este o alternativ atractiv n comparaie cu omologul sau cilindric cu flux radial datorit formei, construciei, a cuplului ridicat i a uurinei de construire. Mainile electrice cu flux axial sunt deosebit de potrivite pentru vehiculele electrice, pompe, supape, macarale, roboi, generatoare eoliene...etc. Cererea de maini electrice cu flux axial ca generator eolian este justificat datorit costului sczut, a uurinei de construire i a faptului c aceste maini cu muli poli funcioneaza efecient la turaii sczute ceea ce le face ideale la aplicaii n generarea de curent electric cu ajutor vntul ui pe plan individual.

De asemenea s-a implementat un sistem de rotire al turbinei bazat pe lagre magnetice, ceea ce permite pornirea i rotirea la viteze ale vntului mici, eliminnd pr actic frecarea. Noua tehnologie permite montarea acestor eoliene nu numai n zonele cu vnturi puternice permanente, cum ar fi cele din Dobrogea sau din vile zonelor muntoase, ci i n alte pri ale trii, unde vntul bate n mod normal i pot fi amplasate pe acoperiurile caselor, ntruct nu prezint un risc pentru locuine mai mare dect o anten de satelit. Cu acest nou sistem, eolienele pot funciona chiar n orae, pot fi folosite n agricultur, unde poate produce energia necesar pompelor de irigaii n fermele izolate, sau pentru a produce energia necesar iluminatului stradal.

Strategia de lucru

a) Analiza consumului mediu de energie pe o perioada determinat de un an;

b) Dupa analiz sa trecut la calcularea necesarului de energie pentru a satisface cerina, adic dimensionarea palelor de colectare a vntului n fu ncie de puterea generatorului;

c) Proiectarea propriu zisa a generatorului, adic alegerea materialului i calcularea numrului de magnei necesari producerii energiei cerute i dimensionarea statorului i a bobinelor;

d) Desenarea pieselor componente la scar pentru o viitoare aplicare practica; e) Analiza costului de proiectare i preului materialelor alese.

Obiectivul acestei lucrri este proiectarea unui generator eolian cu flux axial cu magnei permaneni ct mai ieftin posibil i ct mai eficient, care s fie o soluie de producere a energiei electrice pentru casele izolate, ferme izolate, iluminat stradal, sisteme de paz i protecie la obiective izolate, sisteme de monitorizare video a zonelor fr acces la reeaua de distribuie public.

11


AI. MEMORIU DE PREZENTARE (M.P.)

2.1 Obiectul Proiectului

Se va proiecta un generator eolian de mic putere pentru echiparea unei instalaii eoliene destinat alimentrii cu energie electric a unei locuine izolate.

2.2 Surse Regenerabile de Energie

nclzirea climatului global este cauzat de emisia excesiv de gaze cum ar fi CO2 , CH4, NO2, i altele, care afecteaz n mod serios ecosistemul i populaia lumii. Sectorul energetic contribuie cu un procent de 60% din emisia de gaze cu efect de ser, produse prin arderea combustibililor fosili, gazosi etc.

Avantajul principal al surselor de energie regenerabile n comparaie cu sursele de energie convenionale l constituie faptul c ele nu emit gaze. n al doilea rnd, sursele de en ergie regenerabile folosesc resursele naturale nelimitate n timp, cum ar fi energia hidroelectric, energia mareelor, valurilor i a gradienilor termici ai oceanelor, energia solar, energia din biomas, energia din biogaz, energia eolian. n comparaie cu sursele de energie convenional care nu pot funciona pentru todeauna deoarece ele depind de resurse naturale care sunt limitate cantitativ i s-au acumulat n perioade lungi de timp.Un al III-lea avantaj n constituie locul de provenien al sursei de energie, spre exemplu panourile solare se pot amplasa oriunde ziua este lung i turbinele eoliene n orice loc unde sufl vntul, dar petrolul i gazele naturale nu pot fi extrase din orice loc.

2.2.1 Energia hidroelectric Utilizarea direct a energiei apei a ajuns s acopere aproape 20% (2650 TWh/an) din necesarul

global de energie electric. Cel mai ridicat potenial l deine Asia, dup care urmeaz America Latin, Europa, Africa, America de Nord i Oceania.

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

2.2.2 Energia mareelor,valurilor i a gradienilor termici ai oceanelor

Puterea grupurilor existente n cazul barajelor n calea mareelor este de aproximativ 240 MW, iar n cazul prelucrrii energie marine este de 250-300 kW. Costurile de instalare i producere se menin ridicate, ceea ce face ca aceast energie s nu fie competitiv deocamdat pe o pia de electricitate. Potenialul energetic al valurilor pentru Uniunea European a fost estimat la 120-190 TWh/an (n larg) i 34-46 TWh/an (aproape de rm). Tehnologia de prelucrare a energiei valurilor este o tehnologie relativ nou, fiind propuse mai multe soluii aflate n diverse stadii de cercetare sau proiectare. Pentru instalaiile aproape de rm i pentru cele aflate n larg a fost estimat un cost specific al investiiei de 1000-1400 /kW (1998).

Obinerea energiei electrice prin prelucrarea gradieniilor termici ai oceanelor se bazeaz pe diferena de temperatur existent ntre suprafaa oceanului i un anumit nivel de adncime (aproximativ 1000m). Au fost dezvoltate proiecte aproape de rm (posibilitate simplificat de

12


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

2.2.3 Energia solar

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

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

2.2.4 Energia din biomas

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

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

2.2.5 Energia din biogaz

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

2.3 Energia Eoliana

Energia vntului mai poart numele i de energie eolian. Acest nume vine din mitologie, de la Eol, zeul vntului. Energia vntului a fost folosit de ctre oameni din cele mai vechi timpuri, ncepnd cu b rcile i corbiile care se deplasau cu ajutorul vntului, contin und cu morile de vnt, cu ajutorul crora mcinau cereale pentru hran. Generatoarele eoliene au aprut recent, nite dispozitive speciale numite turbine eoliene, care capteaz vntul i transform energia eolian n energie electric. Vntul este definit ca o mi care relativ orizontal a aerului pe suprafaa pamntului, mi care cauzat de soare, mai prcis de rediaiile solare, energia vntului fiind o form indirect a energiei solare. S-a estimat c 1-2 % din radiaiile solare care ajung pe suprafaa pmntului se convertesc n vnt, reprezentnd aproximativ 1.74 pn la 3x1015W, fiind o surs de energie nelimitat.

n general vntul rezult din nclzirea neuniform a diferitelor pri ale suprafeei pmntului. Diferena de temperatur cauzeaz diferene de presiune, aerul cald fiind mai usor i se ridic n parile

13

GENERATOR EOLIAN CU TU RBIN VERTICAL PE LAGR MAGNE TIC - BORDAN

superioare ale atmosferei. Se creea z o suprafa de joas presiune la nivelul solului, unde aerul rece care este mai greu va cobor din p rile nalte ale atmosferei, creend o suprafat de presiune nalt. Aceast diferen de presiune de-a lungul distanei se numete gradient d e presiu ne. Viteza vntului depinde n mod direct de gradientu l presiunii. nclzirea neuniform a diferitelor pri ale suprafeei pmntului este cauzat de forma planetei.

