Proiectarea Unei Centrale Eoliene

  • View
    264

  • Download
    11

Embed Size (px)

Text of Proiectarea Unei Centrale Eoliene

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    1/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentrualimentarea unui consumator izolat

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    2/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Cuprins:

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

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

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

    1.3. Istoricul eolienelor.....10

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

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

    Capitolul II : Principiul de functionare al eolienelor sitipuri de instalatii......

    21

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

    2.2. Componentele clasice ale unei eoliene........ 272.2.1. Palele sau captorul de energie. 292.2.2. Turbina elicoidala cu ax vertical. 292.2.3. Multiplicatorul mecanic de viteza.. 322.2.4. Arborele generatorului.... 322.2.5. Dispozitivele de masurare a vntului. 32

    2.2.6. Generatorul electric.... 322.2.7. Sistemul electronic de control. 342.2.8. Sistemul de orientare.... 342.2.9. Pilonul..... 34

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

    3.1. Predimensionarea arborelui de intrare........................................................................ 37

    3.1.1. Calculul puterii electrice necesare la iesirea din turbina........................................ 373.1.2. Calculul momentului de torsiune.. 38

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    3/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    3.1.3. Predimensionarea arborelui de intrare................................................................................ 38

    3.2. Proiectarea multiplicatorului armonic.......................................................................... 383.2.1. Predimensionarea elementului elastic.................................................................................

    383.2.2. Calculul elementelor geometrice ale rotii elastice...................................................... 403.2.3. Determinarea elementelor geometrice ale rotii dintate rigide............................. 413.2.4. Verificarea lipsei interferentei.. 41

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

    4.1. Generatorul......43

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

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

    4.3. Stocarea energiei eoliene....65

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

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

    Bibliografie.......................................................................................................................................................

    71

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    4/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Capitolul I: Introducere

    1.1. Legislatie

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

    In martie 2007 Comisia europeana a lansat Noua Politica Energetica a

    Uniunii Europene pe termen mediu, 2020, care este marcata de trei obiectiveimportante, respectiv: cresterea securitatii alimentarii cu energie, crestereacompetitivitatii in domeniul energiei precum si reducerea impactului asupramediului. Ca parte din aceasta politica, sefii de stat si de Guvern au convenitasupra unor tinte obligatorii pentru cresterea cotei energiei regenerabile.

    Dispozitii europene in vigoare:- Directiva 2001/77/CE a Parlamentului European si a Consiliului privindpromo-varea electricitatii produse din surse de energie regenerabile.- Directiva 2003/30/CE a Parlamentului European si a Consiliului depromovare a utilizarii biocombustibililor si a altor combustibili regenerabili pentrutransport.

    - in 30 ianuarie 2008 Comisia Europeana a inaintat spre dezbaterepropunerea Directiva privind promovarea utilizarii energiei din surseregenerabile, o Directiva cuprinzatoare, care legifereaza toate cele trei sectoareale energiei regenerabile.

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

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

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

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

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    5/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Energia eoliana este folosita extensiv in ziua de astazi, si turbine noi devnt se construiesc in toata lumea, energia eoliana fiind sursa de energie cu ceamai rapida crestere in ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste

    25% din timp, acest procent crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternice.

    La nivel national, domeniul este reglementat in linii generale, de Legeaenergiei nr.13/2007 si de o serie de hotarri ale Guvernului: H.G. nr. 443/2003privind promovarea productiei de energie electrica din surse regenerabile. H.G.nr.1982/2004 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii energieielectrice din surse regenerabile de energie si H.G. nr.1535/2003 privindaprobarea strategiei de valorificare a surselor regenerabile de energie. Directiva2003/30/CE a fost transpusa prin H.G. nr.1844/2005 privind promovarea utilizariibiocarburantilor si a altor carburanti regenerabili pentru transport, amendata deH.G. nr.456/2007.

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

    Termeni, modalitati si actiuni, responsabilitati, durate de aplicareetc;

    Nivelul tintelor nationale privind ponderea energiei electrice dinsurse regenerabile de energie in consumul final de energie electricain perspectiva anilor 2010, 2015 si 2020: respectiv 33%, 35% si38%;

    Cotele obligatorii anuale de certificate verzi pentru perioada 2008-2020, modul de atribuire si tranzactionare; Accesul la reteaua electrica si comercializarea energiei electrice

    produse din surse regenerabile de energie; Monitorizare si raportare, facilitati acordate.ART. 3

    Sistemul de promovare stabilit prin legea 220/2008 se aplica pentruenergia produsa din:

    a) energie hidro;b) energie eoliana;c) energie solara;

    d) energie geotermala si gazele combustibile asociate;e) biomasa;f) biogaz;g) gaz de fermentare a deseurilor;h) gaz de fermentare a namolurilor din instalatiile de epurare a apelor

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

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

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    6/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Tabel 1:

    NR.CRT.

    TARA

    Obiective nationale globale privindponderea energiei din surse regenerabile in

    consumul final brut de energie2005 2020

    1. Belgia2,2 % 13 %

    2. Bulgaria9,4 % 16 %

    3. Republica Ceha6,1 % 13 %

    4. Danemarca17,0 % 30 %

    5. Germania5,8 % 18 %

    6. Estonia 18,0 % 25 %

    7. Irlanda3,1 % 16 %

    8. Grecia6,9 % 18 %

    9. Spania8,7 % 20 %

    10. Franta10,3 % 23 %

    11.

    Italia5,2 % 17 %

    12.

    Cipru2,9 % 13 %

    13.

    Letonia32,6 % 40 %

    14.

    Lituania15,0 % 23 %

    15 Luxemburg 0,9 % 11 %

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    7/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    16.

    Ungaria4,3 % 13 %

    17

    .

    Malta

    0,0 % 10 %

    18.

    Tarile de Jos2,4 % 14 %

    19.

    Austria23,3 % 34 %

    20.

    Polonia7,2 % 15 %

    21.

    Portugalia20,5 % 31 %

    22.

    Romnia17,8 % 24 %

    23.

    Slovenia16,0 % 25 %

    24

    .

    Republica Slovaca

    6,7 % 14 %

    25.

    Finlanda28,5 % 38 %

    26.

    Suedia39,8 % 49 %

    27.

