19
1. Informatii generale: Energia eoliana este o sursa de energie regenerabila generata de puterea vantului. Desi inca o sursa relativ minora de energie electrica pentru majoritatea tarilor, productia energiei eoliene a crescut practic de cinci ori intre 1999 si 2006, ajungandu-se ca, in unele tari, ponderea energiei eoliene in consumul total de energie sa fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%). Energia eoliana este folosita extensiv in ziua de astazi, si turbine noi de vant se construiesc in toata lumea, energia eoliana fiind sursa de energie cu cea mai rapida crestere in ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescand iarna, cand vanturile sunt mai puternice. Se crede ca potentialul tehnic mondial al energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energie decat este consumata acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafata Pamantului. 2. Istoricul eolienelor: Moara de vânt este strămoşul generatoarelor eoliene (Fig. 1). Ea a apărut în Evul Mediu în Europa. Ea a funcţionat la început cu ax vertical.

Centrale Eoliene

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Centrale Eoliene

1. Informatii generale:

Energia eoliana este o sursa de energie regenerabila generata de puterea vantului.

Desi inca o sursa relativ minora de energie electrica pentru majoritatea tarilor, productia energiei eoliene a crescut practic de cinci ori intre 1999 si 2006, ajungandu-se ca, in unele tari, ponderea energiei eoliene in consumul total de energie sa fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

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

Se crede ca potentialul tehnic mondial al energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energie decat este consumata acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din suprafata Pamantului.

2. Istoricul eolienelor:

Moara de vânt este strămoşul generatoarelor eoliene (Fig. 1). Ea a apărut în Evul Mediu în Europa. Ea a funcţionat la început cu ax vertical.

Fig.1: Imagine a doua mori de vant

Page 2: Centrale Eoliene

Mai târziu, morile se orientau după direcţia vântului şi au fost puse pânze pentru a capta mai bine energia vântului. (Fig. 2).

Fig.2: Imagine a unei mori de vant cu panze

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

Fig.3: Moara de vant (Germania de Nord)

Page 3: Centrale Eoliene

Evoluţia electricităţii în secolul XX a determinat apariţia primelor eoliene moderne (Fig. 4). Este studiat profilul palelor, iar inginerii se inspiră după profilul aripilor de avion.

Fig.4: Eoliana moderna

În prezent, eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu excepţia modelelor cu ax vertical ca cele cu rotor Savonius şi Darrieus, care sunt încă utilizate, dar sunt pe cale de dispariţie.

Ultimele inovaţii permit funcţionarea eolienelor cu viteză variabilă, respectiv reglarea vitezei turbinei eoliene în funcţie de viteza vântului.

3. Principiu:

Energie cinetica

vant

Energie mecanica

rotor

Energie electrica

generator

Stocare

acumulatori

Retea de distributie

Sarcini izolate

(ex. Sate izolate)

Page 4: Centrale Eoliene

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

Imagine a unei eoliene cu trei pale de 750 Kw

Page 5: Centrale Eoliene

4. Diagrama centralei eoliene

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

Sistemul se bazeaza pe un principiu simplu. Vantul pune in miscare palele care la randul lor actioneaza generatorul electric. Sistemul mecanic are in componenta si un multiplicator de viteza care actioneza direct axul central al generatorului electric.

Curentul electric obtinut este, fie transmis spre imagazinare in baterii si folosit apoi cu ajutorul unui invertor DC-AC in cazul turbinelor de mica capacitate , fie livrat direct retelei de curent alternativ ( AC) spre distribuitori

Page 6: Centrale Eoliene

5. Structura interna

O instalatie eoliana include în componenta sa un generator, mecanismul actionat, dispozitivul de transmisie mecanica si mai multe sisteme de orientare, stabilizare, reglaj si protectie, alte elemente constructive (fig. 2.1 ).

Fig. 2.1. Elementele componente ale unei turbine eoliene

In aceasta figura se prezinta structura interna a unei turbine eoliene, care consta din urmatoarele elemente:

Nacela (2) - contine componentele cheie ale turbinei, incluzand cutia de viteze si generatorul electric. In fata nacelei este rotorul turbinei cu paletele (1) si hub-ul (9) cuplat la axul principal (8). Cutia de viteze (7) mareste viteza de rotatie de aproximativ 50 de ori fata de viteza redusa a rotorului cu palete.