Energia cinetic din vnt po ate fi folosit pentru a roti nite turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, dei aceasta necesit o v itez a vntului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilo metri pe or. Puine zone pe pmnt au aceste viteze ale vntului, dar vnturi mai puternice se pot g si la altitudini mai mari i n zonele oceanice. Energia eolian este folosit extensiv n ziua de astzi, i turbine noi de vnt se construiesc n toat lumea, ea fiind sursa de energie cu cea mai rapid cretere n ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc en ergie peste 25% din timp, acest procent crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternice.

La sfr itul anului 2006, capacitatea mondial a generatoarelor eoliene era de 73.904 MW, acestea producnd ceva mai m ult de 1% din neces arul mondial de energie electric. Chiar i pe fondul incertitudinii politice n prin cipalele piee de energie eolian, dezvoltatorii au reuit s instaleze n 2012, la nivel mondial, 44.000 MW de noi capaciti eoliane, ajungnd la o capacitate total de peste 280.000 MW, n mai mult de 80 de ri, dintre care 24 au cel puin 1.000 MW . Turbinele eoliene, la nivel European, pot satisface ne voile de energie electric rezidenial la peste 450 de milioane de oameni.

Fig II.1 Evoluia puterii eoliene pe plan mondial

China a instalat n 2012 o ca pacitate de aproximativ 13.000 MW, potrivit G lobal Wind Energy Council (GWEC), conducnd pe pl an mondial , cu 75.000 de MW, mai mult de un sfert din totalulmondial. Conform estimrilor China va ajunge la 140.000 MWenergie eolian pn n 2015 i

aproape 250.000 MW pn n 2020.

SUA a instalat n 2012 capaciti eoliene nsumnd 13.100MW, rmnnd, totu i n spatele

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

Uniunea European a instalat mai muli megawati de energie eolian n 2012 dect a f cut-o din gaze naturale, crbune, sau en ergie nuclear. Germania, cu 30.000 MW capac itate eolian este a treia putere mondial. Romnia i Polonia au adugat fiecare aproximativ 900 M W capaciti eoliene n 2012, ajungnd la 2.500 i resp ectiv 1.900 de MW. Turciei are ca obiectiv de a ajunge la 20.000 MW energie eolian n urmtorii 10 ani, de aproape 10 ori capacitatea actual.

14


n afar de China, India este cellalt mare productor de energie eolian din Asia, cu o capacitate instalat de peste 18.000 MW, ocupnd locul al cincilea la n ivel mondial.

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

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

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

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

Fig II.2 Resurse consumate pentru producerea energiei electrice

Se estimeaz c instalarea unui kW eolian, cost aproximativ 1000 euro. Progresele tehnologice i producia n cretere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constant a preului estimate, preul unui kWh depinznd de pre ul instalrii eolienei, ca i de cantitatea de energie produs anual. n Germania i Danemarca, investitorii sunt fie mari grupuri industriale, fie particulari sau agricultori. Aceast particularitate tinde s implice populaia n dezvoltarea eolienelor. Energia eolian este perceput ca o cale de diversificare a produciei agricole. n Danemarca, 100 000 de familii dein aciuni n energia eolian. Filiera eolian a permis, de asemenea, crearea de locuri de munc n diverse sectoare, ca cele de producere a eolienelor i a componentelor acestora, instalrii eolienelor, exploatrii i ntreinerii, precum i n domeniul cercetrii i dezvoltrii. Se nregistreaz peste 15 000 de angajai n Danemarca i 30 000 n Germania, direct sau indirect implicai n filiera eolian.

15


Energia eolian este considerat ca una din opiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vntului fiind imense. Se est imeaz c energia eolian recuperabil la nivel mondial se situeaz la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattor), ceea ce reprezint de 4 ori mai mult dect consumul mondial actual de electricitate. Vit eza vntului este extrem de important pentru conversia energiei eoliene n energie electric.

Puterea vntului care trece perpendicular printr-o suprafa circular este:

P * v3 * * r(II.1)

2

P puterea vntului [W] (Watt).- densitatea aerului uscat 1.225 [Kg/m3] (msurat la presiunea atmosferic i la temperatura de 150C) v- viteza vntului [m/s]

r- raza specific rotorului [m]

Formula arat c putere (P) a vntului masurat n Watt [W], depinde strict de cubul vitezei (v) a vntului masurat n metri pe secund [m/s].

Pe de alt parte, coeficientul puterii descrie acea fraciune a puterii vntului care poate fi convertit de turbin n lucru mecanic. Valoarea teoretic maxim este de 0.593, numit coeficientul lui Betz, dar n practic avem valori mult mai sczute.

2.3.1 Densitatea de aer

Vnturile se formeaz datorit nclzirii neuniforme a suprafeei Pamantului de ctre energia radiat de Soare care ajunge la suprafaa planetei noastre. Aceast nclzire variabil a straturilor de aer, produce zone de aer de densiti diferite, fapt care creeaz diferite micri ale aerului. Energia cinetica a vntului poate fi folosit la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate. Energia vntului de asemenea este su pus schimbrilor sezoniere ale timpului.

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

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

m v^2Ec(II.2)2

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

16

GENERATOR EOLIAN CU TU RBIN VERTICAL PE LAGR MAGNE TIC - BORDAN

Fig. II.3 Seciunea de aer utilizat

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

A sec iunea transversal g grosimea

t timpul necesar seciunii de aer p entru a trece prin planul paletelor turbinei V volumul sec iunii

V A * g(II.3))

densitea aerului n aceast seciuune

m(II.4)

V

v viteza aerului din sec iune

g v * t(II.5)

Ec m * v 2

2m *V (II.6)

V A * gg v * t

Ec * A * v3 * T(II.7)

2

Pwr puterea degajat de seciunea de aer

Pwr Ec * v3 * A(II.8)

t2

2.3.2 Msurarea vitezei vntului

Viteza vntului se m soar de obicei folosind anemometrele. Cel mai simplu anemometru este cel cu cup, care are o ax vertical i trei cupe care capteaz vntul. Num rul de rotaii pe minut este nregistrat electronic. De obicei, aneemometru este echipat cu o moric de vnt care detecteaz direcia vntulului. n loc de cupe, an emom etrele pot fi echipate cu elicie, dei nu e ceva obinuit. Alte tipuri de anemometre sunt prevzute cu unde laser sau ultrasonice care detecteaz etapa micrii sunetului sau luminii continue reflectat de moleculele de aer. Avantajele anemometrrelor electronice l

17


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

Pentru msurarea vitezei vntului, n industria energiei eol iene calitatea anemometrelor este foarte important. O calibrare srccios a anemometrelor provoac erori de msur de 5 10 %. Cea mai buna cale pentru a msura viteza vntului la o viitoare turbin eolian este potrivirea anemometrului n vrful unui stlp care va avea ace ai nlime cu nlimea turnului pe care va fi amplasat turbina. n acest fel se evit erorile de recalculare la diferite nlimi.