    Regatul Unit1,3 % 15 %

    1.2. Potentialul si dezvoltarea sistemului eolian

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

    Noile cerinte in domeniul dezvoltarii durabile au determinat statele lumii sa

    isi puna problema metodelor de producere a energiei si sa creasca cota deenergie produsa pe baza energiilor regenerabile. Protocolul de la Kyoto

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    8/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Trei factori au determinat ca solutia eolienelor sa devina mai competitiva:

    noile cunostinte si dezvoltarea electronicii de putere; ameliorarea performantelor aerodinamice in conceperea turbinelor eoliene; finantarea nationala pentru implantarea de noi eoliene.

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

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

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

    In prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile inproducerea energiei electrice, este scazuta. Se poate spune ca potentialuldiferitelor filiere de energii regenerabile, este sub-exploatat. Totusi, ameliorariletehnologice au favorizat instalarea de generatoare eoliene ,intr-un ritmpermanent crescator in ultimii ani, cu o evolutie exponentiala

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

    1% geotermala

    33%

    35%

    38%

    30%

    31%

    32%

    33%

    34%

    35%

    36%

    37%

    38%

    2010 2015 2020

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    9/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.1.1. Energie electrica verde in Romnia - angajamente

    Fig.1.2. Ponderea energiilor regenerabile la nivel mondial

    Energia eoliana este o sursa de energie regenerabila generata dinputerea vntului. Vnturile sunt formate din cauza ca soarele nu incalzeste

    Pamntul uniform, fapt care creeaza miscari de aer. Energia cinetica din vntpoate fi folosita pentru a roti niste turbine, care sunt capabile de a generaelectricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, desi aceasta necesita o viteza avntului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe ora. Putine zone pepamnt au aceste viteze ale vntului, dar vnturi mai puternice se pot gasi laaltitudini mai mare si in zone oceanice.

    http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabil%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/V%C3%A2nthttp://ro.wikipedia.org/wiki/P%C4%83m%C3%A2nthttp://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_cinetic%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Electricitatehttp://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_regenerabil%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/V%C3%A2nthttp://ro.wikipedia.org/wiki/P%C4%83m%C3%A2nthttp://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_cinetic%C4%83http://ro.wikipedia.org/wiki/Electricitate
  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    10/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.1.3. Distributia teritoriala a energiilor regenerabile

    Energia eoliana in UE la inceputul anului 2008:

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

    Productia de energie electrica de 119 TWh, incluzand 4 TWh offshore;

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

    Energia eoliana in UE pentru anul 2010:

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

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

    9,9% din capacitatea totala de generare de energie electrica in U.E.

    Energia eoliana in UE pentru anul 2020:

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

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

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

    Energia eoliana in UE pentru anul 2030:

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    11/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

    U.E.;

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

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

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

    1.3. Istoricul eolienelor

    Energia eoliana este una din cele mai vechi surse de energie nepoluanta.Drept sursa energetica vntul este cunoscut omenirii de 10 mii de ani, inca de laorizontul civilizatiei energia vntului se utiliza in navigatia maritima. Se

    presupune ca egiptenii stravechi mergeau cu pnze cu 5.000 ani in urma. In jurulanului 700 pe teritoriul Afganistanului se utilizau masini eoliene cu axa verticalade rotatie se utilizau pentru macinarea grauntelor. Cunoscutele instalatii eoliene(mori cu elicele conectate la turn) asigurau functionarea unor sisteme de irigarepe insula Creta din Marea Mediterana. Morile pentru macinarea boabelor, carefunctionau pe baza vntului, sunt una din cele mai mari performante a secolelormedii. In sec. XIV olandezii au imbunatatit modelul morilor de vnt, raspndite inOrientul Mijlociu, si au inceput utilizarea larga a instalatiilor eoliene la macinareaboabelor, asadar moara de vnt este stramosul generatoarelor eoliene.

    http://ro.wikipedia.org/wiki/Kilometruhttp://ro.wikipedia.org/wiki/Kilometru
  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    12/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.1.4. Moara de vnt

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

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

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

    In perioada Renasterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au

    interesat foarte intens de morile de vnt, ceea ce a condus la numeroaseinovatii. De atunci, morile s-au inmultit in Europa.Revolutia industriala a oferit un nou inceput pentru morile de vnt, prin

    aparitia de noi materiale. in consecinta, utilizarea metalului a permis modificareformei turnului si cresterea considerabila a masinilor pe care le numim pe scurt"eoliene" (Fig. 1.6.).

    http://www.cimec.ro/scripts/aer/id.asp?k=626&ans=Ansambluhttp://www.cimec.ro/scripts/aer/id.asp?k=626&ans=Ansamblu
  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    13/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    1.4. Importanta Eolienelor

    Filiera eoliana este destul de dezvoltata in Europa, detinnd pozitia de lider intopul energiilor regenerabile. Acest tip de energie regenerabila asigura necesarul

    de energie electrica pentru 10 milioane de locuitori. Dealtfel, 90 % din producatoriide eoliene de medie si mare putere, se afla in Europa.

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

    Costurile si eficienta unui proiect eolian trebuie sa tina seama att de pretuleolienei, ct de cele ale instalarii si intretinerii acesteia, precum si de cel al vnzariienergiei. O eoliana este scumpa. Trebuiesc realizate inca progrese economicepentru a se putea asigura resursele dezvoltarii eolienelor. Se estimeaza ca

    instalarea unui kW eolian, costa aproximativ 1000 euro. Progresele tehnologicesi productia in crestere de eoliene din ultimii ani permit reducerea constanta a

    http://www.babilim.co.uk/http://www.babilim.co.uk/
  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    14/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    In Germania si Danemarca, investitorii sunt fie mari grupuri industriale, fieparticulari sau agricultori. Aceasta particularitate tinde sa implice populatia in

    dezvoltarea eolienelor. Energia eoliana este perceputa ca o cale de diversificarea productiei agricole. In Danemarca, 100 000 de familii detin actiuni in energiaeoliana. Filiera eoliana a permis, de asemenea, crearea de locuri de munca indiverse sectoare, ca cele de producere a eolienelor si a componentelor acestora,instalarii eolienelor, exploatarii si intretinerii, precum si in domeniul cercetarii sidezvoltarii. Se inregistreaza peste 15 000 de angajati in Danemarca si 30 000 inGermania, direct sau indirect implicati in filiera eoliana.

