48159904-negreaionela

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOVFACULTATEA DE INGINERIE TEHNOLOGIC CATEDRA DESIGN DE PRODUS I ROBOTIC

Ing. Ionela NEGREA

STUDIUL ADAPTABILITII TURBINELOR EOLIENE DE MIC PUTERE LA CONDIIILE CLIMATICE DIN ROMNIA ADAPTABILITY STUDY OF SMALL WIND TURBINES AT THE CLIMATIC CONDITION FROM ROMANIA - Rezumatul tezei de doctorat Conductor tiinific Prof. Univ. Dr. Ing. Ion VIA

Braov2010

MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI I SPORTULUI

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV BRAOV, B-dul EROILOR, Nr. 29, 500036 Tel. 0268413000, Fax.+40-0268410525

D-nei/lui.

COMPONENA Comisiei de doctorat Numit prin Ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov 4 222/28.09.2010 PREEDINTE Prof. univ. dr. ing. Noura Barbu LUPULESCU Decan - Facultatea de Inginerie Tehnologic Universitatea Transilvania din Braov CONDUCTOR TIINIFIC Prof. univ. dr. ing. Ion VIAREFERENI TIINIFICI

Prof. univ. dr. ing. Mtie VISTRIAN Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca Cercet. t. gr. I, dr. fiz. Dan Ilie TEODOREANU Institutul de Cercetri Electrotehnice Bucureti Prof. univ. dr. ing. Dorin DIACONESCU Universitatea Transilvania din Braov

Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 26 noiembrie 2010, ora 11:00, Colina Universitii, corp E, sala E.II.4 (Casua Solar)

Eventualele aprecieri i observaii asupra lucrrii v rugm s le transmitei n timp util pe adresa Universitii Transilania din Braov sau pe adresa de e-mail:

[email protected]

Studiul adaptabilitii turbinelor eoliene de mic putere la condiiile climatice din Romnia

CUPRINSPag. Pag. Tez Rez 1 3 4 4 4 7 10 13 22 23 27 29 37 38 42 58 59 60 60 66 66 69 74 77 79 79 85 89 91 92 98 102 103 103 112 4 4 4 6 6 7 7 1 3 14 15 1 5 1 6 16 16 17 19 20 20 24 26 27 27 28 29 30 30 37

Precizri.......................................................................................................................... 1. Stadiul actual n dezvoltarea turbinelor eoliene i identificarea obiectivelor tezei referitoare la turbinele eoliene de mic putere................................................... 1.1.Energia eolian.................................................................................................... 1.1.1.Clasificarea vnturilor................................................................................ 1.1.2. Caracteristicile vntului............................................................................ 1.1.3. Instrumente de msur.............................................................................. 1.1.4. Varaia vitezei vntului n Europa i n Romnia..................................... 1.2. Sisteme de conversie a energiei eoliene............................................................. 1.2.1. Istoria turbinelor eoliene........................................................................... 1.2.2. Mrimi caracteristice ale vitezei vntului................................................. 1.2.3. Clasificarea sistemelor de conversie a energiei eoliene............................ 1.3. Turbine eoliene de mic putere.......................................................................... 1.3.1. Turbine eoliene de mic putere cu ax vertical.......................................... 1.3.2. Turbine eoliene de mic putere cu ax orizontal........................................ 1.4. Concluzii asupra stadiului actual........................................................................ 1.5. Obiectivele tezei................................................................................................. 2. Conceperea rotorului turbinei eoliene de mic putere........................................... 2.1. Conceptul general al rotorului turbinei eoliene.................................................. 2.2.Conceptul palelor................................................................................................. 2.2.1. Materialele din care sunt realizate profilele de pal.................................. 2.2.2. Definirea profilelor de pal propuse......................................................... 2.3. Optimizarea conceptual a obadei turbinei eoliene........................................... 2.4. Concluzii i contribuii originale....................................................................... 3. Model de calcul pentru ncrcarea palelor turbinei eoliene si verificarea rezistenei palelor........................................................................................................... 3.1. Modelarea ncrcrii unei pale........................................................................... 3.2. Analiza deformaiilor i tensiunilor din palele rotorului prin MEF................... 3.4. Concluzii i contribuii originale........................................................................ 4. Conceperea i realizarea standului experimental i a programului de testri..... 4.1. Structura standului.............................................................................................. 4.2. Programul de testri............................................................................................ 4.3. Concluzii i contribuii originale........................................................................ 5. Testarea i prelucrarea rezultatelor obinute.......................................................... 5.1. Prelucrarea i optimizarea rezultatelor............................................................... 5.2. Concluzii i contribuii originale........................................................................ 1


6. Conceperea i realizarea unui kit eolian didactic ca instalaie amovibil de laborator......................................................................................................................... 6.1. Structura kitului eolian didactic.......................................................................... 6.2. Comparaia rezultatelor ntre standul de testri i kitul eolian didactic............. 6.3. Lucrare de laborator, privind conversia energiei eoliene n energie electric, bazat pe kitul eolian propus..................................................................................... 6.4. Concluzii i contribuii originale........................................................................ 7. Concluzii finale, contribuii i diseminarea rezultatelor....................................... 7.1. Concluzii finale i contribuii.............................................................................. 7.2. Diseminarea rezultatelor..................................................................................... Bibliografie..................................................................................................................... Bibliografie selectiv .... Rezumat.. Summary ........................................ Curriculum vitae............................................ Curriculum vitae (eng.) ....

114 114 116 128 134 136 136 142 143

39 39 40 42 4 4 44 4 7 4 9 5 3 5 3 5 4 5

Not: Pentru capitole, subcapitole, figuri i relaii n rezumat s-au pstrat numerele de ordine din tez

2


PRECIZRIn contextul noii ere energetice i a noilor tehnologii, care au cunoscut o tot mai mare dezvoltare, a crescut interesul pentru reducerea, prin intermediul surselor de energii regenerabile, a consumului de combustibili fosili i implicit a polurii. O direcie reprezentativ n cadrul domeniului utilizrii surselor de energie regenerabil se refer la conversia energiei eoliene n energie electric, bazat pe utilizarea de turbine eoliene; dezvoltarea acestor sisteme de conversie a condus la identificarea de noi soluii inovative caracterizate prin eficien ridicat, costuri reduse, fiabilitate i adaptabilitate la condiiile de implementare. Lucrarea elaborat are ca principal obiectiv conceperea, realizarea i optimizarea unui rotor de turbin eolian de mic putere care s porneasc la viteze reduse ale vntului (sub 3 m/s), specific zonelor de implementare cu potenial eolian redus, caracterizat prin tehnologie simpl, pre de cost sczut i o ntreinere uoar. Aria de cercetare a acestui program de doctorat se nscrie n domeniile prioritare de cercetare stabilite la nivel european, prin programul FP7, i se ncadreaz n aria tematic Energie, subaria tematic Producerea de electriciate din surse regenerabile. * * * Aduc mulumiri conductorului tiinific, Prof. Univ. Dr. Ing. Ion VIA, pentru sprijinul continu, pentru oportunitile de dezvoltare profesional pe care mi le-a oferit. De asemenea aduc mulumiri domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Dorin DIACONESCU pentru sprijinul i suportul profesional deosebit i domnului Ing. Ioan OU, director Centru de Tehnologii, Inventic i Busines pentru ajutorul acordat la dezvoltarea instalaiei experimental. Muumiri adresez tuturor colegilor de catedr i din Departamentul de Cercetare tiinific pentru sprijinul moral i profesional. Mulumiri adresez de asemenea i familiei, care m-a ncurajat i susinut pe toat perioada tezei.