2.3.3 Turbulenele

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

2.3.4 Obstacole

Obstacolele care pot cauza scderea vitezei vntului semnificativ i creeaz turbulene n vecintatea turbinei eoliene sunt: cldirile, copacii, formaiuni stncoase etc. Zona turbulent se poate extinde pn la de trei ori nlimea obstacolului. Turbulena este mai pronunat n spatele obstacolului dect n fa a lui. Energia vntului este o forma de enrgie rege nerabil care este competitiv n comparaie cu energia produs de combustibili fosili din mai multe puncte de vedere. Obinut ca urmare a deplasrii unor mase de aer care pun n miscare paletele unei turbine. n urma cercetrilor efectuate n ultimele dou decenii au rezultat turbine mult mai eficiente, mult mai silentioase i mai sigure. Energia eoliana este folosit cu succes datorit caracterului nepoluant al acesteia i posibititii utilizrii acestei tehnologii ca surs individual de alimentare cu energie electric n zonele rurale ale globului. n acelasi timp extinderea acesteia nu a fost pe att de larg pe ct s-ar fi dorit ca urmare a caracterului intermit ent al fluxului i al vitezei variabile a vntului.

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

2.4 Turbine Eoliene

Turbinele eoliene transform energia vntului n el ectricitate, dar ca i toate tehnologiile, turbinele sunt de toate mrimile i formele. Exist dou clase mari de turbine de vnt: cu ax orizontal i cu ax vertical.

2.4.1 Turbine cu ax vertical

Aceast categorie include turbinele eoliene la care direcia axelor este n unghiul potrivit

direciei vntului. Func ionez la fel de bine indiferent din ce direcie vine vntul. Se disting dou tipuri de turbine cu ax vertical: turbinele Savonius i turbinele Darrieus.

18


DarrieusEvencecu ax orizontalSavoniusFig.II.4 Diferite tipuri de turbine

2.4.2 Turbinele Savonius

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

2.4.3 Turbinele Darrieus

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

2.4.4 Turbine eoline cu rezisten simpl

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

Sunt dou categorii de turbine eoliene cu rezisten simpl: a.Turbine eoliene cu ecran

b.Turbine eoliene cu pale batante

a)b)

Fig II.5 a) Turbine eoliene cu eran b) Turbine eoliene cu pale batante

2.4.5 Turbine eoliene cu diferen de rezisten

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

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

19


Fig. II.6 Turbine cu diferen de rezisten

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

Exist doua tipuri de maini eoliene cu inciden variabil:a) Maini eoliene cu inciden controlat b) Maini eoliene cu inciden necontrolat

a)b)

Fig. II.7 a)main eolian cu incen controlt b) main eolian cu circulaie necontrolat

2.4.6 Turbine cu ax orizontal

Sunt cele mai des intlnite. n zilele noastre toat e turbinele eoliene comerciale construite au rotorul cu ax orixontal. Scopul rotorului la turbinel cu ax orizontal este de a converti micarea liniar a vntului n mi care circular pentu a pune n micare generatorul.

20


Fig. II.8 Turbine cu ax orizontal

n funcie de numarul de pale se disting:

Turbine cu numr mare de pale

Turbine cu trei pale

Turbine cu dou pale

Turbine cu o singur pal

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

2.5 Generatoare Eoliene

n zilele noastre aproape toate instalaiile eoliene au puterea de funcionare de ordinul KW sau mai mare, folosind generatoare standard cu turaii cuprinse ntre 750 - 1800 rpm. Viteza turbinei este mult mai sczut dect viteza generatorului , de obicei cuprins ntre 20 60 rpm. Marea majoritate a turbinelor eoliene folosesc un multiplicator de turaie, situat ntre turbin i generator. O alternativ este folosirea generatoarelor de turaie foarte mic. Acest tip de generator poate fi conectat direct pe axul turbinei.

Multiplicator

GeneratorGenerator

Fig. II-10. a) Instalaie eolian standardb) Instalaie eolian cu genratorul

conectat direct la axul turbinei

Avantajul generatoarelor de turaie mic conectate direct pe axul turbinei sunt: costul energiei electrice produse i zgomotul produs sunt foarte reduse. Reducerea zgomotului poate fi extrem de important cnd amplasarea turbinei eoliene se face n aprop ierea zonelor locuite.

Motivele pentru care costul energiei produse este mai sczut sunt: scad pierderile de energie prin conversie

21


mbuntesc disponibilitatea turbinelor eoliene

Lund n considerare toate aceste motive rezult un tip eficient de generator, dar necesit o construcie raional i o bun optimizare.

2.5.1 Diferenele n comparaie cu generatoarele convenionale

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

Din cauza cuplului ridicat, generatoarele cuplate direct la turbin sunt de obicei mai grele i mai puin eficiente dect gneratoarele conven ionale. Pentru a crete eficiena i a reduce greutatea prilor active ale generatorului, el va fi proiectat cu un diametru ridicat. Pentru a scdea greutatea rotorului i a jugului statoric i pentru a pstra pierderile vntului mici, generatoarele se vor proiecta cu un pas polar mic.

2.6 Tipuri de generatoare

Foarte multe tipuri de generatoare au fost propuse pentru a fi utilizate prin conectare direct la turbina eolian. Generatoarele ce vor fi prezentate n continuare pot fi legate direct la reea sau cele cu vitez variabil se pot conecta la reea prin intermediul unor convertoare de frecven. Generatoarele pot fi mprite n generatoare excitate electric i generatoare cu magnei permaneni excitate. Generatoarele excitate electric prezentate sunt:

Generator de inducie

Generator sincron excitat electric

Generator cu reluctan variabil

Generatoare cu magnei permaneni:

Generator sincron cu flux radial

Generator sincron cu flux axial, cu stator toroidal sau cu stator dublu (cu dou pri)

Generator cu flux transversal

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


a) Vedere axial complet a generatorului b) Vedere tangenial a prilor active ale generatoruluiFig.II.11 Generator de inducie cu flux axial.

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

2.6.2 Generator sincron excitat electric

Att turbinele eoliene comerciale ct i cele cu generatorul cuplat direct la turbin folosesc

generatore sincrone electric excitate, cu convertoare de frecve. Acest tip de generatore au acelai principiu de funcionare ca i generatoarele hidroelectrice. Se gsesc foarte puine informaii despre acest tip de generatoare. Unul dintre aceste modele de generatoare a fost construit n 1994 i avea o putere de 500 kW i turaia de 40 rpm. Diametrul era apoximativ de 4m i fregvena generatorului mai mic de 50 Hz. Acest tip de generator a fost folosit n 1996 n mai mult de 600 turbine eoliene.