Instalatia este echipata cu o frana mecanica cu disc (6), care poate fi folosita in cazuri de urgenta. Generatorul turbinelor de vant (5) conectat printr-un ax de mare viteza, converteste energia mecanica in energie electrica. El difera fata de generatoarele obisnuite, deoarece trebuie se lucreze cu o sursa de energie primara care furnizeaza o putere mecanica fluctuanta.

Pe scara larga, la turbinele de 100-500kW, tensiunea generata este de 690V c.a. trifazat, fiind necesar un transformator ridicator de tensiune de 10 sau 30 kV, pentru a putea fi conectat la reteaua nationala de medie tensiune. Turbinele pot fi construite atat cu generatoare sincrone cat si asincrone si cu diferite tipuri de conectare la retea: direct sau indirect. . Turnul turbinei (3) sustine nacela si rotorul. In general este avantajos un turn inalt deoarece vantul e mai puternic. O turbina de 600kW are turnul de 40-60m.

Page 7: Centrale Eoliene

6. Solutii pe plan mondial in realizarea instalatiilor eoliene

Exista doua tipuri majore de generatoare pentru centralele eoliene si anume: cu viteza constanta sau cu viteza variabila. Generatoarele utilizate pot fi asincrone cu rotorul in scurt circuit sau rotorul bobinat sau sincrone (GS) cu excitatie separata sau cu magneti permanenti.

Instalatia eoliana cu viteza constanta si generatorul asincron cu rotorul in scurt-circuit reprezinta solutia clasica, denumita si metoda daneza. In acest caz trebuie rotita nacela, precum si unghiul de inclinare a paletelor pentru modificarea unghiului de atac (pitch). Sistemele bazate pe generatoare cu viteza constanta merg in principiu cu viteza mecanica constanta avand masini cu inductie de inalta eficenta ce functioneaza la viteze de super-sincronizare. Variatia vitezei pe unitate este in mod uzual mai mica de 1%. Aceste generatoare de inductie cu viteza constanta sunt simple si nu incorporeaza electronica de putere.

Instalatia eoliana cu viteza variabila, reprezentand metoda moderna, utilizeaza in mod uzual generatoare de inductie cu dubla alimentare (DFIG), avand avantajul utilizarii eficiente a energiei vantului, reducerii partii mecanice (nacela usoara, cutie de viteze redusa sau absenta si turn zvelt), dar avand o parte electrica si electronica complexa, necesitand algoritmi de conducere pretentiosi. Viteza mecanica de rotatie a masinii poate fi controlata prin reglarea frecventei curentului de alimentare a rotorului. Aceste elemente si modul in care se pot interconecta centralele eoliene sunt prezentate in lucrarea - Bringing wind power ashore - (Brian Richardson, Peter Jones), IEE Power Engineer , February/March 2004. Doua tipuri de instalatii eoliene sunt prezentate in figura 2.2:

Un model performant de turbina eoliana cu viteza variabila utilizand un generator de inductie cu dubla alimentare (DFIG - doubly fed induction generator), caracterizat prin cresterea calitatii, eficentei si controlabilitatii a fos prezentat in lucrarea - Modeling of the

Page 8: Centrale Eoliene

Wind Turbine With a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies - (Lei Y. Mullane A. Lightbody G. Yacamini R.) IEEE Transactions on Energy Conversion, ISSN: 0885-8969 , 2005.

Turbina, fiind elementul central al instalatiei, efectueaza procesul de conversie a energiei eoliene în energie mecanica, având la baza fortele de interactiune între elementele active ale turbinei si curentul de aer care îl ataca cu o anumita viteza. Dintre fortele care apar la aceasta interactiune se vor evidentia doua cele mai importante: forta aerodinamica de ascensiune si forta de presiune frontala.

Mecanismul actionat poate fi un mecanism sau o masina care realizeaza un lucru mecanic (pompaj, moara etc.), un convertor de energie mecanica în energie electrica (electrogenerator) sau în energie a aerului comprimat (compresor), fie în alt tip de energie. Dispozitivul de transmisie mecanica are rolul de a acorda parametrii energiei la arborele turbinei cu parametrii acesteia la arborele de intrare a mecanismului actionat si va contine dupa caz un reductor de ridicare a vitezei si cuplaje elastice sau rigide.

Se utilizeaza mai multe principii de clasificare a aeromotoarelor eoliene:

· conform principiului de functionare;

· conform orientarii axului principal;

· conform nivelului de viteza.

În cele ce urmeaza se va examina principiul de functionare al celor mai raspândite tipuri de aeromotoare, fiind clasificate conform principiilor mentionate mai sus.