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

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

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

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

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

    Astazi insa Romania este clasata ultima intre tarile europene, cu cativa

    MW instalati in grupuri eoliene.Situatia se va schimba, avand in vedere instalarea inca din acest an aprimelor grupuri de mare putere in Dobrogea, la Babadag si Fantanele.

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    15/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.1.7. Contributia centralelor eoliene la productia de energie

    15

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    16/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    1.5. Factorii care recomanda utilizarea eolienelor in Romnia

    Energia eoliana este folosita destul de extensiv in ziua de astazi, iar turbinenoi de vnt se construiesc in toata lumea, energia eoliana fiind sursa de energie cucea mai rapida crestere in ultimii ani. Capacitatea totala mondiala a turbinelor de

    vnt este 74,221MW. Majoritatea turbinelor produc energie 25% din timp, acestnumar crescnd iarna, cnd vnturile sunt mai puternice. Se crede ca potentialultehnic mondial a energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energiedect este consumata acum.

    Potentialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicaturi si inmunti. Dar exista multe alte teritorii cu un potential eolian necesar pentru utilizare.Ca sursa energetica vntul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare,dar in anumite perioade prezenta vntului se observa pe parcursul intregii zile.Asupra resurselor eoliene influenteaza relieful pamntului si prezenta barierelor(obstacolelor) plasate la inaltimi de pna la 100 metri. De aceea vntul, intr-o maimare masura, depinde de conditiile locale (relief) dect soarele. In localitatile

    montane, spre exemplu, doua suprafete pot avea potential solar egal, insapotentialul vntului poate fi diferit datorita diferentei in relief si directiile curentilormaselor de aer. In legatura cu aceasta planificarea locului pentru plasareainstalatiei se petrece mai detaliat dect montarea unui sistem solar.

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

    Articolul "Evaluation of Global Wind Power", de Cristina L. Archer si Mark Z.Jacobson (Stanford University) este rezultatul unui studiu finantat de NASA sifinalizat de curnd. Harta resurselor de vnt a fost realizata prin urmarirea a 8000de puncte de masurare din intreaga lume, inclusiv Romnia. 13 % din punctele de

    pe harta sunt incadrate in clasa 3 (vnt de 6.9-7.5 m/s) si doar-cteva au fostincadrate in clase mai mari.Romnia se afla in zona de resurse de pna la 5.9 m/s, ca majoritatea

    celorlalte zone, insa cu un potential suficient de important pentru a sustine opolitica de promovare a sistemelor eoliene.

    Ne aflam destul de departe de U.E. in domeniul energiei curate. In Europaexista 48,062MW instalati in turbine eoliene, care produc aproximativ 70 TWh, intimp ce in Romnia sunt in functiune 1,3MW. Doar Parcul Industrial de la Ploiestibeneficiaza de energie electrica furnizata de turbina eoliana cu putere de 660 kWamplasata in apropiere. Aceasta a fost pornita, pe 17 aprilie, la opt km de Ploiesti,la Crngul lui Bot. Aceasta instalatie va produce energie electrica pentru firmele

    din cadrul Parcului Industrial Ploiesti (PIP). Investitia a costat aproximativ 700.000de euro, la care s-au adaugat cheltuielile legate de montajul centralei. Zona a fostidentificata de meteorologi drept prielnica pentru o asemenea investitie. Pentru cacentrala sa poata functiona este nevoie ca ea sa fie amplasata intr-o zona undebate vntul constant. Viteza minima a vntului care determina punerea in miscarea centralei este de 3,5m/s, iar in zona parcului industrial viteza medie a vntuluicalculata de meteorologi este de 7 m/s. Aceasta viteza medie asigura functionareacentralei la 85-90% din capacitate. Daca viteza vntului depaseste 25m/s, centrala

    16

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    17/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Centrala eoliana are o putere instalata de 660 kW si produce un curentelectric de 690 V, care intra in sistemul national la 20 kV. Este de tip V66 Vestas sia fost proiectata de firma Asja Ambiente din Italia. Componentele sunt productie

    marca Vestas din Danemarca. Instalatia are o inaltime de 79 metri, din care 55metri are turnul de sustinere. in vrful turnului se afla nacela cu toata instalatia sipalele care se rotesc. Greutatea turnului este de 52 tone, nacela cntareste 23tone, iar palele doar 7 tone. Centrala este automata si din aceasta cauza necesitaun numar mic de persoane care sa se ocupe de intretinerea si functionarea ei. Eaeste comandata de un calculator situat la o distanta de 50 metri, care orienteazanacela dupa directia vntului.

    Conducerea Parcului are in plan instalarea a inca doua centrale eolieneasemanatoare. Prima, care le precede pe cele doua, este de putere medie si sepreteaza cel mai bine pentru harta vnturilor din acea zona. In proiect se mai aflamontarea a 10 centrale pe Valea Doftanei, care vor asigura energia electrica

    pentru populatie. Costurile cu producerea energiei electrice cu ajutorul centraleloreoliene sunt situate la 75% din costurile necesare pentru producerea de curentelectric prin metodele conventionale, intretinerea instalatiilor nu costa prea mult (in

    jur de 4.500 euro), iar consumabilele trebuie schimbate o data la doi ani. Pna in2007 se intentioneaza ca 8% din energia produsa in tara sa fie asigurata prinsistemele neconventionale. Procentul este mult mai mare in tari ca Germania 22%si Danemarca 31%.

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

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

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

    17

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    18/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    GradeBeaufort

    DescriereViteza vntului

    (m/s)Observatii

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

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

    la traseul vertical

    2Vnt

    perceptibil2-3 Frunzele se misca; steagurile flutura incet

    3 Vnt usor 3-5.5Frunzele si ramurelele copacilor in miscare

    continua, de mica amplitudine

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

    continua, de amplitudine mai mare sauvariabila

    5

    Vant

    semnificativ 8.5-10

    Ramurile mici ale copacilor se misca;

    steagurile flutura

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

    se rasucesc

    7Vnt foarte

    puternic14.5-17

    Crengile se misca; steagurile se misca cuzgomot (pocnesc)

    8Vnt extremde puternic

    17.5-20Copacii se misca de la radacina (foarte evident

    la plopi, ulmi)

    9Inceput de

    furtuna21-24 Ramurile se rup din copaci.