2.6.3 Generator cu reluctan variabil n 1994 de Haan prezint generatorul cu reluctan variabil care produce 20 kW la 120 rpm.

Generatorul a fost optimizat folosind o metod de proiectare analitic. Calculele elementului finit au fost preluate de la modelul anterior, dar aceste calcule preziceau un cuplu mult mai mare dect la modelul analitic. Partea activ a generatorului este prezentat n figura urmtoare:

Oel laminatnfurri

a) Vedere tangenialb) Vedere axial

Fig.II 12 Generator cu reluctan variabil.

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

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

23


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

Oel laminatMagneii (direcia cmpului)

nfurriOel solid

a) Vedere tangenialb)Vedere axial

Fig.II. 13 Generator cu magnei permaneni cu flux radial

Stator

Rotor

Oel laminat

Magneii (direcia cmpului)

nfurriMaterial izolant

a) Vedere tangenialb)Vedere axial

Fig. II. 14 Generator cu magnei din ferite cu flux radial i concentrat

Sunt menionate dou probleme a modelelor propuse. Prima, variaia fluxului armonicii inferioare din cresttura fracional a nfurrii este considerat o problem, deoarece ele pot conduce la pierderi adiionale. n al doilea rnd trebuie evitate nf urrile paralele. Motivul pentru acest lucru este c polii pot genera variaii de tensiune i conduc la circulaii de cureni ntre nfurrile paralele. Au fost construite prototipuri de generatore de acest fel ns aveau o putere prea mic. Ele au demonstrat c doar cu 0.75 crestturi/ pol i faz pot genera o tensiune sinusoidal dintr-un flux

24


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

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

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

2.6.5 Generator sincron cu flux axial

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


nfurriOel solid

a) Vedere tangenialb) Vedere radial

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

25


Magneii (direcia cmpului)

Oel laminat


a) Vedere tangenialb) Vedere radialFig.II. 16 Generator cu flux axial i cu stator dublu

Au fost construite dou prototipuri de generatoare de acest fel avnd o pu tere de aproximativ 1 MW i funcionnd la o tura ie de 100 rpm, prea mare pentru o turbin eolian de 1 MW. Datorit turaiei ridicate, generatorul are o eficien ridicat i o greutate sczut. n 1993 Alatalo i Stevensson au propus un tip de generator sincron cu magnei permaneni i cu flux axial, cu statorul format din dou pari. Generatorul este prezentat n figura 2.5.5b. Prototipul de 5 kW este prezentat de Alataro n 1991. Acest tip de generator are greutatea sczut pentru nu are jug rotoric dar greutatea magneilor este mare pentru c se folosesc nfsurri ntrefier.

2.6.6 Generator cu flux transversal i turaie variabil

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

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

Partea superioar

Partea inferioar

a)b)



ial

b) Vedere axial

a) Vedere tangen

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

26


Fiecare faz are statorul dublu cu nfurri circulare pe toat circumferina generatorului. Au fost construite un numr mare de generatoare cu flux transversal, un exemplu, pentru o turbin eolian este un generator de 5.8 kW la 195 rpm de Weh n anul 1988. Un generator de 55 kW la 78 rpm a fost prezentat n comparaie cu un generator convenional tor de Weh. S-a demonstrat c greutatea generatorului de 55 kW a fost redus la jumtate folosind modelul cu flux transversal nlocuind generatorul de inducie conectat cu ajutorl unui multiplicator de turaie.

2.7 Instalaia electric a unei centrale eoliene

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

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

InvertorRedresor GeneratorTurbin

ReeaFig.II. 18 Sistemul electric pentru turbinele eoliene cu vitez variabil de funcionare.

Sunt folosite dou clase mari de generatoare: fiecare conin generatoare sincrone (SG) sau de inducie (IG). Cele cu generator sincron pot folosi i metoda excitaiei: cu magnei permaneni sau cu nfurri. Un model relativ nou de generator cu reluctan variabil a fost conceput, dar din pcate are un cuplu mare. Varianta comun este folosirea nfurrilor, pentru c au avantajul controlului tensiunii pe cele trei faze; dac terminalul tensiunii este fix, poate fi controlat puterea reactiv produs. n ultimii ani, costurile ridicate a magneilor permaneni cu eficien ridicat au mai sczut i generatoare cu magnei permaneni au devenit o alternativ interesant n comparaie cu generatoarele tradiionale. Cnd folosim magne i permaneni, pierderile generatoarelor devin mult mai mici. Oricum, nivelul de tensiune este proporional cu turaia. Generatorul sincron poate fi conectat la un redresor cu sarcin n comutaie, redresor cu diode sau redresor cu tiristori. Se observ c controlul sursei convertizoare de tensiune necesit o relaie de legtur de tensiune continu la tensiunea generatorului pentru a funciona adecvat.

Generatoarele de inducie necesit putere reactiv pentru a funciona. De obicei utilizatorii de generatoare de inducie folosesc surse convertizoare de tensiune, care produc putere reactiv. O alt posibilitate este folosirea resresoarelor cu diode sau cu tiristoare mpreun cu o baterie de condensatore, care acoper necesarul de putere reactiv. Din pcate, puterea reactiv variaz o dat cu viteza vntului i dac bateria de condensatoare nu a fost dimensionat corect performanele sistemului vor fi foarte sczute. Invertoarele sistemului sunt conectate direct la reeaua de alimentare. n locul

27


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

Direcia de circulare a energiei

Generatoare

Invertoare

RedresoareReea

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

2.8 Lagrul de legatur dintre generator i turbin

2.8.1 Lagr cu magnei permaneni i lichid magnetic

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

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

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

28


\Fig.II.20 Lagr cu lichid magnetic (LM)

Principalul avantaj al lagrele cu lichide magnetice fa de lagrele obinuite, l constituie eliminarea frecrii de contact dintre piesele lagrului. Funcionarea unui lagr cu lichid magnetic are la baz principiul levitaiei magnetice. Levitaia magnetic poate fi de dou feluri: de ordinul 1 i respectiv de ordinul 2.

Levitaia magnetic de ordinul 1 se produce n cazul imersrii unui corp alctuit din material de natur magnetic ntr-un lichid magnetic n care este stabilit (din exterior) un cmp magentic. De i densitatea corpului este mai mare dect cea a lichi dului magnetic, efectul ce se manifest asupra acestuia este deplasarea sa pn la atingerea unei stri de echilibru, echilibru ce se realizeaz de ctre un cmp tridimensional de for e. Greutatea (aparent) a corpului este echilibrat de rezultanta unor fore de tip magnetic.