3


1. Stadiul actual n dezvoltarea turbinelor eoliene i identificarea obiectivelor tezei referitoare la turbinele eoliene de mic puteren acest capitol se prezint stadiul actual privind dezvoltarea turbinelor eoliene destinate producerii de electricitate i, n funcie de limitele identificate, se stabilesc obiectivele tezei. 1.1. Energia eolian O surs important de energie, folosit nc din antichitate, este energia eolian generat prin nclzirea inegal a straturilor de aer (fig. 1.1) [ILN1984], [***1], [***2].

Fig. 1.1. Schema distribuiei radiaiei solare n atmosfer, prelucrare dup [ILN1984] Masa de aer rece cu presiune ridicat se ndreapt spre zonele mai nclzite unde presiunea este mai redus [ILN1984]. Micrile aerului pot fi: orizontale, verticale i nclinate; micarea orizontal i aproximativ orizontal (a aerului) este numit vnt, iar micrile pe vertical i nclinate ale aerului se numesc cureni. 1.1.4. Variaia vitezei vntului n Europa i n Romnia O hart a energiei vntului n Europa a fost dat de Department of Civil and Environmental Engineering, Stanford University, California, USA, n anul 2000, conform creia, cel mai mare potenial eolian din Europa se afl n zona nordic a Franei, Belgiei, Germaniei, Spaniei, Olandei, Marii Britanie i a Danemarcei. ara noastr, situat ntr-o zon de interferen a maselor de aer cu contraste termobarice ridicate, dispune n ansamblu de un potenial energetic eolian bun. Configuraia reliefului, care compartimenteaz teritoriul rii, imprim modificri evidente ale vitezei vntului de la o regiune la alta, determinnd o repartiie neuniform a sa. O hart a potenialului eolian a fost publicat de ICEMENERG n anul 2007 (fig. 1.13), din care se pot trage unele concluzii privind eventualele amplasamente ale turbinelor eoliene: n zonele 4


muntoase nalte viteza medie a vntului este de peste 8,5 m/s; n zona Mrii Negre ct i a Litoralului viteza medie a vntului este de peste 7-8 m/s. [***10]

Fig. 1.13. Viteza vntului n Romnia [***10] Pentru a se putea indentifica tipul de sistem performant, capabil s funcioneze la viteze reduse ale vntului s-a determinat media numrului de ore/lun cu vnt pentru zona Braov, pe perioada anilor 2006, 2007, 2008 i 2009. n funcie de aceste valori s-a calculat numrul de ore/an cu vnt 0-2 m/s, 2-3 m/s, 3-4 m/s. n fig. 1.26 sunt reprezentate mediile i procentul orelor anuale cu vnt, specific zonei Colinei Universitii. n concluzie, n zona analizat putem spune c, de regul viteza vntului este sub 2 m/s (8183% din timp), n timp ce viteze superioare la 2 m/s sunt n procente foarte mici (16-18%). Ca urmare, folosirea de centrale eoliene n astfel de zone devine eficient dac ele ncep s funcioneze la capacitate proiectat nc de la aceste viteze mici ale vntului.

Fig. 1.26. Mediile procentuale ale orelor anuale cu vnt pe perioada 2006-2009 5

Mori de v?nt Iriga?ii

Turbine eoliene (Generator eolian, Aerogenerator, Convert Independente de re?eaua electric?


Legate la re?eaua electric? Vase pentru naviga?ie 1.2. Sisteme de conversie a energiei eoliene n fig. 1.27 se prezint schema privind conversia energiei eoliene n energie mecanic i electric, cu evidenierea unor aplicaii reprezentative. Energia eolian s-a folosit de mii de ani; la nceput energia mecanic preluat de la vnt era folosit de vasele de navigaie, pentru pomparea apei, pentru irigaii i de morile de vnt pentru mcinarea grnelor, [BOD2007]. Mai trziu aceast energie mecanic s-a transformat n energie electric cu ajutorul turbinelor eoliene (morile de vnt moderne) care puteau fi legate la reeaua de curent electric. Energia eolian

Energia mecanic

Energia electric Fig. 1.27. Schema conversiei energiei 1.2.3. Clasificarea sistemelor de conversie a energiei eoliene Sistemele care realizeaz conversia energiei eolian n energie electric sunt turbinele eoliene. Elese clasific n funcie de poziia axului, astfel: 1) Turbine eoliene cu ax orizontal, au axul rotorului aezat pe orizontal. n prezent sunt cele mai variate din punct de vedere constructiv i cele mai rspndite. Acestea pot avea de la 1 pn la 18 pale, cele cu una, dou i trei pale sunt turbine rapide i cu pale multiple, (mai mult de 3 pale) sunt turbine lente (fig. 1.29) [BOE2004], [ILN1984], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008].

Fig. 1.29. Clasificarea turbinelor eoliene cu ax orizontal, a o pal, b dou pale, c trei pale, 6


2)

d cu pale multiple Turbine eoliene cu ax vertical, au axul rotorului aezat pe vertical. Cele mai rspndite sunt turbinele Darrieus, Savonius, Musgrove, Evence cu dou sau trei pale subiri aerodinamice ncastrate de un ax vertical, i Savonius cu dou pale cu profil aerodinamic fixate de axul vertical. Avantajul lor este n principal acela c rotorul acestora nu trebuie orientat dup vnt (fig. 1.30). Dezavantajul lor este c nu pot fi amplasate pe stlpi la nlime, ca urmare beneficiaz de vntul de la nivelul solului pn la 50m nlime. [BOE2004], [ILN1984], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008]