7. Turbine cu ax orizontal

Rotorul si generatorul de curent sunt pozitionate in varful turnului si trebuie aliniate pe directia vantului. Pentru acesta majoritatea folosesc senzori si servomotoare pentru a se alinia pe directia vantului. Cele mai multe turbinelor cu axa orizontala au si o cutie de viteze care transforma miscarea de rotatie lenta a palelor intr-una mai rapida, necesara pentru a creste eficienta generatorului de curent.Rotorul turbinei poate fi plasat in fata sau spatele turnului. La turbinele cu rotorul in fata palele sunt departate de turn si usor inclinate. Deasemele palele sunt si rezistente pentru a nu fi indoite si impinse in turn. Turbinele cu rotorul in spatele turnului au avantajul ca palele elicei se pot indoi, reducand suprafata ce se opune vantului la viteze mari, iar datorita contructiei, orientarea pe directia vantului se face automat.Datorita turbulente aerodinamice din spatele turnului la majoritatea turbinelor cu axa orizontala rotorul turbinei este pozitionat in fata.

Page 9: Centrale Eoliene

La momentul actual sunt cele mai diverse din punct de vedere constructiv si cele mai raspândite. Motoarele cu ax orizontal, sau altfel numite motoare cu elice sau cu propelor (figura 2.3 a, b, c si d) pot avea de la una pâna la 24 si mai multe pale. Motoarele cu 1-3 pale sunt, de regula, de viteza înalta si dimpotriva, cele cu mai multe pale dezvolta cupluri motoare sporite la viteze de rotatie mici si sunt destinate pentru viteze reduse ale vântului.

Fig.2.3 Aeromotoare cu ax orizontal: cu una (a), doua (b), trei (c) si mai multe (d) pale.

Fig. 2.4. Sisteme de orientare dupa vânt:

Page 10: Centrale Eoliene

a - cu stabilizator, b - cu vendroza, c - cu servomotor, d - cu autoorientare (în spatele

turnului)

Palele cu profil aerodinamic, confectionate, de regula, din lemn sau din fibre de sticla,

se monteaza pe un butuc si formeaza rotorul turbinei. Axul principal al rotorului prin dispozitivul de transmisie se uneste cu mecanismul actionat.

Rotorul si celelalte utilaje se monteaza pe o platforma rotitoare (nacela), care este suspendata pe vârful (capul) unei ferme metalice sau a unui turn cu înaltimea dupa caz de 10-50 m.

Cuplul motor apare ca rezultat al actiunii fortelor aerodinamice de ascensiune.

Pentru o eficienta utilizare a energiei vântului rotorul generatorului permanent trebuie orientat astfel ca planul de rotire al palelor sa fie perpendicular pe directia vântului. Pot fi doua cazuri de amplasare a rotorului în stare de lucru: în spatele sau în fata turnului. In primul caz (fig.2.4, d) rotorul singur poate sa se orienteze dupa vânt, poate functiona fara un dispozitiv special de orientare.

Apare însa efectul de umbra ca urmare a faptului ca palele periodic se afla în umbra turnului pentru un timp când ele nu sunt actionate, ceea ce rezulta o sarcina dinamica periodica asupra palelor si elementelor constructive, vibratii si zgomote.

Mai efectiv este utilizata energia curentului de aer în instalatiile cu amplasarea rotorului în fata turnului, însa în acest caz este necesar un dispozitiv sau sistem special de urmarire si orientare a rotorului în pozitie de lucru.

În instalatiile de putere mica în acest scop sunt prevazute stabilizatoare (fig. 2.4, a) sau dispozitive multipale cu transmisie melcata, numite vendroze (figura 2.4, b). La puteri mari instalatiile se doteaza cu sisteme hidraulice de orientare cu comanda de la calculator (fig. 2.4, c). Captatorul de semnale de directia si viteza a vântului, de regula de tip electroanemometric, este amplasat în afara zonei de influenta a turbinei la înaltimea respectiva de la sol.

În fig. 2.5 este prezentata schema unei instalatii cu mai multe aeromotoare cu ax orizontal, montate pe o singura ferma de suport de mare înaltime, care poate prezenta interes pentru localitati cu vânt cu o directie preponderenta.