Levitaia magnetic de ordinul 2 se refer la autolevita ia unui magnet permanent imersat (n anumite condiii) n lichide magnetice. Denumirea de autolevitaie este sugestiv i potrivit, cci sursa de cmp este n acela i timp i elementul asupra cruia se manifest i fenomenul de levitaie magnetic. n situaia n care magnetul (n form cilindric, spre exemplu) este imersatsat ntr-un lichid magnetic ce ocup o incint cilindric de extensie foarte mare, cmpul magnetic pe care-l creeaz este dispus simetric fa de el i magnetul se afl n echilibru, din punct de vedere al forelor magnetice. Dac ns magnetul este deplasat din punctul ce asigur simetria cmpului i spectrul cmpului devine nesimetric, intensitatea cmpului magnetic devine m ai mare n zonele mai ndeprtate de fostul centru de simetrie. n baza aceleiai concluzii, menionat la levitaia de ordinul 1 (conform creia presiunea de natur magnetic pe care lichidul o exercit este cu att mai mare cu ct cmpul este mai inten s), vom constata existena unor fore ce tind s readuc magnetul n punctul iniial.

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

2.8.2 Lagre magnetice active

Lagrele magnetice active operez n modul de atracie. Au avantajul de a suporta greuti mari iar vibraiile i absoria ocurilor se poate regla electronic. Dezavantajul care l prezint aceste lagre este c sunt foarte scumpe i necesit sisteme complicate de control cum ar fi, aparate de procesare a semnalului digital, amplificatoare, convertoare digital-analog si analog-digital, software. De asemenea acestea sunt cu ax vertical si cu ax orizontal.

29


Fig. II.21 Lagar magnetic activ

2.8.3 Lagre magentice pasive

Lagrele magnetice nu necesit harware-ul care este necesar ca lagrele magnetice pasive s funcioneze, deci, preul lor este mult mai sczut. Pot sa fie construite la dimensiuni mai mici i au o rigiditate i amortizare mai mic dect cele active iar controlul vibra iilor nu poate fi folosit. Pentru ca un lagr magnetic s fie funcional (s funcioneze n parametrii) trebuie s aib o rigiditate i o amortizare a ocurilor suficient de bun. Lagrele magnetice pasive sunt cu ax vertical i orizontal.

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

2.9 Soluia adoptat

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

30


III. BREVIAR DE CALCUL (B.C.)

3.1 Date de proiectare

Tab. III.1 Calcul consum energie.

Electrocasnice4.615kWh/ziProcent62.2

Comunicatii1.68kWh/ziProcent22.64

Total7.42kWh/ziProcent100

IluminatPutere WOre/ziOre/lunaBuckWh/zi

Economic20515080.8

Flourescent13515050.325

ElectrocasnicePutere WOre/ziOre/lunaBuckWh/zi

Ventilator150515032.25

Cuptor cu microunde15000.51510.75

Frigider200515011

Aspirator8000.3910.24

Jacuzzi7500.51510.375

ComunicatiiPutere WOre/ziOre/lunaBuckWh/zi

TV color 25"200412010.8

CD player4026010.08

Laptop100412020.8

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

Pe an am avea nevoie de o energie electric de:

Ean 365 Ezi 365 7,42 2708kWh(III.1)

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

31


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

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

Tabelul III.3 Date de proiectare

Nr.DenumireSimbolValoareUnitateObs

crtMasura

1Putere NominalSn1000W

2Tensiune NominalUn48Vcc

3Curentul NominalIn12Acc

4Turaia Turbinein200rpm

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

32


Fig III.1 Tipul turbinei eoliene.

Se proiecteaz doar generatorul, urmnd ca palele rotorului turbi nei s fie cumprate de la o companie productoare de pale.

3.2 Proiectare turbin eolian

Din expresia puterii electrice a turbinei eoliene:

P Cs v3(III.2)

p

n2

Se calculeaz seciunea de vnt din baleiata de elice:

S 2 Pn(III.3)

Cp v3

n

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

S 2 1000 6.4m2

1.3 103 0.6

0.4(III.4)

33


Fig. III.2 Vedere ansamblu turbin

Specificaii tehnice:

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

Recomandat pentru 1000W i mai mult;

Tratat cu un material protector mpotriva UV i a apei;

Diametrul Palelor : 1m;

nlimea 2 m;

Viteza de pornire: 2.4m/s;

Greutate: 100 Kg;

Diametrul axului care va susine flana va fi de 23.4mm.

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

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

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

34


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

3.3 Proiectare Lagr Magnetic

Fig.

III.4 Detaliu Lagr de susinere a palelor

Am ales soluia proiectrii unui lagr magnetic pentru susinerea turbinei datorit eficienei acestor mecanisme fa de cele convenionale. Reducerea frecrii la o turbin eolian reprezint un avantaj important deoarece aceasta reacioneaz la cea mai mica adiere de vnt. Tipul de magne i

35


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

Tabelul III.4 Caracteristici fizice ale magnetuluiCalitateRemanentaCamp CorecitivProdusulTemp Max

EnergeticOperationala

BrbHciHc(BxH)max

GaussTeslakOekA/mkOekA/mMGOekJ/m3C

(G)(T)

N3010800-1.08-9.8-780-1295528-30223-80

112001.1210.5836239

N3311400-1.14-10.3-820-1295531-33247-80

117001.1711876263

N3511700-1.17-10.8-860-1295533-35263-80

121001.2111.5915279

N3812200-1.22-10.8-860-1295536-38287-80

126001.2611.5915303

N4012600-1.26-10.5-860-1295538-40303-80

129001.2912.0955318

N4212900-1.29-10.8-860-1295540-42318-80

132001.3212.0955334

N4513200-1.32-10.8-860-1295543-45342-80

137001.3712.5995358

N4813700-1.37-10.8-860-1295545-48358-80

142001.4212.5995382

N5014000-1.40-10.8-860-1295547-51374-80

146001.4612.5995406

N5214200-1.42-10.8-860-1295548-53380-80

147001.4712.5995422

Tabelul III.5 Magei Permaneni aflai n stoc

Article ID StrengthinDiam.inHeight inBoreholeinWeight in

kgmmmmmmg

CSN-ES-165,5164,53,55

CSN-ES-2011,0206,04,511

CSN-100,7104,53,02

CSN-133,0134,53,05

CSN-163,5164,53,55

CSN-207,5206,04,511

CSN-2517,0257,05,521

CSN-3227,0327,05,537

CSN-4049,0408,05,585

CSN-4887,04811,58,5120

CSN-60120,06015,08,5250

36


3.4 Proiectare Generator

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

3

4

7

6

2

1

5

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

3.4.1 Calculul magnetic al generatorului A. Alegerea tipului de magnei.

n tabelul III.4 i III.5 se prezint tipurile de magnei care se pot cumpra din Romnia [1].

Din acest tabel am ales magnetul permanent de tip Q-40-20-10-N din NdFeB cu caracteristicile magnetice prezentate n Tabelul III.4.