Fig. 1.30. Clasificarea turbinelor eoliene cu ax vertical, a Darrieus, b Savonius, c Evence, d - Musgrove Turbinele eoliene se clasific dup puterea electric furnizat, astfel: Turbine de putere mic (sub 100kW) utilizate n general pentru uz casnic, agricol, etc.; Turbine de putere medie i mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice n reea [BOE2004], [ILN1984], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008], [SLG2009]. 1.3. Turbine eoliene de mic putere Turbinele eoliene de mic putere au fost i sunt folosite pentru necesitile energetice proprii ale consumatorilor. Datorit costului redus i al modului de ntreinere uor, comercializarea lor se extinde din ce n ce mai mult, fiind utilizate pentru alimentarea cu energie electric a utilizatorilor izolai, care nu sunt conectai la reeaua de energie electric sau pentru funcionaliti diverse n mediul construit. O turbin eolian de mic putere se definete ca un sistem de conversie al energiei mecanice, preluat de la vnt, n energie electric, cu putere de pn la 100 de kW [BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984]. 1.3.2. Turbine eoliene de mic putere cu ax orizontal Turbinele eoliene cu ax orizontal exist ntr-o varietate larg de soluii constructive i sunt caracterizate printr-un coeficient de putere apropiat de limita lui Betz (0,593). Aceste turbine au fost printre primele soluii utilizate pentru satisfacerea nevoilor personale i ale comunitii. Astzi sunt 7


utilizate din ce n ce mai mult, datorit eficienei mrite a conversiei energiei electrice n comparaie cu turbinele eoliene de mic putere cu ax vertical. Axul principal al rotorului turbinelor de acest tip este poziionat pe orizontal, astfel nct palele rotorului s fie perpendiculare pe acesta. Turbina eolian este orintat n amonte, adic cu vnt ascendent, din faa turbinei, palele sunt rigide, iar rotorul este orientat pe direcia vntului. Prile componente ale acestor turbine sunt prezentate n figura 1.34. n tabelul 1.10. sunt prezentate n detaliu parile componente [BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984], [TD1], [MAM2002], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008] [ITF2010], [WRW2004], [NAN2009], [HHK2009], [CLW1999].

Fig. 1.34. Prile componente ale turbinelor eoliene de mic putere cu ax orizontal Tabel 1.10

Nr. Pri crt componente 1Rotor

DescriereRotorul este format din arborele principal i pale. Palele sunt n general n numr de trei, sunt realizate din compozite armate cu fibr de sticl, mase plastice, metal sau lemn i sunt de form aerodinamic. Suprafaa acoperit de pale ntr-o rotaie complet determin puterea generat de sistem. Arborele principal este poziionat pe orizontal. Generatorul/alternatorul este cuplat direct de arborele principal al turbinei i, la rotirea rotorului produce energie electric. Dac sistemul este construit cu generator atunci curentul produs de turbin este continuu, dac este echipat cu alternator curentul produs de turbin este alternativ. Cutia de viteze este folosit la turbinele eoliene de mic putere cu puteri peste 10 kW. Are rolul de a regla viteza de rotaie a rotorului. Nacela este o carcas care include generatorul i cutia de viteze. 8

2 34

Generator/ alternator Cutie de viteze Nacela


Tabel 1.10 (continuare)

Nr.crt5

Pri componenteSistem de orientare Sistemul de control i protecie Turnul

DescriereAre rolul de a orienta turbina pe direcia vntului. Multe turbine de mic putere folosesc un sistem simplu, cu coad tip giruet, care se orientez pe direcia vntului. Dac sistemul este poziionat n aval, adic vntul sufl n spatele palelor, rotorul se auto orienteaz pe direcia vntului. Complexitatea acestui sistem depinde de tipul turbinei eoliene i de capacitatea acesteia. [NAN2009] Turnul susine sistemul de orientare, nacela i rotorul turbinei eoliene. Trebuie proiectat i realizat astfel nct s reziste la condiiile climatice nefavorabile, ca vnturile extreme, grindina, vijelii, din oel. Exist cteva tipuri de soluii constructive de turnuri, printre care: Turn nclinat (conduct) este utilizat pentru sisteme care produc sub 1kW. Turnul ancorat este mai ieftin, de obicei este de tipul turn nclinat. Acest turn are nevoie de o suprafa destul de mare de ancorare, pentru a fi ct mai bine fixat. Turnul consolidat la baz prin fundaie este de obicei de form cilindric sau de tip grind cu zbrele. Sunt mult mai rezistente dect celelalte, ns au un cost mai ridicat i pentru

6 7

[BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984], [TD1], [MAM2002], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008] [ITF2010], [BIP2008], [WAC2001], [NAN2009], [HHK2005], [CLW1999] Mrimile caracteristice turbinelor eoliene de mic putere au fost definite n subcapitolul 1.2: rapiditatea , coeficienii de putere i moment, CP i Cm, turaia n i puterea P a turbinei. Turbinele eoliene de mic putere ca i cele de mare putere utilizeaz frecvent profile cu trei pale, de form aerodinamic. La mrirea numrului de pale rapiditatea se mrete, implicit i coeficientul de putere i moment al turbinei [BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984], [MAM2002], [GAT2002], [SAH2006]. Noi soluii constructive de turbine eoliene de mic putere s-au realizat ca brevet de invenie i nu numai. n cele ce urmeaz sunt prezentate cteva dintre acestea cu avantajele i dezavantajele lor. 1) Turbina eoliana cu vele brevet de invenie nr. US 4208168 i RO RO118723, autor Gutanu Mihai, Bucureti, Romnia, 2003. Turbina eolian cu vele este format dintr-un ax, un schelet cilindric liber sau fixat pe ax i vele triunghiulare care capteaz energia vntului, similare velelor de ambarcaiuni, avnd pe conturul exterior bare verticale; iar n planul bazei superior bare orizontale i o volant, astfel nct s permit montarea velelor verticale; manevrarea velelor se realizeaz n mod automat sub aciunea cumulat a forei centrifuge i a vntului astfel nct fiecare vel utilizeaz vnt de pupa, vnt larg, vnt strns i vnt n vnt (fig. 1.35.a). Turbina eolian cu vele prezint ca principal dezavantaj gradul ridicat de complexitate la fixarea palelor n butuc; viteza de pornire este de 4 m/s. [B4] 2) Rotor eolian, pentru vnt cu intensitate redus - brevet de invenie nr. RO 122051 B1, autori Cristea Gheorghe, Teodoreanu Dan, Sontea Stefan, ICPE, Bucureti, Romnia, 2008. O alt soluie de rotor pentru turbine eoliene care funcioneaz la viteze reduse ale vtului, 9