    10 Furtuna 24.5-28Crengi intregi se rup din copaci; tigla sau

    sindrila zboara de pe acoperis11 Furtuna 29-32

    Unii copaci sunt doborti; incep sa aparadaune ale locuintelor

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

    18

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    19/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Parcul Eolian Fantanele si Cogealac, se va intinde pe o suprafata de 600hectare, si va avea capacitatea de 600 megavati (egala cu cea a unui reactor de la

    Cernavoda). Parcul va fi de trei ori mai mare in comparatie cu cel mai mare parceolian din Europa situat in Spania. CEZ Romania si-a propus ca la finalizareaacestui proiect sa detina o cota de 10% din piata energiei regenerabile. Potrivitreprezentatilor CEZ Romania, constructia parcului amplasat la nord de Constantase va desfasura in mai multe etape.

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

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

    Pentru montarea pieselor componente ale turbinelor eoliene se utilizeazacele mai mari macarale folosite in Romania cu o greutate intre 500 si 700 t fiecare.O singura elice are lungimea de 48 m, iar diametrul rotorului este de 99 m.Investitorii promit ca drumurile si canalizarea din Cogealac si Fantanele vor fimodernizate. Un alt beneficiu al investitiei va fi gratuitatea iluminatului public,alimentat de noile instalatii. Parcul eolian va consolida prezenta CEZ pe piata

    romaneasca a distributiei de energie, grupul controland deja Electrica Oltenia (oinvestitie de 165 milioane euro) si Electrocentrala Galati.Parcul va avea 240 de turbine, din care 139 la Fntnele si 101 la

    Cogealac.Cehii de la grupul energetic CEZ spun ca au finalizat instalarea a 70 de

    turbine eoliene in comuna Fantanele, prima parte a proiectului eolian de 600 MW.Singurul lucru de care mai au nevoie cehii pentru a incepe productia de

    energie electrica este o aprobare din partea Transelectrica, compania nationala detransport al electricitatii, prin care statia de transformare sa fie conectata la reteauanationala. O statie de transformare este o instalatie electrica a carei functie este dea transfera energia electrica intre doua retele de tensiuni diferite.

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

    19

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    20/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.1.8. Santierul parcului eolian de la Fantanele

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

    20

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    21/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.1.10. Harta eoliana a Romniei

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

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

    peste 8m/s, redate prin culoare mai inchisa, repartizate indeosebi pevrfurile cele mai inalte ale Lantului Carpatic.

    Energia eoliana este folosita extensiv in ziua de astazi, si turbine noi de vntse construiesc in toata lumea.

    21

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    22/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.1.11. Harta resurselor de vant ale Romaniei

    22

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    23/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Capitolul II : Principiul de functionare al eolienelor si tipuri deinstalatii

    Fig. 2.1. Sistemul de ansamblu a unei eoliene

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

    23

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    24/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

    2.1 Tipuri de instalari

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

    Exista mai multe tipuri de eoliene. Se disting insa doua mari familii: eoliane

    cu ax vertical si eoliene cu ax orizontal.Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motorpentru a antrena generatorul.

    2.1. Eoliene cu ax vertical

    Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mica, avnd inaltimea de 0,1 -0,5 din inaltimea rotorului. Aceasta permite amplasarea intregului echipament deconversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitnd astfeloperatiunile de intretinere. In plus, nu este necesara utilizarea unui dispozitiv de

    orientare a rotorului, ca in cazul eolienelor cu ax orizontal. Totusi, vntul areintensitate redusa la nivelul solului, ceea ce determina un randament redus aleolienei, aceasta fiind supusa si turbulentelor de vnt. In plus, aceste eolienetrebuiesc antrenate pentru a porni, iar pilonul este supus unor solicitari mecaniceimportante. Din aceste motive, in prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cuprecadere catre eolienele cu ax orizontal.

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

    24

    http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien2.htm#axvhttp://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien2.htm#axvhttp://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien2.htm#axhhttp://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien2.htm#axvhttp://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien2.htm#axvhttp://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/GeneralitesEolien2.htm#axh
  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    25/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Fig.2.2.Schema deprincipiu arotorului luiSavonius

    Fig.2.3. Schema rotorului luiSavonius

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

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

    25

    http://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm
  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    26/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

    2.2. Eoliene cu ax orizontal

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

    26

    http://www.jura.ch/lcp/forum/energies/vent.htmlhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htmhttp://www.jura.ch/lcp/forum/energies/vent.htmlhttp://muextension.missouri.edu/explore/agguides/agengin/g01981.htm
  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    27/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

    Exista doua categorii de eoliene cu ax orizontal:

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

    Fig.2.6. Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte

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

    27

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    28/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.2.7. Schema unei eoliene cu ax orizontal aval

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

    3.2. Componentele clasice ale unei eoliene

    Diagrama turbina eoliana - descrie partile componente sistemului.

    28

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    29/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Sistemul este compus din:1. Pale - Forma si conceptia lor este esentiala pentru a asigura forta de rotatienecesara. Acest design este propriu fiecarui tip de generator electric.2. Nacela - Contine generatorul electric asigurnd si o protectie mecanica3. Pilon - Asigura strucura de sustinere si rezistenta a asamblului superior.

    4. Fundatie - Asigura rezistenta mecanica a generatorului eolian.

    Fig.2.8. Schema eoliana

    29

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    30/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.2.9. Parti componente a unei turbine eoliene

    30

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    31/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

    Fig.2.10. Profil de pala

    Numarul de pale depinde de eoliana. In prezent, sistemul cu trei pale estecel mai utilizat, deoarece asigura limitarea vibratiilor, a zgomotului si a oboseliirotorului, fata de sistemele mono-pala sau bi-pala. Coeficientul de putere este cu10 % mai mare pentru sistemul bi-pala fata de cel mono-pala, iar cresterea este de3% intre sistemul cu trei pale fata de doua pale. In plus, este un compromis bunintre cost si viteza de rotatie a captorului eolian si avantaje din punct de vedereestetic pentru sistemul cu trei pale, fata de cel cu doua pale.