Tabelul III.6 Magei Permaneni

37


Articol ID ForaLungi-LimeGrosimePro-Greu-Strat deTemp.

deme nn mmn mmdusultateproteciemax.

ade-mmener-n gn C

rengetic

n kgn

MGOe

Q-20-20-10-N12,020,020,0* 10,04230Ni-Cu-Ni80

Q-25-25-13-N20,025,425,4* 12,74062Ni-Cu-Ni80

Q-30-10-05-N6,030,010,0* 5,04211Ni-Cu-Ni80

Q-30-30-15-N35,030,030,0* 15,045100Ni-Cu-Ni80

Q-40-10-05-N8,040,010,0* 5,04215Ni-Cu-Ni80

Q-40-10-10-N15,040,010,0* 10,04230Ni-Cu-Ni80

Q-40-20-05-N8,840,020,0* 5,04230Ni-Cu-Ni80

Q-40-20-10-N25,040,020,0* 10,04261Ni-Cu-Ni80

Q-40-40-20-N60,040,040,0* 20,042240Ni-Cu-Ni80

Q-46-30-10-N29,046,030,0* 10,040100Ni-Cu-Ni80

Q-50-15-15-N33,050,015,0* 15,04886Ni-Cu-Ni80

Q-50-25-10-LN12,0* 50,025,010,04095Ni-Cu-Ni80

Q-51-51-25-N100,050,850,8* 25,440500Ni-Cu-Ni80

Caracteristicile magnetice ale acestui magnet pot fi vzute n Tabelul III.7

Tabelul III.7 Caracteristici fizice ale magnetului

CalitateRemanenIntensitateacmpuluiProdusulTemperatura maxim

coercitivenergeticde utilizare

BrbHciHc(BxH)max

kGTkOekA/mkOekA/mMGOekJ/m3C

N3010.8-1.08-9.8-780-1295528-30223-80

11.21.1210.5836239

N3311.4-1.14-10.3-820-1295531-33247-80

11.71.1711876263

N3511.7-1.17-10.8-860-1295533-35263-80

12.11.2111.5915279

N3812.2-1.22-10.8-860-1295536-38287-80

12.61.2611.5915303

N4012.6-1.26-10.5-860-1295538-40303-80

12.91.2912.0955318

N4212.9-1.29-10.8-860-1295540-42318-80

13.21.3212.0955334

N4513.2-1.32-10.8-860-1295543-45342-80

13.71.3712.5995358

N4813.7-1.37-10.8-860-1295545-48358-80

14.21.4212.5995382

N5014.0-1.40-10.8-860-1295547-51374-80

14.61.4612.5995406

N52

38


B. Calculul numrului de magnei

Fig III.6 Detaliu privind poziia magneilor permaneni fa de bobinele statorului

Avem g=t/2 intrefier:

m cost(III.5)

e NdN sin t Esin t(III.6)

dtmm

Em N m E

2(III.7)

Unde N este num rul de bobine.

E N b 4,44 f N

2m

mb Bg Ab k Bm Ab

Unde k 0.6 1 , atunci:

E 4.44 f N Bm Ab

Dar Ab Am , atunci rezulta:

P E I a 4.44 f N k Bm Am I a

(III.8)

(III.9)

(III.10)

(III.11)

39


Aplicnd legea circuitului magnetic cu cmpul obinem:

2

Hdl 4 H m lm 4 H g g N Ia

4[H l g k Bm4 H m (lm g k

Ia mm

N 2N 2

P E Ia Nm 4.44 f N k B A4 Hm(lm g k ) Nm

mmN 2

Unde Um este nr de magne i:

NmP

f k Am (Bm H m ) (lm g k )

12.56

Unde k0 0.5 coeficient de incertitudine.

Pentru coeficientul de dispersie magnetic k 0.3 ;

f 50Hz ;

Am 40 20 106 m2 ; lm 10mm ;g t 20 10mm2 ;

2 2 0.6 ;

Bm H m (Bm H m )max 167 103 A / m ; 2

NmP 13

20 0.3 800 106 0.5 3.34 106 (10 3) 103 0.6

12.56

Se pot construi urmtoarele forme de alternator:

Tabelul III.8 Forme constructive

(III.12)

(III.13)

(III.14)

(III.15)

(III.16)

BobineMagnetiBobine/Faza

682

9123

12164

15205

40


18246

Din acest tabel alegem structura cu 16 magnei i 12 bobine cu 4 bobine pe faz, care este cea mai apropiat de 13 magnei calculai.

Fig. III.7 Aranjarea magneilor pe disc

Vom avea N1 =4 bobine pe faza.

3.4.2 Calculul electric

La un numr de 16 magnei pe un rotor se recomand 12 bobine pe stator, adic la o nfurare trifazat vom avea 4 bobine pe faz.

Presupunem m cos(t) , atunci tensiunea indusa pe faza va fi:

E f 4 2 f N1 kw1 f(III.17)

Din tabel alegem datele corespunztoare generatorului de 1kW, dup un generator din comer.

Tabelul III.9 Caracteristicile generatoarelor n funcie de putere

Din

m B0 Am 0.65T 40 20 106 5.2 104 Wb (III.19)

41


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

N1E f40 214 sp(III.20)

2 f m kw4 2 20

45.2 104 1

Solenaia unei bobine va fi:

b Nb Ia 214 12 2568Asp(III.21)

Unde:

IaP1000 12 A(III.22)

1,73 40

3U f

La o densitate de curent deJ a 4 A / mm2 i un coeficient de umplere la bobinare de 0.6 vom

avea nevoie de o seciune transversal a bobinei:

Sbb2568 237mm2(III.23)

Ja ku12 0.9

Rezult c a 11mm si b 20mm lao turaie a turbinei n=200 rpm.

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

Fig III.8 Vedere frontala si sectiunde a unei bobine

42


Fig. III. 9 Bobine executate manual

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

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

3.5 Avantajele turbinei verticale

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

43


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

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

Fig. III.13 Vederi de ansamblu

44


Fig III.14 Turbina cu echipamentele electronice

45


Fig. III. 15 Schema electric

46


IV. CAIET DE SARCINI (CS)

4.1 Caracteristici tehnice i funcionale minimale i obligatorii

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

4.1.1 Cerine de lucru

funcionare n mediul exterior; eficien ridicat la viteza mic a vntului; furnizare de curent monofazat pentru consumatori de maxim 2kW;

capacitate de a ncrcare n acumulatori (sistem de tip stand alone).

4.1.2 Cerine generale

Generatorul eolien independent va avea o putere nominal de 1000 W i va fi dotat turbin, un set de acumulatori, invertor i accesorii de montaj (suport turbin, cabluri de curent, conectori i tablouri electrice).