este alctuit dintr-un arbore (1) pe care sunt ncastrate radial pachete de pale elastice (2), de tip arc cu foi de lungimi inegale, dispuse sub form de steag (coas) i nclinate cu unghiuri ntre 5 - 40. Rotorul pentru turbina eolian menionat prezint ca principale dezavantaje: rezisten mecanic relativ redus a palelor i gradul relativ ridicat de complexitate privind ncastrarea pachetelor de pale pe cozi de steag (coas) i a cozilor cu arborele (fig. 1.35.b). [B1] 3) Roat eolian, brevet DE 3210405 (A1) - soluia de turbin eolian este constituit dintr-un arbore central tubular care este rigidizat, prin mai multe rnduri de spie de srm dispuse nclinat (axial i circumferenial), cu un trunchi de con cu zbrele, format din 2 inele rigidizate ntre ele cu ajutorul unor spie subiri (nclinate, n ambele sensuri, fa de generatoarele trunchiului de con) i a unor profile tubulare (dispuse dup generatoare), pe care sunt montate aripi profilate cu deschidere controlat; aceast soluie are ca principal dezavantaj gradul ridicat de complexitate structural i constructiv (fig. 1.35.c). [B11] 4) Turbina eolian multipl tip roat de biciclet - Rotorul acestei turbine este compus dintr-o obad periferic 1 din tabl rulat sau eav profilat, concentric fa de axa de rotaie prin spiele 2 care constituie n acelai timp i palele turbinei. Spiele sunt palele turbinei realizate din oel (aliaj de aluminiu), sunt relativ nguste cu profil aerodinamic n form de arc de cerc. La ceast turbin se poate elimina multiplicatorul de turaie, energia se capteaz de la periferia obezii 1 printro curea sau rol de friciune (fig. 1.35.d). Generatorul este plasat n partea inferioar a rotorului i se orienteaz mpreun cu acesta, soluia este specific turbinele lente de mic putere (pn la 6 kW). [ILN1984], [GAT2002] 5)Turbina eolian - Berwian - departamentul de bionic i evoluia tehnicii TU Berlin au construit turbina BERWIAN. Palele sunt fixate la mijloc printr-un inel i de butuc prin bare de fixare. Palele au form aerodinamic, se utilizeaz n numr mare 6 - 9. Puterea de 5 KW, D rotor de 2m, V pornire de 3 m/s (fig.1.35.e). [GAT2002], [SAH2006] 6) O alt soluie de turbin eolian, este Maina de putere eolian, brevet GB 2441392 A/2006, format din dou roi 3 i 4, cu o ax comun de revoluie de susinere, fiecare roat include o serie de pale 2, de form triunghiular plan, care sunt fixate ntre obada roii 1 i butucul acesteia 6, palele se rotesc radial, avnd pas variabil. Pasul palelor este fixat de un mecanism de strngere. Fiecare roat poate s comprime paleta 7, care se folosete pentru operaia dubl a roilor; iar aceste roi pentru a putea funciona mpreun au ntre ele fixat un asi 8 (fig. 1.35.f). Aceste rotoare sunt folosite la producerea energiei electrice, dar datorit construciei complexe au un randament sczut, funcionarea lor de la o vitez a vntului: v > 4 m/s, constituind un dezavantaj. [B16] 7) Aceast soluie de turbin Roat vel tip moar de vnt, brevet US 6402472 B1/2000, este poziionat pe direcia vntului, astfel nct atunci cnd vntul lovete palele acestea se nclin la un unghi optim de funcionare. La viteze mari ale vntului unghiul de nclinare al palelor se reduce astfel nct ntreaga roat s nu se distrug, iar la viteze reduse ale vntului roata vel funcionez normal (fig. 1.35.g). Materialele din care sunt confecionate palele poate constui un dezavantaj n momentul fixrii n obad, atunci cnd palele sunt tensionate prin arcuri, i funcionarea turbinei de la o vitez a vntului: v > 4 m/s. [B17] 8) O alt soluie constructiv este Turbina cu obad, brevet US 0140951 A1/2010, format dintr-un rotor cu carcas i o obad cuplat de carcasa rotorului prin pale multiple cu profil aerodinamic dreptunghiular. Pe lng aceste componente turbina mai are i un generator electric montat aproape de obad. Obada 26 este conectat de butucul turbinei 27 prin pale multiple radiale 28, conform (fig. 1.35.h). Obada 26 i palele 28 se rotesc n jurul butucului 27 la fel cum roata de biciclet se rotete n jurul axei. Partea plat 33a i 33b susine axul comun 23, dar n acelai timp ridic i coboar sistemul fa de fundaie, cu ajutorul unui actuator 35; acesta mai are ncorporat un

10


suport pentru lagr 30a, care este adaptat s fixeze pe orizontal cablurile de fundaie. n apropierea obadei este ataat o bobin 29 montat pe suport fr s se roteasc. Pala 45 este fixat n dou puncte de axa 42 i n ase puncte 39 de-a lungul segmentului obadei 36, la diferite circumferine de aceasta. Obada realizat din metal este mprit n segmente 36, care servesc ca ancor pentru palele 28. Aceste pale sunt confecionate din materiale textile consolidate i ntrite. Acest sistem produce energie electric la viteze ale vntului relativ ridicate peste 4 m/s i are dezavantajul unor gabarite mari pentru obinerea unei puteri medii. [B18] 9) Pale trunghiulare sau spie, brevet WO 48704 A1/1999 este o soluie constructiv de turbin sub form de roat de biciclet, caracterizat prin aceea c palele sunt convexe sau plane pe toat lungimea i limea lor. Aceast soluie de turbin este format dintr-o roat de biciclet, butucul se fixeaz de obad prin spie i tije, acestea au seciune trunghiular formnd un unghi gol sau o curb cu gol. La aceast turbin palele sunt n acelai timp i spie i pale, soluia are viteza de pornire relativ ridicat, iar forma obadei este exact profilul roii de biciclet (fig. 1.35.i1 i i2) [B19]. 10) Rotor, n particular pentru elice sau sisteme de energie eolian, brevet WO 097850 A2/2009 - acest soluie constructiv are un rotor 1 format din dou pri de pal 3, care sunt fixate de butucul 2, pala are dou suprafee, prima parte a palei are form plan 4 i a doua parte a palei lateral tot de form plan 5, suprafeele acestea ale palelor formeaz muchia 7 (fig. 1.35.j). n combinaie cu muchia 8 al celui de-al doilea plan al palei, aceasta se afl pe aceeai direcie cu butucul turbinei. Pala mai are o muchie 10, format dintr-o linie extins de la centrul butucului perpendicular pe aceasta i obinndu-se astfel un profil aerodinamic. Dezavantajul principal este viteza de pornire relativ mare de > 4 m/s i complexitate ridicat la construcia palelor. [B20] 11) O alt soluie de turbin este Turbina roat, brevet US 7775760 B1/2010, format dintr-o obad fixat de butuc prin spie. O multitudine de pale cu profil aerodinamic sunt asamblate de roat, acestea sunt fixate de mai multe spie i poziionate n interiorul obadei la un anumit unghi, ce asigur frnarea ntregului mecanism, cu lungime relativ mic pe spi (fig. 1.35.k). Turbina roat 100 mai este format din butucul central 104, acesta este centrat de obada 102 printro multitudine de spie 108. Butucul central al turbinei 104 include un arbore suport 106, care este fixat central cu butucul 104. Spiele turbinei 108 sunt asamblate utiliznd fora de traciune, astfel nct s menin obada 102 n cea mai bun configuraie. O serie de pale 110 sunt asamblate de spiele 108, avnd o margine 112. Palele turbinei 110 sunt fixate pe spiele 108, de form aerodinamic. Aceast turbin poate s produc energie preluat de la vnt, prin forma aerdinamic a palelor, viteza de pornire este relativ mic, dar are un grad ridicat de complexitate. [B21] 12) Dispozitiv eolian pentru biciclet, brevet CN 2272410 (Y)/1996 - soluia const dintro roat de biciclet, prevzut cu spie radiale i mai multe pale plane (de form aproximativ trapezoidal), n care fiecare pal este articulat, paralel cu o latura, la o spi i este legat elastic, printr-un arc, de o pal adiacent. Acest rotor de turbin poate fi antrenat i de vnturi relativ slabe: v 4 m/s. Soluia are dou dezavantaje principale: a) nu poate fi utilizat ca turbin eolian pentru antrenarea unui generator electric (fiind prevzut s rezolve o alt funcie tehnic); b) nu este posibil rigidizarea axial i tangenial a obadei de butuc, prin utilizarea unor spie radiale subiri, folosite uzual la roile de biciclet; ca urmare, sunt necesare spie radiale groase (monobloc cu obad i butucul), care cresc masa i momentul de inerie al roii (fig. 1.35.l) [B10].