    2.2.2. Turbina elicoidala de tip elicoidal cu ax vertical - poate fi folosita

    cu success in zonele izolate, fara sursa de alimentare cu energie electrica, sau incazul cnd se doreste economisirea acesteia, se poate utiliza intr-un mod foarteeficient un motor eolian, de mici dimensiuni, realizat intr-o constructie simpla si demare fiabilitate.

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

    31

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    32/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    .

    Fig.2.11. Pala Elicoidala

    Rotorul turbinei este o constructie monobloc din fibra de sticla , care datoritaformei geometrice de tip elicoidal, permite functionare de la viteze ale vntului de2,5 m/s, iar la viteze mai mari de 20 m/s, se autofrneaza.

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

    Fata de rotoarele clasice tip "multipala", acesta prezinta urmatoareleavantaje:

    Constructie simpla si robusta

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

    32

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    33/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

    Inventia se refera la un rotor eolian pentru vant cu intensitate redusa,destinat a se folosi ca subansamblu principal la turbinele eoliene, cu rol de aconverti energia preluata de la vant in energie mecanica de rotatie, sau pentrupompare apa cu pompa cuplata direct pe axul rotorului.Rotorul eolian, este alcatuitdintr-un ax si o flansa pe care sunt montati suporti, ce prezinta niste bosaje in zonaprinderii palelor, pale semicirculare dispuse sub forma unor solzi de peste pesuportii de fixare, palele fiind inclinate cu unghiurile +, - cu valori cuprinse intre515 precum si unghiul cu valori cuprinse intre 540 , cu efect in timpulfunctionarii de producere a unor microvartejuri ce determina cresterea forteiportante.

    Palele rotorului eolian, sunt compuse din placile centrale de forma unorcoroane de sector circular de raze si centre diferite, pe care se fixeaza simetric de oparte si de cealalta niste placi elastice, de dimensiuni si grosimi descrescatoare fatade placa centrala, dispuse sub forma unor solzi de peste, cu efect in timpul

    33

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    34/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    functionarii de producere a unor microvartejuri ce determina cresterea forteiportante.

    Gheorghe Cristea este unul dintre autorii unei inventii care ar putearevolutiona infrastructura in materie de energie a vntului. Eoliana medaliata cu aurla trei competitii internationale este silentioasa, porneste la o viteza a vntului foarte

    redusa si poate fi amplasata oriunde.

    2.2.3. Multiplicatorul mecanic de viteza - permite transformarea puteriimecanice, caracterizata de cuplu mare si viteza mica specifica turbinei eoliene, inputere de viteza mai ridicata, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbineieoliene este prea mica, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate directgeneratorului. Multiplicatorul asigura conexiunea intre arborele primar (al turbinei

    eoliene) si arborele secundar (al generatorului).Exista mai multe tipuri de multiplicatoare, cum ar fi: Multiplicatorul cu una sau mai multe trepte de roti dintate, care

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

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

    Exista si posibilitatea antrenarii directe a generatorului, fara utilizarea unuimultiplicator.

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

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

    34

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    35/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

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

    Conectarea indirecta se realizeaza prin trecerea curentului de la turbina

    printr-o serie de componente electrice care il ajusteaza astfel inct sa indeplineascacerintele retelei electrice la care este conectat. Cu un generator asincron, aceastacerinta este indeplinita automat

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

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

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

    35

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    36/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.2.14 Interiorul unei nacele

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

    Fig.2.15. Dispozitive de masurare a vantului

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

    36

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    37/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    2.2.9. Pilonul - este, in general, un tub de otel si un turn metalic. El sustineturbina eoliana si nacela. Alegerea inaltimi este importanta, deoarece trebuierealizat un bun compromis intre pretul de constructie si expunerea dorita la vnt. inconsecinta, odata cu cresterea inaltimii, creste viteza vntului, dar si pretul. in

    general, inaltimea pilonului este putin mai mare dect diametrul palelor. inaltimeaeolienelor este cuprinsa intre 7 si 40 de metri. Prin interiorul pilonului trec cablurilecare asigura conectarea la reteaua electrica.

    Fig.2.18. Interior pilon

    Capitolul III: Proiectarea elementelor mecanice pentru oeoliana de mica putere

    Pentru a determina ce putere electrica trebuie sa produca turbina esterecomandata inlocuirea tuturor consumatorilor traditionali, cu altii identici dar multmai eficienti din punct de vedere al consumului de energie. Primul pas trebuie facutprin determinarea consumului si a consumatorilor.

    Tabel 3 - Consumatori Casnici

    ComponentePutere

    [W]Cantitate [buc]

    Functionare[ore / zi]

    Consum[kWh / luna]

    Mixer 300 W 1 0.1 h 0.9 kWhUscator 1000 W 1 0.1 h 3.0 kWhVentilator 150 W 1 0.5 h 2.3 kWhUscator haine (electric) 4000 W 1 0.3 h 30.0 kWh

    Cafetiera 1000 W 1 0.2 h 6.0 kWhMasina spalat vase 700 W 1 0.2 h 3.2 kWhFier de calcat 1000 W 1 0.3 h 9.0 kWhCuptor cu microunde 1500 W 1 0.1 h 4.5 kWh

    Frigider (nou, economic) 200 W 1 6.0 h 36 kWhAspirator 1000 W 1 0.3 h 9.0 kWh

    37

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    38/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Masina de spalat 3000 W 1 0.5 h 45.0 kWhAer conditionat 2500 W 2 3.0 h 450.0 kWhTV color 150 W 2 4.0 h 54.0 kWhDesktop Computer 300 W 1 2.0 h 18.0 kWhLaptop Computer 100 W 1 2.0 h 6.0 kWhAntena Satelit 30 W 1 6.0 h 5.4 kWh

    Iluminat (economice ) 20 W 021502 4.0 h.0 h 72.0 kWhDrujba 2000 W 1 2 h 120.0 kWhFlex mare 2000 W 1 0.2 h 12.0 kWhCositoare Elect. 1400 W 1 0.5 h 21.0 kWhTocatoare Elect. 2000 W 1 1 h 60.0 kWhPompa alimentare apa 1500 W 1 2.0 h 90.0 kWhAlti consumatori (rezerva ) 300 kWh

    Total consum 1357 kWh

    Centrala eoliana este amplasata intr-o zona deluroasa, la o altitudine de700 m fata de nivelul marii, unde vntul bate cam 4000 de ore pe an si viteza medie

    anuala este intre 3,5..8 m/s.La valoarea nominala a vitezei vantului de:Vnom.= 8 m/s avemCp=0,3 - coeficientul de utilizare a energiei eoliene are valoarea maxima.Astfel la aceasta viteza a vntului, o turbina eoliana va avea o turatie

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

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

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

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

    38

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    39/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Puterea asociata acestei energii cinetice este:

    3

    2

    1vSCP pturbina = in care:

    WPturbina 80,770803,825,13,02

    1 3==

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

    Totusi, aceasta putere nu poate fi recuperata in totalitate, deoarece o parteeste necesara pentru evacuarea aerului care a efectuat lucru mecanic asupra

    palelor turbinei. Se introduce coeficientul de putere (de performanta) al turbine Cp,rezultnd puterea mecanica la arborele turbinei.