Anumite avantaje pot fi obtinute la folosirea aeromotoarelor cu doua rotoare coaxiale (fig. 2.6). Rotoarele au sens opus de rotatie si sunt cuplate rigid sau prin cuplaje elastice respectiv cu rotorul electrogeneratorului si statorul acestuia care se roteste în lagare proprii. Daca ambele rotoare ale aeromotului au, de exemplu, turatia nominala de 350 rot/min atunci se va putea utiliza un electrogenerator de viteza înalta (700 rot/min) fara reductor intermediar.

Page 11: Centrale Eoliene

8. Turbine cu ax vertical

La acest tip de turbine axa este verticala, generatorul si toate componentelefind plasate la baza, usurand astfel instalarea si mentenanta. In loc de turn acest tip de turbine folosesc fire de sustinere, rotorul find pozitionat aproape de pamant.

Aceste turbine sunt tot timpul aliniate cu directia vantului astfel

Din grupul generatoarelor cu ax vertical cele mai importante sunt: generatoarele cu rotor Darrieus, generatorul Evence si generatorul Musgroove.

Page 12: Centrale Eoliene

Aceste tipuri de motoare, dupa cum demonstreaza numeroase investigatii teoretice si încercari experimentale, pot concura cu motoarele cu ax orizontal, chiar având anumite prioritati, fiind folosite în instalatii de putere mare (ordin sute si mii kW).

Rotorul Darrieus (fig. 2.7, a) cu doua sau trei pale subtiri cu profil aerodinamic, fiind curbate si încastrate cu ambele capete la un ax vertical, foloseste fortele maxime în momentul când paleta cu viteza mare întretaie curentul de aer atacant. Acest motor dezvolta un cuplu initial de pornire mic din care cauza lung timp el se considera neperspectiv. Însa fiind completat cu un mic motor Savonius, el usor demareaza în regim fara sarcina.

Rotorul generatorului Evence (fig. 2.7, c) are doua pale cu profil aerodinamic, montate pe o traversa orizontala, care se sprijina pe turnul vertical al instalatiei. Un avantaj deosebit al acestei turbine, ca si în cazul rotorului Darrieus, consta în faptul ca reductorul, electrogeneratorul si alte elemente de transmisie mecanica se monteaza jos la baza instalatiei, cuplarea rotorului efectuându-se prin prelungirea arborelui principal.

Rotoarele acestor motoare nu trebuie orientate dupa vânt.

O varianta originala de turbina cu doua rotoare Evence este prezentata în fig. 2.7. La puteri mici instalatia poate fi montata chiar si pe un vehicul.

Motorul Musgroave (figura 2.7,b) are principiul de functionare similar cu cel al motorului Evence, dar el prevede si posibilitatea suprapunerii palelor pe bârna transversala, altfel spus scoaterea acestora de sub actiunea vântului în caz de furtuni cu viteze periculoase pentru instalatie.

Aeromotoarele cu tambur si de tip carusel sunt cele mai vechi tipuri de motoare eoliene. Motoarele cu tamburul format din placi radiale functioneaza asemanator rotilor (turbinelor) de apa. Cuplul motor este format de forta de presiune a vântului.

Fig.27. Aeromotoare cu ax vertical

a) Rotor Darrieus, b) rotor Musgoove, c) rotor Evence

Page 13: Centrale Eoliene

Daca la motoarele cu elice sunt active concomitent toate palele, atunci în cazul motoarelor cu tambur participa la formarea cuplului motor doar acele palete a caror miscare coincide cu directia vântului. Pentru a reduce rezistenta opusa de palete la miscarea lor împotriva curentului de aer, aceasta parte a rotorului se acoperacu un paravan sau paletele se curbeaza.

9. Avantajele si dezavantajele turbinelor eoliene

Turbine cu axa orizontala (HAWT=horizontal axis wind turbine)

Sunt turbinele la care palele elicei, axul motorului si generatorul electric sunt montate in varf.

Avantaje

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

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

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

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

Dezavantaje

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

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

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

Turbinele inalte pot obstructiona radarele de linga bazele aeriene

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

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

Turbine cu axa verticala (VAWT=vertical axis wind turbine)

Avantaje

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

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

Page 14: Centrale Eoliene

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

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

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

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

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

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

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

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

Dezavantaje

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

Trebuie instalate pe o suprafata plana

Majoritatea turbinelor VAWT au nevoie de un electromotor pentru a fi pornite in conditii de vant slab

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

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

10. Costurile unei eoliene de uz casnic

Pentru casele nebransate la o reteaua nationala de energie electrica, pretul unui sistem eolian care include o turbina, acumulatori si echipament electronic variaza intre 1.200 si 12.000 de euro.