11


a)

b)

c)

d)

e)

f)

g)

h)

i 1)

i 2)

Fig. 1.35. Brevete de invenie i soluii constructive de turbine eoliene de mic putere

12


j) k) l) Fig. 1.35. Brevete de invenie i soluii constructive de turbine eoliene de mic putere n urma analizei acestor soluii de turbine eoliene s-a constatat c: Turbinele eoliene lente cu multe pale - sunt adaptate pentru vnturi de vitez mic, pornesc la viteze ale vntului de 2-3 m/s. Momentul motor este relativ mare. Turbinele eoliene rapide cu dou sau trei pale funcioneaz de la viteze ale vntului de 5 m/s. Curbele de variaie a coeficienilor de moment i de putere, obinute experimental, evideniaz valoarea mic a momentului motor i un CPmaxim egal cu 0,4. Cu aceste soluii noi s-au mbuntit: pornirea turbinei eoliene de mic putere de la viteze mici ale vntului; mrirea numrului de pale, la mai mult de trei, pentru creterea coeficientului de putere al turbinei; modificarea formei aerodinamice a palelor pentru a se mrii captarea energiei vntului. Pentru a se putea realiza toate aceste mbuntiri ale turbinei s-a mrit gradul de complexitate al profilelor de pal i al prilor componente ale sistemului, ducnd la un cost mrit i o rezisten mecanic ct mai sczut a turbinelor. 1.4. Concluzii asupra stadiului actual n urma studiului detaliat asupra stadiului actual de dezvoltare i implementare a turbinelor eoliene de mic putere s-au desprins urmtoarele concluzii: a. Potenialul eolian este caracterizat prin: viteza vntului, m/s (vnt slab < 5-6 m/s, vnt moderat 6-10 m/s, vnt puternic >10m/s msurat la nlimea de 50 m de asupra solului); direcia vntului n raport cu punctele cardinale (N, E, S, V, NE, SE, SV, NNE, ENE, ESE, SSE, SSV, VSV, VNV, NNV), frecvena medie de aciune pe diferite direcii (roza de frecven a vntului), structura vntului (laminar, turbulent, rafale). b. La nivel European, potenialul eolian estimat este divers, cel mai mare potenial eolian aflandu-se n zona Nordic a Franei, Belgiei, Germaniei, Spaniei, Olandei, Marii Britanii i Danemarcei (harta european a energiei vntului msurat la 80 m deasupra solului). c. Romnia dispune de un potenial eolian bun (harta potenialului eolian publicat de ICEMENERG n 2007), cu precdere pe litoralul Mrii Negre, n Dobrogea, nordul Moldovei, n munii Apuseni. 13


d. Alegerea tipului i capacitii centralei eoliene implic analiza prealabil a potenialului eolian din zona local de instalare (nregistrarea datelor, prelucrarea i interpretarea rezultatelor), nefiind suficient analiza datelor oferite de softurile comerciale (Meteonorm). e. Potenialul eolian disponibil n zona Colinei Universitii Transilvania din Braov (msurat prin staia meteo proprie, n perioada 2006-2009) a condus la estimarea unei viteze medii orare a vntului sub 2 m/s. Pentru acest caz, datele medii calculate prin softul Meteonorm sunt mai mari dect cele obinute prin ntregistrarea direct, n medie cu 82.38%. d. Pentru viteze ale vntului ntre 2-4 m/s, numrul de ore/an este de 1384, adic aproximativ 16 % din timp. g. Ca urmare, potenialul eolian nregistrat n zona Colinei Universitii i n zone cu potenial eolian similar, impun, pentru o eficien energetic bun, instalarea de turbine eoliene la care viteza de pornire (cut in) s fie sub 3 m/s. h. Potenialul eolian din zona Brasov impune pentru implementarea eficient ndeosebi turbine eoliene de mic putere (sub 100kW). i. Turbinele eoliene de mic putere cu ax orizontal au eficiena conversiei superioar turbinelor eoliene cu ax vertical, de aceea sunt mai frecvent utilizate (coeficientul de putere este mai sczut la turbinele eoliene cu ax vertical, de regul sub 0,1- 0,2). j. Turbinele eoliene de mic putere cu ax vertical sunt mai silenioase dect cele cu ax orizontal (funcionnd la turaii mult mai mici) i sunt mai uor adaptabile mediului construit (n arhitectura cldirilor, ferme agricole, autostrzi, spaii publice, parcuri, iluminat stradal, etc). k. n literatura de specialitate exist o multitudine de turbine eoliene de mic putere cu ax orizontal, care difer prin soluia constructiv a rotorului (deschis, obad, roat,..), prin numrul de pale, materialul i forma acestora, complexitatea soluiei constructive, puterea nominal, viteza de pornire (cut in), dimensiuni i turaia de lucru, pre de cost. l. Pentru zone cu potenial eolian redus, implementarea de turbine eoliene de mic putere, care funcioneaz la viteze ale vntului sub 3 m/s, reprezint o alternativ fezabil. Eficiena i preul de cost al acestora depind n principal de soluia constructiv a rotorului, cu precdere de numrul, forma i orientarea palelor precum i de materialul din care acestea sunt confecionate. 1.5. Obiectivele tezei Obiectivul central al cercetrii este conceperea i optimizarea soluiei constructive a rotorului pentru o turbin eolien de mic putere cu ax orizontal care s porneasc de la viteze mici ale vntului (v < 3 m/s) i s conduc la un pre de cost sczut al ntregului sistem eolian. Se vor dezvolta cercetri pentru identificarea, selectarea i optimizarea soluiei constructive a rotorului, numrul palelor, forma i dimensiunile acestora, materialul din care se execut. Cercetarea se desfoar pe modelele experimentale noi/inovative pentru care se concepe i realizeaz ntreaga infrastructur. Ca obiective operaionale se definesc: 1. 2. 3. 4. Conceperea soluiei constructive a rotorului. Modelarea ncrcrii i studiul solicitrilor din rotorul turbinei. Definirea i construcia modelului experimental i a standului pentru cercetri experimentale. Cercetri experimentale, prelucrarea i interpretarea datelor, recomandri pentru implementare. 14