4.2 Cerine tehnice minime

4.2.1 Specificaii tehnice generale

Generatorul eolian independent de 1000W trebuie s aib o eficient ridicat la o vitez redus a vntului i s asigure alimentarea unor consumatori electrici monofazai cu puterea maxim de 2 kW. Se va asigura protecia generatorului la supratensiuni atmosferice, scurt circuit, suprancrcare, supradescrcare i funcionare instabil (accelerri urmate de frn ri brute). Sistemul va fi prevzut cu ntreruptor de urgen pentru oprirea generatorului pe timpul lucrrilor de ntreinere sau de montare/demontare care va ntrerupe tensiunea de la ieirea generatorului i l va trece n regim de frnare.

Stocarea energiei se va face n seturi de acumulatori. Protecia bateriilor de acumulatori va fi asigurat prin:

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

Funcie de deviere si descrcare a puterii pe o sarcin rezistiv, pentru protecia setului de acumulatori la suprancrcarea sistemul.

4.2.2 Specificatii tehnice invertor

Ieirea de curent alternativ (sarcina):

Putere de ieire in regim continuu: minim 1,2 kW

47


Tensiune de ieire : 230 V;

Frecvena nominal = 50 Hz

Curentul nominal: minim 5,2 A

Intrarea de curent continuu (baterie):

Tensiunea nominala a bateriei: 48 V

Curentul maxim in regim continuu: minim 12 A;

Capacitatea bateriei: 100 Ah... 10000 Ah;

Parametri Generali

Prevzut cu:

ecran de afiaj i comand la distan;

funcii de protecie a bateriei la supradescrcare, supranc rcare, comanda automat a cuplrii i decuplrii sarcinii n funcie de starea de ncrcare a bateriei;

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

Eficienta minima: 93%;

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

Clasa de Protecie: IP54 sau echivalent;

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

4.2.3 Specificatii tehnice set de acumulatori

Tip baterie:etan, fr ntreinere;

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

Tensiune nominal set de acumulatori:48 V;

Capacitatea nominal a bateriei:min. 1000 Ah;

Durata de via n regim tampon:minim 12 ani;

Rastel montaj:inclus;

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

4.2.5 Specificatii tehnice supori generator eolian Tip:pentru acoperi plan prevzut cu ancorenlimea minim:2,7mMaterial:rezistent la coroziune atmosferic

4.3 Alte cerine

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

48


Nr. crt.Cerina minimOfertatCorespondenacu

documentaia

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

Se completeaz n coloana Ofertat cu caracteristica/valoarea ofertat.

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

4.3.2 Toate echipamentele vor fi instalate conform solicitrii autoritii contractante;

4.3.3 Toate echipamentele vor fi testate, dupa instalare, n scopul demonstrrii funcionalitilor solicitate n caietul de sarcini;

4.3.4 Oferta va include toate accesoriile necesare montrii echipamentelor;

4.3.5 Nu se accept oferte echivalente;

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

4.4 Cantiti

Nr.ModelDenumireCantitateUM

crt.material

1Pale+FlansaVibra de sticla1buc

2Suport turbin, 6 mOel1buc

3MagnetiNi-Cu-Ni32buc

4Discuri rotorFier2buc

5Rasina Epoxidica2litru

6Fibra de sticla1m

7Fir de cupruCupru5kg

8Butuc sustinere rotori2buc

49


Perioada i condiiile de livrare

oferta financiar trebuie s respecte condiia Incoterms DDP (Delivery Duty Paid) pentru echipamente provenite din afara UE, respectiv DDU (Delivery Duty Unpaid) pentru cele din UE;

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

descrcarea, manevrarea/manipularea pn la locul de punere n funciune se va face de ctre furnizor;

livrare n maxim 2 luni de la data semnrii contractului, dar nu mai tarziu de 30.07.2013.

Not:

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

4.2 Modalitatea de plat

plata se va realiza integral de ctre beneficiar, n maxim 90 de zile de la data semnrii procesului verbal de predare-primire i punere n funciune a echipamentelor la parametrii prevzui n ofert;

valoarea estimata contract: 6000 lei fr TVA

4.3 Perioada de valabilitate a ofertei

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

4.4 Termen de garanie

minim 24 luni ncepnd cu data semn rii procesului verbal de predare-primire i punere n funciune la parametrii prevzui n ofert.

4.5 Specificaia tehnic din partea productorului

ofertantul va face dovada respectrii cerinelor solicitate (sau superioare) ale echipamentelor ofertate, prin documentaie original a productorului;

toate caracteristicile tehnice (minime i evaluabile), cuprinse n caietul sarcini, vor fi susinute prin fise de catalog, brouri, specificaie de livrare, specificaie detaliat produse, emise de productor. n cazul n care unele caracteristici tehnice nu se regsesc n aceste documente, ele pot fi susinute cu manualele de operare/service emise de productor;

documentele de susinere a caracteristicilor tehnice (fie de catalog, brouri, specificaie detaliat produse, emise de productor, etc) vor fi prezentate n limba romn sau englez;

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

4.6 Scrisoare de garanie din partea ofertantului / productorului

scrisoare de garanie din partea ofertantului / productorului ctre beneficiar, dedicat pe modelul oferit de echipament, din care s rezulte c produsul este unul nou, nu este un produs demo sau refuzat de ctre alt beneficiar, nu este reconstruit i nu conine componente (subansamble) remanufacturate i nu a fost utilizat n prezentri, expoziii, trguri etc.

50


4.5 Controlul calitii

Verificarea calitii are urmtoarele aspecte:

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

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

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

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

4.6 Msuri de protecie a muncii

Se respect normele de protecia muncii n instalaii electrice i n special cele mpotriva electrocutrii.

4.6.1 Protecia mpotriva electrocutrii prin atingere direct

Pentru a se evita accidentele prin electrocutare la atingeri directe, se iau urmtoarele msuri de protecie:

1. Inaccesibilitatea la atingeri ntmpl toare, realizat prin:

izolarea electric a tuturor elementelor conductoare de curent care fac parte din circuitele curenilor de lucru;

utilizarea de carcase de protecie, fixate sigur pe suporturi;

amplasarea la nlimi inaccesibile n mod normal;

folosirea de blocri electrice sau mecanice care s nu permit accesul persoanelor neautorizate;

2. Mijloace pentru protecia personalului, care se mpart n urmtoarele categorii:

mijloace de protecie electroizolante care s protejeze personalul mpotriva electrocutrilor prin izolarea fa de prile aflate sub tensiune;

mijloace de protecie cu rol de a verifica prezena sau lipsa de tensiune;

mijloace de protecie contra apariiei accidentale a tensiunii la locul de munc;

mijloace cu rol de avertizare i semnalizare vizual;

3. Tensiuni reduse de alimentare a utilajelor.

4. Izolarea suplimentar de protecie.

4.6.2 Protecia mpotriva electrocutrii prin atingere indirect

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

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

tensiunea nominal de lucru;

tipul echipamentului electric;

locul de amplasare al utilajului electric.