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

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

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

    exprimat si ca:

    adisponibil

    turbinamecp

    P

    PC .=

    WC

    PP

    p

    turbinamecadisponibil 3,2569

    3,0

    8,770.===

    39

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    40/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    3.1. Predimensionarea arborelui de intrare

    3.1.1 Calculul puterii electrice necesare la iesirea din turbina

    itotale PP =

    7125,095,075,0 === electricmecanictotal

    75,0=mecanic

    95,0=electric

    [ ][ ] [ ] [ ]

    [ ]3

    1309,2 10 kWh1309,2 kWh/luna 0,505 Wh/sec

    30 zile 24 ore 3600 secconsumE

    = = =

    [ ]

    [ ][ ] [ ]

    [ ]

    i

    0,505 Ws 0,5050,5 W P 0,708 W

    1 sec 0,7125

    t 1 sec

    consum ee

    total

    E PP

    t = = = = = =

    =

    3.1.2 Calculul mometului de torsiune

    [ ]

    30 30 0, 708

    13,522 N m130

    60

    i

    tt

    P

    M n

    = = =

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

    3.1.3 Predimensionarea arborelui de intrare din conditia de rezistenta larasucire

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

    [ ] [ ]331 1316 16 13522 16

    5, 09 mm 25 mm520

    STASt t

    a

    i a

    M Md d

    d

    = = = =

    3.2. Proiectarea multiplicatorului armonic

    40

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    41/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    3.2.1. Predimensionarea elementului elastic din conditia de rezistenta laoboseala

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

    Nk

    z

    zz

    zi

    z

    e

    er

    er

    ge =

    =

    Fig 3.3. Sectiune element elastic

    [ ] [ ]100;

    100 200 dinti 202 dinti

    22;

    r

    ge ee r

    r e

    i zz z

    z z

    = = = =

    = 2. Diametrul interior al cilindrului elementului elastic

    [ ] [ ]

    2

    3 1

    53

    0,456

    3

    0,456 13522

    520 3 2 10 1,5 0,0140, 2 0,014

    2 1,7 100

    43,38 mm 52 mm

    ti

    z sd bd sd r

    ge

    i

    STAS

    i i

    Md

    E Y

    k c i

    d

    d d

    =

    =

    = =

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

    41

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    42/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

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

    2,0=bd ; 014,0=sd

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

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

    8. Grosimea obadei rotii elastice

    [ ]1 0,014 52 0,728 mm sd is d= = =

    9. Modulul rotii dintate,

    [ ]52 0, 26 0, 28 mm200

    STASi

    e

    dmz

    = = =

    3.2.2. Calculul elementelor geometrice ale rotii elastice

    Fig.3.4. Schita roata elastica

    1. Diametrul de picior al rotii elastice

    42

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    43/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    2. Coeficientii de deplasare ai profilului rotii scula, respectiv ai rotii elasticex01,xe

    [ ]*

    0 0 001

    2 41, 25 144 2 1,50,16 mm

    2 2 2 0, 28 2

    a ad z h

    xm

    + + = = =

    ( )

    ( ) [ ]

    001 01

    01 01 01

    2 tan

    200 144

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

    tan 0, 009

    tan 0, 015

    ee w

    e

    w w w

    z z x inv inv x

    x

    inv

    inv

    +=

    += =

    = =

    = =

    3.2.3. Determinarea elementelor geometrice ale rotii dintate rigide

    1. Diametrul de picior al rotii rigide

    ( ) ( ) [ ]02 02 0, 5 2 8, 03 0, 5 41, 25 57, 31 fr w ad a d= + = + =

    2. Diametrul de cap al rotii rigide

    [ ]

    02 2 2

    54,58 2 1,41 2 0,28 2 0,05 0,28 56,81 mm

    ar ae n d

    ar

    d d w h x m

    d

    = +

    = + =

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

    3.2.4. Verificarea lipsei interferentei

    1. Diametrul cercului inceputurilor evolventice pentru roata elastica

    [ ]cos 0,94

    0, 28 200 53,88 mmcos 0,97

    le e

    le

    d m z

    = = =

    43

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    44/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    2. Diametrul cercului inceputurilor evolventice pentru roata rigida

    [ ]cos 0,94

    0, 28 202 54,712 mmcos 0,97

    lr r

    lr

    d m z

    = = =

    3. Conditiile lipsei interferentei

    0

    0

    2

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

    2

    56,81 53,88 2 1, 41 0,05(Adevarat)

    ae lr n

    ar le n

    d d w

    d d w x

    +

    +

    +

    +

    4. Diametrul cercului de baza al rotii elastice

    [ ]cos 0, 28 200 cos 20 52, 62 mmbe ed m z = = =

    5. Diametrul cercului de baza al rotii rigide

    [ ]cos 0, 28 202 cos 20 53,15 mmbr rd m z = = =

    44

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    45/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Capitolul IV : Proiectarea sistemului electric pentru o eolianade mica putere

    4.1. Generatorul

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

    Fig. 4.1. Componenta sistemului electric

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

    Bidirectionalitatea CSTF asigura functionarea atat in zona hiposincrona (subcaracteristica mecanica naturala), ct si in cea hipersincrona (deasupracaracteristicii mecanice naturale) si controlul energiei reactive vehiculate cu reteauade distributie.