2. Conceperea rotorului turbinei eoliene de mic putereRotorul turbinei este conceput pe baza urmtorului set de cerine iniiale: - ax orizontal, a carei eficien energetic n condiiile date de potenialul eolian este mai mare dect a turbinelor cu ax vertical; - numr mare de pale, pentru creterea momentului de pornire i asigurarea funcionalitii turbinei eoliene n condiiile de potenial eolian sczut (viteze mici ale vntului); - profilul palelor, simplu tehnologic, pentru asigurarea unui pre de cost sczut i a posibilitii de reglare pe rotor; - materialul rezisten necesar i pre de cost sczut; - posibilitatea adaptrii teoriei la structura potenialului eolian prin numr de pale i unghi de poziionare. 2.1. Conceptul general al rotorului turbinei eoliene Se refer la un rotor pentru o turbin eolian cu ax orizontal de mic putere, cu greutate, complexitate i gabarit relativ redus, care funcioneaz la viteze mici ale vntului (< 3 m/s) i care furnizeaz o putere electric comparabil cu cea necesar unei locuine. Rotorul turbinei eoliene conine un butuc i o obad cu profil aerodinamic legate rigid ntre ele prin spie de rezisten, ntre care sunt dispuse echiunghiular spie port-pal n form de V. Acestea au vrfurile fixate n guri ale unui disc median solidar cu butucul i capetele fixate n obad sub un anumit unghi de nclinare. Pe spiele n form de V sunt fixate pale plane de form trapezoidal realizate din materiale uoare (fig.2.6).

Fig. 2.6. Ansamblu rotor format din obada-pale-spie de rezisten-spie port pal-butuc 15


2.2. Conceptul palelor Designul rotoarelor cu pale individuale este determinat de numrul palelor, de geometria exterioar a lor i de materialele din care sunt realizate. Rapiditatea sistemului depinde de forma palelor, de numrul acestora i de material [GAT2002]. 2.2.1. Materialele din care sunt realizate profilele de pal Materialele folosite n dezvoltarea, construcia palelor sunt eseniale pentru buna funcionare a turbinei eoliene. Aceste pale trebuie s fie cu greutate redus, rezistente la coroziune i oboseal. Materialul ideal pentru pale ar trebui s combine urmtoarele proprieti structurale: Raport optim de duritate greutate specific; Longevitate la solicitri de oboseal i flexibilitate; Cost mic i prelucrarea materialelor pentru a obine forma aerodinamic dorit. Aliaj uor i spum poliuretan; Aliaj uor i polistiren armat cu fibr de sticl; Lemn i metal. [HAN2009], [BOE2004], [DIN2010], [SAH2006] 2.2.2. Definirea profilelor de pal propuse n sinteza conceptual a palelor se utilizeaz o definire a profilelor n funcie de doi coeficieni importani: coeficientul de asimetrie i coeficientul de lime, care depind de forma i de dispunerea suprafeei active a palei fa de axa acesteia. Aceti coeficieni au valori cuprinse n intervalul 0,...,1 i modeleaz forma palei i poziia acesteia fa de axa de rotaie, fiind notai astfel: CAv = coeficient de asimetrie la vrf ; CAa = coeficient de asimetrie la ax; Cv = coeficient de lime la vrf; Ca = coeficient de lime la ax. Conform acestor simbolizri grafice se disting o varietate nsemnat de profile de pal de diferite forme i dimensiuni, care pot fi utilizate n construcia rotorului turbinei eoliene. Pentru conceptul propus, aceste profile de pale, diferite ca form (triunghi, trapez, dreptunghi, romb i de form oval) i avnd aceleai dimensiuni radiale, sunt realizate din lemn, plastic sau materiale textile (fig. 2.18).

a)

b)

c)

d)

e)

Fig. 2.18. Profile 2D, de forme i grosimi diferite [LA2008], [LNV2008] 16


f)

g)

h)

i)

j)

k)

l)

m)

Fig. 2.18. (continuare) Pentru o captare ct mai eficient a energiei vntului, profilele de pal sunt realizate cu colurile ascuite (fig. 2.18. a, b, c, d, e, g, h, j, k) i rotunjite (fig. 2.18. f, i i l). Pentru palele din material textil se utilizeaz un cadru pe care este fixat pnza, conform fig. 2.18.m. Palele sunt fixate ntr-o obad, numrul palelor putnd fi de la 2 pan la 12. Un numr mare de pale i dimensiunile radiale mrite ale acestora induc rotorului un moment motor mare i o captare a energiei vntului mai ridicat. 2.3. Optimizarea conceptual a obadei turbinei eoliene Obada este realizat n principal din materiale ct mai uoare, cu profil aerodinamic i grad redus de complexitate. Ca materiale se utilizeaz: lemnul (care are greutate redus, se prelucreaz uor i rezist la oboseal); metalul - aluminiul, duraluminiul (materiale uoare i uor prelucrabile dup forma dorit); materiale sintetice, rini (care au greutate specific mic); materiale compuse fibra de sticl, plastic consolidat i alte materiale precum: oel, varieti de materiale compozite i filament de carbon. Obada este fixat de butucul rotorului prin spie de rezisten i spie port pal, numrul acestora depinznd de numrul maxim de pale fixate n obad. Spiele de rezisten sunt fixate n guri (fig. 2.21), prin piulie de o parte i de alta a profilului aerodinamic al obadei. Spiele port pal sunt fixate tot prin piulie n gurile port pal ale obadei (fig. 2.22) i sunt poziionate ntre spiele de rezisten, la diferite unghiuri de nclinare ale palei (30, 45, 55, 65 i 75 de grade). Gaurile pentru spiele de rezisten i port pal sunt realizate tot n funcie de numrul maxim de pale care vor fi montate n obad. Palele n obad se pot poziiona la diferite unghiuri de nclinare pentru a identifica varianta optim de utilizare a potenialului eolian. 17


Fig. 2.21. Vedere 3D a ansamblului turbinei obad-spie de rezisten-butuc, fr spie port-pal

Fig. 2.22. Vedere 3D a obadei turbinei eoliene cu gauri pentru spie de rezisten i port pal Datorit spielor de rezisten i port pal, obada este consolidat de butuc i prezint un grad mrit de rezisten n timpul funcionrii rotorului. 18