n cazul reelelor cu neutral legat la pmnt, se va aplica una din urm toarele msuri principale:

protecia prin legare la nul;

alimentarea la tensiune redus sau separarea de protecie, pentru echipamentele mobile sau portabile;

i una din urmtoarele msuri suplimentare:

51


legarea la pmnt de protec ie;

izolarea suplimentar de protecie;

egalizarea sau dirijarea distribuiei potenialelor;

deconectarea automat n cazul apariiei unei tensiuni periculoase de defect sau a unui curent periculos de defect;

folosirea mijloacelor individuale de protecie, pentru echipamente mobile sau portabile. n cazul reelelor cu neutral izolat fa de pmnt se aplic concomitent urmtoarele msuri de

protecie:

legarea la pmnt de protec ie;

controlul permanent al rezistenei de izolaie a reelei fa de pmnt, cu deconectarea sectorului defect i semnalizarea acustic sau optic a scderii nivelului de izolaie sub

valoarea de 8 k/faz pentru reelele de 3 400V i 4k/faz pentru reelele de 3 230V ;

egalizarea sau dirijarea distribuiei potenialelor;

deconectarea rapid a punerilor duble la pmnt.

52


V. NOTI TEHNIC (N.T.)

5.1. Destinaia i descrierea produsului

Instalaia eolian cu generator sincron cu magnei permaneni cu flux axial va fi montat la o locuin izolat i va deservi la alimentarea locuinei cu energie electric.

Turbina eolian de 1 kW se va amplasa la o nlime corespunztoare i va debita energie pe un tranformator. Aici energia va fi strns n acumulatori electrici.

Celelalte elemente ale instalaiei eoliene, acumulatorii, regulatorul de ncrcare a acumulatorilor, invertorul i echipamentele de protecie i comutaie se vor instala ntr-o ncpere special amenajat.

5.2 Modul de funcionare

Turbina eolian alimenteaz bateriile de acumulatori, iar acetia alimenteaz o sarcin de curent alternativ, prin intermediul invertorului. Tabloul electric de for i comand asigur cuplarea consumatorilor i protecia acestora la supratensiuni i/sau suprasarcini respectiv la defecte interne ale echipamentului electric.

Tabloul electric de for i comand asigur urmtoarele comenzi:PORNIREA:

generatorul eolian ncepe producerea curentului electric prin rotire numai dac condiiile de vnt sunt optime func ionrii, adic ntre limitele impuse de domeniul de viteze al vntului (viteza minim de pornire i viteza maxim la care turbina este frnat );

dup pornirea turbinei aceasta va alimenta acumulatoarele;

energia de curent continuu este convertit cu ajutorul invertorului n energie de curent alternativ;

prin intermediul invertorului, care se alimenteaz din acumulatori, se va alimenta o sarcin de curent alternativ.

OPRIREA NORMAL:

cnd nu exist sarcin electric i acumulatoarele sunt ncrcate, regulatorul de ncrcare va cupla generatorul eolian pe rezistena de sarcin (dump load sau diverse load) i turbina va fi frnat ;

n caz de vitez prea mare a vntului cnd tura ia turbinei ajunge la valori periculoase regulatorul de sarcin scurtcircuiteaz generatorul care va frna puternic turbina;

turbina eolian este automat oprit. OPRIREA DE AVARIE:

are loc dac au acionat proteciile , la apariia unui defect intern , la cderea reelei sau la comand manual (de serviciu);

se comand deschiderea ntreruptorului;

se asigur semnalizrile optice i acustice la iniierea secvenei de oprire de avarie.

53


Funciile echipamentului de for i comand :

o alegerea regimului de comand manual sau automat; o comenzile de pornire/oprire normal i de avarie;o msurarea parametrilor electrici tensiune i curent;o protecia la :

supratensiuni; supracureni; ambalare. o semnalizare optic i acustic a avariilor.

o Toate secvenele de comand i protecie sunt asigurate de un automat programabil.

5.3 Defecte posibile i mod de depanare

5.3.1. Turbina eolian nu pornete

Cauze: -posibil s nu fie suficient putere de alimentare i atunci sistemul nu va funciona normal, sau dac exist suficient putere posibil s nu fie conectate corect cablurile electrice ntre invertor i baterii .

Remediere: -se verific dac invertorul este conectat corect la baterii.

5.3.2. Vibraii i zgomote n timpul funcionrii

Cauze: -slbirea fixrii pe fundaie a turbinei i generatorului; -centrarea defectuoas a generatorului n raport cu turbinele; -palete rupte la turbin.

Remedieri:-se verific eventualele rupturi i ndoiri ale ancorelor i structurii de baz; -se verific centrarea i se reface n cazul unor abateri de la coaxialitate; -se demonteaz turbinele i se verific starea paletelor.

5.3.3. Generatorul funcioneaz, dar nu genereaz energie electric

Cauze: -funcionarea defectuoas a regulatorului de turaie;Remediere: - se verific funcionarea regulatorului de turaie i se nlocuiete n caz de defect.

5.3.4. Bateriile nu se ncarc

Cauze: -turbina eolian nu funcioneaz la viteze prea mari sau prea mici ale vntului;

Remediere: - dac rotorul turbinei funcioneaz, dar bateriile nu se ncarc, atunci se deconecteaz cablurile electrice care fac legtura ntre generator, baterii i regulatorul de ncrcare i se verific tensiunea de ieire a generatorului cu ajutorul unui voltmetru; dac tensiunea este bun se vor verifica dac bateriile sunt n stare bun de funcionare; se verific conexiunea intre generator i baterii.

54


VI. DOCUMENTAIA ECONOMIC (D.E.)

6.1. Lista de material

Tabel VI.1 Lista de materiale

.2. Fia de mano per direc t

abel VI.2 Fi de mano per

6 Nr.ModelDenumireCantitateUMPrePre

crt.materialunitartotal

1Pale+FlansaVibra de sticla1buc9696

2Suport turbin, 6 mOel1buc5050

3MagnetiNi-Cu-Ni32buc4.15132

4Discuri rotorFier2buc2244

5Rasina Epoxidica2litru2244

T 6Fibra de sticla1m1010

7Fir de cupruCupru5kg1260

8Butucsustinere2buc1020

rotori

Total456

direct

Nr.Denumire operaieNumrTarifNr. oreTotal

crt.lucrtoriEUR/ora

1Constructor222080

2Electrician1250100

3Lctu mecanic1250100

4Instalator221040

4Proiectant1450200

Total520

6.3. Deviz estimativ

Tabel 6.3 Deviz estimativ

55


Nr. crt.DenumireValoare [EUR]

1.Materiale456

2.Manoper520

3.CAS (19,5% din manoper)98.8

4.Somaj (1% din manoper)5.2

5.Sntate (7% din man

Generator Eolian

Documents

Transcript of Generator Eolian