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

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

    45

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    46/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Fig. 4.2. Diagrama putere viteza vantului

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

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

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

    utilizeaza convertoare statice de tensiune si frecventa (CSTF).

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

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

    46

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    47/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Dimensionarea unui sistem eolian pentru un consumator izolat are ca

    obiectiv realizarea unei conversii de putere a parametrilor electrici variabili preluatide la bornele generatorului eolian, in parametri constanti stabilizati oferiticonsumatorului final. Sistemul eolian prezentat are in componenta un generator detensiune, un etaj invertor de tensiune (24-220 V) si instalatia de automatizareaferenta, dupa cum se arata in schema bloc din figura 4.3. In cele ce urmeaza, sevor detalia componentele etajului invertor.

    Schema bloc este alcatuita din:

    Stabilizator de tensiune;

    Redresor de tensiune; Invertor de tensiune;

    Schema de selectare automata a sursei de alimentare a invertorului.

    Aceasta schema a fost adoptata pe baza urmatoarelor criterii:

    Necesitatea stabilizarii tensiunii variabile preluate de la generator;

    Folosirea unui banc de baterii pentru continuitatea alimentarii cutensiune in cazul in care generatorul nu functioneaza;

    Convertirea tensiunii preluate de la generator/baterii trebuie sa se facala anumiti parametri de calitate (valoarea tensiunii de iesire sa varieze maxim cu

    10%, valoarea frecventei tensiunii de iesire sa varieze cu maxim 1%); In cazul in care parametrii de iesire ai invertorului de tensiune nu mai

    corespund limitelor admise, sa se faca comutarea automata pe sistemul national dedistributie;

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

    47

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    48/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig.4.3. Sistemul electric - schema bloc

    48

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    49/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Principalii parametri de functionare ai etajului de putere sunt:

    Tensiune de intrare: 24V curent continuu;

    Tensiune de iesire: 220V curent alternativ 10%;

    Frecventa tensiunii de iesire: 50 Hz 1%; Puterea nominala continua: 2500 W (3125 VA) pe sarcina rezistiva.

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

    Dimensionarea si realizarea stabilizatorului de tensiune;

    Dimensionarea si realizarea redresorului de tensiune;

    Dimensionarea, alegerea componentelor si realizarea invertorului detensiune;

    Extragerea de concluzii pe baza montajului realizat si principalelorforme de unda ale acestuia.

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

    Datorita modului de constructie, singura diferenta fata de un etaj invertor deo putere mai mare o constituie magnitudinea curentilor de circulatie, principaleletensiuni ramnnd aceleasi, putndu-se astfel aproxima o scalare de la puterea de2.5 kW la puterea de 6 kW.

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

    Peste 6 kW, se considera inoportuna folosirea unei tensiuni de intrare de24V, datorita curentilor mari care apar la intrarea invertorului de tensiune,recomandndu-se folosirea unui etaj indermediar convertor cc-cc pentru mentinereain limite acceptabile a valorilor curentilor de intrare, sau cresterea tensiunii deintrare a invertorului.

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

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

    49

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    50/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Datorita acestei rezistente interne foarte mici, se reduce interactiuneanedorita dintre diversii consumatori care se alimenteaza in paralel de la aceeasisursa de alimentare, evitnd astfel producerea unor perturbatii grave in functionareaacestora.

    Folosirea stabilizatoarelor este necesara si in cazul alimentarii multora dintre

    schemele electrice a caror functionare corecta implica o tensiune de alimentarementinuta riguros intre anumite abateri maximum admisibile.

    Problema stabilizarii tensiunii de alimentare se pune in mod deosebit in cazulaparatelor electronice de masura, a caror precizie de masurare este sensibilinfluentata de stabilitatea tensiunii de alimentare.

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

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

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

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

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

    Parametrii principali:

    Tensiune de intrare: 25-35 V

    Tensiune de iesire: 24 V

    Curent maxim: 40A

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

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

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

    Pentru realizarea stabilizarii tensiunii de iesire la variatiile att ale tensiuniide intrare, ct si a sarcinii conectate, s-a folosit amplificatorul operational de mareprecizie LM308. Aceasta reglare se face prin setarea unei tensiuni de referinta peintrarea neinversoare (pinul 3) prin intermediul rezistentei R5 si a potentiometruluiTR1.

    50

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    51/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Datorita limitarii tensiunii de alimentare a circuitului integrat LM308 intre 2 si20V, s-a introdus un stabilizator de tensiune LM7818, pentru a alimentaamplificatorul operational LM308 la o tensiune constanta de 18V, si a asigura astfelprecizia necesara.

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

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

    Montajul mai contine si un led rosu inseriat cu o rezistenta R10, montate laiesirea stabilizatorului, cu scopul semnalarii prezentei tensiunii.De notat si faptul ca cele 5 rezistente de 0,1 montate in serie cu circuitele

    LM se vor pozitiona la distanta fata de cablajul imprimat, deoarece disipa destul demulta caldura in timpul functionarii, riscnd deteriorarea circuitelor. De asemenea,se va lua in considerare si valoarea mare a curentilor vehiculati prin montaj,legaturile fiind facute cu conductori dimensionati sa suporte cel putin 40A in modcontinuu (se pot lega in paralel doua conductoare de 4mm).

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

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

    51

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    52/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Fig. 4.4. Schema ansamblu stabilizator de tensiune

    52

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    53/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    - necomandate - realizate numai cu diode;

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

    Redresoarele necomandate asigura la iesire o tensiune continua de valoaremedie constanta. Redresoarele semicomandate si comandate asigura la iesire otensiune continua reglabila.