2.4. Concluzii i contribuii originale n contextul general al rotorului turbinei eoliene se dezvolt urmtoarele concluzii: a. Soluia de rotor propus rspunde setului de cerine iniiale: ax orizontal, funcionalitate i n condiii de potenial eolian sczut, tehnologie simpl, pre de cost sczut, adaptare la structura potenialului eolian; b. Conceptul propus face parte din categoria rotoarelor cu obad, la care prin numr diferit de pale montate ntre butuc i obad, prin orientri diferite ale palelor, prin dimensiunea palelor i forma acestora, prin forma obadei se poate optimiza funcionalitatea ntr-un potenial eolian dat; c. Soluia constructiv propus este similar unei roi de biciclet, la care rigidizarea obadei de butuc se face prin spie de rezisten. Numrul i dispunerea acestora pot constitui parametrii de optimizare privind solicitrile din rotor; d. Conceptul dezvoltat are un nalt grad de flexibilitate, permind modificarea numrului, a dimensiunilor i formei palelor; reglarea unghiului de fixare a palelor; modificarea materialului palelor; Principalele contribuii aduse sunt: a. Dezvoltarea conceptului pornind de la similitudinea cu roata de biciclet, deci de la o tehnologie existent; b. Modificarea construciei prin introducerea spielor port-pal n form de V pe care sunt dispuse palele; c. Dezvoltarea conceptului pe baz de pale cu suprafee plane, de forme simple (dreptunghi, romb, trapez, oval) i dimensiuni diferite; d. Posibilitatea montrii pe rotor a unui numr variabil de pale, de la 2 la 12; e. Posibilitatea reglrii unghiului de montare al palei fa de planul obadei; f. Utilizarea de materiale diferite pentru pale: lemn, plastic, textil, compozite; g. Definirea profilelor palelor funcie de coeficientul de asimetrie i coeficientul de lime i stabilirea limitelor acestora; h. Construcia propus permite o nlocuire uoar a componentelor i necesit o ntreinere simpl; i. Soluia propus are la baz conceptele moderne de design for asembly and dezasembly i design for manufaturing. Conceptul propus a fost supus brevetrii, este brevetat (Rotor pentru turbin eolian, cu numrul de brevet RO125465-A2), i introdus n baza de date internaional Thomson ISI web of knowledge.

19


3.

Model de calcul pentru ncrcarea palelor turbinei eoliene i verificarea rezistenei palelor

Pornind de la structura demonstratorului de rotor propus, n acest capitol se modeleaz ncrcrile palelor turbinei n funcie de: viteza aerului din proximitatea turbinei (2, ..., 7 m/s), geometria palei i poziia relativ pal-arbore. Dei n modelul de calcul propus se ine seama de micarea relativ aer-pal, pentru calculele de rezisten se consider situaia rotorului static (rotor cu viteza neglijabil) n care ncrcarea palelor devine maxim. Cu ncrcrile identificate, pe baza modelului de calcul elaborat, sunt simulate, cu ajutorul softului CATIA, deformaiile i tensiunile palelor prin metoda elementului finit (MEF); rezultatele simulrilor evideniaz o bun rezisten a palelor rotorului, n condiiile de funcionare considerate. 3.1. Modelarea ncrcrii unei pale Modelarea ncrcrii unei pale const n stabilirea relaiilor de calcul pentru presiune, fore i momente (aferente palei i implicit arborelui port-pal), considernd urmtoarele date de intrare i premise de calcul: a) forma, dimensiunile i materialul palei plane (fig. 3.1,c): trapez cu baza mic bm = 0.08 m, baza mare bM = 0.16 m i nlimea h = 0.12 m; grosimea palei g = 0.003 m; material: lemn, cauciuc, pnz; b) poziia relativ pal-arbore (fig. 3.1, b, c): unghiul de nclinare = 55, 45, 30; raza cercului tangent cu baza mic a palei rm = 0.033 m; raza cercului tangent cu baza mare a palei: rM = 0.16 m; -1 c) viteza unghiular a arborelui palei n [s ]: = n/30, n = turaia msurat n rot/min. Pentru simplificare, n sens acoperitor, ncrcrile maxime ale palei se modeleaz n premisa c viteza rotorului este neglijabil ( ~ 0) ; d) n calculele cinematice, se neglijeaz grosimea palei; e) se neglijeaz efectele vitezelor tangentiale ale aerului fata de pala si frecarea aer-pal; f) pentru determinarea ncrcrii arborelui, efectul presiunii aerului asupra palei este modelat n dou variante: fora destituit (calcul prin integrare) (fig. 3.1) i fora concentrat (fig. 3.2) (for echivalent aplicat n centrul de mas al palei (G)). Prin descompunerea acestei fore (paralel i perpendicular pe arbore) se obine o aproximaie a forei axiale care ncarc arborele i o aproximaie a forei tangeniale care genereaz momentul de torsiune util al palei.

Fig. 3.1. a) 20


b)

c)

d)

e)

f) g) h) Fig. 3.1. Modelarea ncrcrii unei pale (continuare): a)vedere 3D, cu precizarea direciilor dup care s-au fcut proieciile, b) vedere din A (3.1.a) cu precizarea vitezei aerului i a vitezei palei ntrun punct oarecare X, c) vedere din B (fig.4.1.a) a palei, cu reprezentarea acesteia n mrime natural i cu precizarea poziiei punctului oarecare X), d) schem cu evidenierea vitezei relative Va.pf.X a aerului fa de pal, pe faa palei, e) schem cu evidenierea vitezei relative Va.ps.X a aerului fa de pal, n raport cu spatele palei, f) scheme cu evidenierea componentelor normale ale vitezelor relative ale aerului fa de pal n raport cu ambele fee ale acesteia, g) evidenierea presiunii 21

X


normale rezultante n raport cu faa palei, h) evidenierea forei elementare dFX din punctul X i componentele acestuia n raport cu arborele.

a) b) Fig. 3.2. Modelare aproximativ a ncrcrii palei i arborelui port-pal: a) vedere dup direcia A a palei cu evidenierea forei rezultante FG i a componentelor acesteia n raport cu arborele, b) vedere din B cu a palei n mrime natural i evidenierea centrului de mas G. Modelarea presiunii exercitate de vnt asupra palei, se realizeaz conform cu fig. 3.1, a, ..., h; aplicnd inversiunea micrii n raport cu pala (fig. 3.1, a, c i e), se determin mai ntai, din fig. 3.1,c, vectorul vitez relativ aer-pal fa V a.pf.X (de modul Va.pf.X), ntr-un punct X de pe faa palei (situat pe un cerc de raza rX): V a. pf . = V a , (3.2)X

+ V pX (3.3) (3.4)

2 Va. pf . = ( 2 + V pX 1 / 2 , Va ) X

V p = rX ;X

Ca urmare, n raport cu punctul X de pe faa palei (fig. 3.1,d), aerul are o vitez V a. pf . X , de modul Va.pf.X, care formeaz cu axa arborelui un unghi X i cu planul palei un unghi -X. Din fig.3.1,d pentru unghiul x se obtne expresia: V r pX ) (3.5) = arctg ( = arctg ( X ) . Va Va Conform acestei relaii, unghiul X crete odat cu raza rX, avnd valoarea minim pentru rX = rm i valoarea maxim pentru rX = rM. Viteza aerului din faa palei V a. pf . se decompune ntr-o component normal pe faa paleiX

V a. pf . Xn i o component tangenial V a. pf . Xt , care au modulele (fig.3.1,f): V V = a. pf .Xn a. pfX

sin( X

) = (V 2 + Va pX

2

) sin(

1/2

X 2

) = [V + ( ra X

2

) ] sin( ).X

2 1/2

X

);

(3.6)

V V =a. pf .Xt a. pfX

cos( X

) = (V 2 + Va

) cos( pX

1/2

(3.7)

Ca urmare, aerul (de densitate ) acioneaz n punctul X de pe faa palei cu o presiune pXfn

(fig.3.1,f): p = 0,5 2 Xf Vn

= 0,5 [V a. pf . Xn + ( r a

2

) ] sin X (

2

2 X

).