    Redresoarele pot fi cu sau fara transformator. Cele fara transformator secaracterizeaza prin simplitate, gabarit mic si pret redus. Desi prezinta acesteavantaje, redresoarele fara transformator sunt utilizate pe scara redusa.Introducerea transformatorului in circuitul energetic al redresoarelor permiterezolvarea urmatoarelor probleme:

    transformarea tensiunii sursei, astfel inct sa fie in concordanta cu

    tensiunea receptorului; transformarea numarului de faze (marirea numarului de faze) in scopul

    netezirii tensiunii si a curentului redresat;

    obtinerea punctului de nul pentru circuitele de redresare cuconexiunea in stea;

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

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

    T1, puntea redresoare D1, tiristorii Q1 si Q2, potentiometrul R3. Modul de functionareeste destul de simplu: din potentiometrul R3 se seteaza o valoare limita a tensiunii

    de incarcare a bateriei 28,5V, pentru baterii de 24V. In momentul conectariibateriei de incarcat (se considera ca aceasta este sub limita de incarcare), poartatiristorului Q1 este polarizata, iar acesta intra in conductie, incarcnd bateriaconectata intre bornele + si - . Odata ce valoarea tensiunii bateriei a ajuns la pragulstabilit de potentiometrul R3, dioda zenner D3 se deschide, provocnd intrarea inconductie a tiristorului Q2, determinnd astfel o tensiune inversa destul de mare peterminalele primului tiristor pentru a-l bloca. Primul tiristor ramane in aceasta stareatt timp ct bateria are o valoare mai mare dect referinta impusa depotentiometrul R3.

    Limitarea curentului la acest redresor este impusa doar de putereatransformatorului, dimensionarea puntii redresoare si de parametrii nominali ai

    tiristoarelor. Alegerea componentelor se face tinnd seama de curentul de incarcarepe care vrem sa il aplicam acumulatorilor. Rezulta ca pentru un curent de incarcarede 2A, transformatorul trebuie sa fie dimensionat la o putere aparenta de 100VA.De asemenea, puntea redresoare trebuie sa fie aleasa la un amperaj superior celuinecesar, in circuitul prezent fiind aleasa de 10A la 100V, pentru a lucra intr-un regimtermic normal (~300C).

    53

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    54/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Pentru a putea lucra in mod constant cu un curent de 2A, tiristorul Q 1 a fostales ca fiind de tipul TYN808 (8A la 80V), iar cel de-al doilea tiristor de tip BT151(2A la 500V).

    Pentru a semnala incarcarea completa, montajul a fost prevazut cu un ledindicator de 24V/2W, care se aprinde in momentul iesirii din conductie a tiristorului

    Q1. Acest redresor va fi incorporat in invertorul de tensiune, intrnd automat infunctie in momentul trecerii pe sistemul de distributie national.

    Al doilea redresor, care asigura incarcarea bateriei pe durata functionariigeneratorului, este identic cu primul redresor, singurele modificari constnd ineliminarea transformatorului de tensiune si a puntii redresoare, precum siadaugarea unui condensator de 2200 F/63V, pentru a putea minimiza efectelevariatiei de tensiune de intrare.

    Figura 4.5. Schema electrica redresor

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

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

    54

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    55/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

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

    Fig. 4.6. Schema generala invertor

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

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

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

    55

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    56/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Forma tensiunii de iesire este de fapt un sir de impulsuri dreptunghiularealternative. Totusi, latimea pulsurilor si spatiul dintre ele sunt alese in asa fel inctmedia lor sa fie egala cu tensiunea de 220 V. Foma de unda rezultanta se numestesinusoida modificata, multe din echipamentele obisnuite putnd sa functioneze inparametri normali. Dezavantajul consta in faptul ca tensiunea de iesire nu contine

    doar armonica principala, ci si pe cele de rang superior, unele echipamente fiindnefunctionale datorita acestora.

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

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

    Unele tipuri de invertoare au incorporat un pornitor pentru a permiteechipamentelor de tip motor sa porneasca fara a intra in regim de protectie

    automata (curentul de pornire al acestor echipamente fiind de aproximativIp = 3...10 In ).Chiar si in cazurile acestea, multe aplicatii nu sunt compatibile cu

    invertoarele de tensiune, deoarece curentul de pornire necesar este mult pesteposibilitatile de generare ale invertorului, existnd pericolul defectarii acestuia.

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

    Datorita componentelor inductive, se produc vrfuri de tensiune care pot fitransferate prin intermediul transformatorului de putere mosfet-urilor care realizeazaconversia de energie.

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

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

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

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

    56

  • 8/3/2019 Proiectarea Unei Centrale Eoliene

    57/73

    Proiectarea unei centrale eoliene pentru alimentareaunui consumator izolat

    Specificatii:

    Tensiune de intrare: 24Vcc

    Tensiune de iesire: 220Vca 50Hz

    Putere nominala: 2500 VADatorita comenzii bancurilor de mosfet-uri in unda qvasirectangulara, forma

    de iesire a tensiunii invertorului este de tip sinusoida modificata, invertorul putndfi folosit in domenii de sensibilitate redusa, nerecomandndu-se folosirea pentruaparataj medical, de precizie ridicata sau in sisteme de etalonare.

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

    ADC0831, trei stabilizatoare de tensiune de 5, 6 si 12 Vcc pentru alimentareacircuitelor integrate din sistem si producerea valorilor de referinta pentru etajele desuprasarcina si de reglare, si, cel mai important, dintr-un microcontroler PIC16F84.Fata de proiectele clasice cu circiute integrate, acest modul are un avantaj si undezavantaj principal: avantajul consta in faptul ca realizarea fizica a modulului de

    comanda necesita foarte putine componente, reducnd astfel costurile implicite, iardezavantajul consta in faptul ca microcontrollerul necesita un program elaborat(prezentat in punctul 5.3.1) pentru comanda mosfet-urilor si realizarea functiilor deprotectie la suprasarcina si ajustare automata a frecventei si tensiunii de iesire. Sepoate considera ca acest program este cel mai important factor din cadrulinvertorului.

    Functionarea modulului de comandaIn momentul alimentarii circuitelor invertorului, tensiunea de iesire generata

    in prima faza modulul de putere este sesizata de etajul detector de tensiune, formatdintr-un transformator T2 (avnd rol si de separatie galvanica) auxiliar conectat la

    iesirea invertorului, avnd o tensiune de iesire de 9Vca. Aceasta tensiune esteredresata de o dioda 1N4001, si apoi integrata de un condensator de 10F. Prinesantionarea in acelasi punct al pantei tensiunii alternative, microcontrolerul areposibilitatea de a estima valoarea tensiunii de iesire prin intermediul convertoruluipe 8 biti ADC0831. Acest tip de convertor a fost ales pentru modul de lucru serial,necesitnd doar o intrare de 3 pini la nivelul microcontrolerului (18 pini), marindastfel posibilitatile de lucru ale acestuia. Valoarea tensiunii de iesire este masuratacu o aproximatie de 2,