(3.8)

Prin inversiunea micrii, simultan cu procesul din faa palei (fig.3.1,d), aerul din spatele palei se deplaseaz, n raport cu punctul X de pe spatele palei, cu viteza V a. pf . = pX , de modul VX

22

2

2

2

2

2

2 2

2

Studiul adaptabilitii turbinelor eolieneps. Xn de mic putere la condiiile climatice din Romnia a.

Va. ps. = V pX X

= rX (fig.3.1,e); conform fig.3.1,f, viteza aerului din spatele palei V a. ps.Xn

V a. ps. X se

decompune ntr-o component normal pe spatele palei V a. ps. Xt , care au modulele: Va. ps. Xn = Va. ps. X cos

i o component tangenial

= V pX cos .

= ( rX ) cos

Va. ps. Xt = Va. ps. X sin

; (3.9) (3.10)

Ca i n cazul precedent, aerul (de densitate ) acioneaz n punctul X de pe spatele palei cu o presiune pXsn (fig.3.1,f): 2 2 p Xs = 0.5 = 0.5 ) cos . (3.11) 2 n V ( rX Ca urmare a presiunilor opuse de pe cele dou fee ale palei, n punctul X, pe faa palei va aciona o presiune rezultant pXn (fig.3.1,g) 2 2 2 2 2 p = p ) ] sin ) ) cos } . (3.12) = 0.5 {[V ( p + ( r ( Xn Xsn a X X r XXfn

Efectul presiunii pXn asupra elementului de arie modelat printr-o for elementar echivalent medie al crei modul are urmtoarea expresiedFX = p Xn dA = = 0.5 {[Va p Xn bX drX

dA = bX drX

(fig.3.1 c, f si h) poate fi

dF X , aplicat n punctul X al palei (fig.3.1 h), co s2 } bx drx .

+ ( r X ) ] ( X ) sin ( r X )

(3.13)

La rndul su, fora elementar h), ntr-o component axial

dFX

poate fi descompus, n raport cu arborele (fig.3.1, c, dFXt

dFXa

i o component tangenial

care genereaz momentul

elementar de torsiune util dT X (n raport cu axa arborelui); conform fig.3.1,h i c, modulele acestor vectori au urmtoarele expresii: dFXa = dFX sin = p Xn dA sin ; (3.14) dFXt = dFX cos = p Xn dA cos ; (3.15) dT = dFXt = p Xn bX rX drX . (3.16) X rX n consecin, fora axial i momentul de torsiune imprimate arborelui de o pal au urmatoarele expresii:rM rM Xa

F = dFa X rmrM

rM

= 0.5 {[V + ( rrm

a

x 2

X

x

) ] sin (

2

T=

dTX

=

0.5

2 2 ) ) cos dr; ( } b r {[Va + ( rX ) ] sin 2

(3.17)

?( rm x

a.

) ( rX ) cos 2rm

} (cos ) bx rX drX , 1 (r h

(3.18)

n care, conform fig.3.1,c: b =X b r ) m (b b ) m (3.19)

m

M

M

i rX = rm, ..., rM. n premisa c viteza unghiular a arborelui este neglijabil ( ~ 0 si implicit x ~ 0), ncrcarea palei devine maxim. Pentru simplificare, fr a afecta semnificativ rezultatele numerice, ncrcarea maxim se modeleaz considernd c pe ntreaga fa a palei acioneaz o presiune medie p Xn 0.5 V 2 . (3.20) 2 sin n aceast premis, modulele pentru fora axial i pentru momentul de torsiune, imprimate arborelui de o pal, devin: 2 2 F = 0.5 V h (3.21) + 0.5( b )] 3= 0.25 V h + b 3 ) (b a a (sin ) a [b m b M (sin m M ); m 23


T = [ V 2 (sin 2 cos a/ 6] [3 (bG

)

2 r M b m

M

2 r m) + (b

M

2 b ) h ]. m

(3.22)

Efectul presiunii pXn (rel. 3.20) asupra feei palei poate fi aproximat printr-o for F (fig.3.2,a); conform fig.3.2, acesta for se decompune, n raport cu arborele, ntr-o component axial F i o component tangenial F care genereaz momentul de torsiune util al palei T GGa Gt

(fig.3.2,a si b); n conformitate cu rel. (3.20) si fig.3.2, pentru modulele acestor vectori se obin urmtoarele expresii: 2 2 F = 0,5 2 2 V sin A = 0,25 (3.23) + b G V asin h (b a M ); m F =Ga FG

sin = 0,25 V 2 sin h (ba 2

2

+ b ) sin M m

;

(3.24)

F =Gt F G T = F G r Gta

cos = 0,25 V 2 sin h (ba 2 2 G

+ b ) cos M m

;

(3.25) (3.26)

= 0,25 V sin h (b

M

+ b ) r m

G

cos .

Pe baza relaiilor 3.22 i 3.26 s-au realizat calcule numerice pentru compararea, pe de o parte, a momentelor de torsiune T i TG ale arborelui i, pe de alt parte, a momentelor calculate cu cel obinut experimental Texp. innd seama de premisele utilizate, din comparaia valorilor calculate cu valoarea momentului de torsiune determinat experimental, Texp = 0,022Nm, se constat o concordan satisfctoare ntre aceste rezultate. Pe baza relaiilor obinute, n tabelul 3.1 sunt sistematizate ncrcrile pXn, corespunztoare vitezelor aerului din intervalul 2-7 m/s; pentru unghiul de nclinare =55; aceste ncrcri constituie datele de intrare pentru analiza prin MEF a palelor turbinei. Tabel 3.1 2 3 4 5 6 7 V [m/s] 2 pXn[N/m ] 1,476 3,321 5,904 9,226 13,285 18,083 3.2. Analiza deformaiilor i tensiunilor din palele rotorului prin MEF ncrcrile din tab.3.1 sunt utilizate n continuare ca date de intrare pentru analiz, prin metoda elementului finit (MEF), a deformaiilor si tensiunilor din palele rotorului, folosind software-ul Catia V5 [LA2008], [RAI1981], [LAJ2005], [INA2004], [DRI1978], [DUD1989]. Demostratorul virtual, al turbinei eoliene de mic putere realizat cu ajutorul softu-lui Catia V5, este ilustrat n fig. 3.3. n simulrile bazate pe metoda elementului finit, s-au utilizat 6 pale trapezoidale, cu unghiul de nclinare =55, si viteze ale aerului cuprinse n intervalul V=2-7 m/s; ncrcrile corespunztoare acestor viteze sistematizate n tab.3.1.

Fig. 3.3. Prototipul virtual al turbinei eoliene de mic putere, 24


Pentru procesarea modelului de analiz se parcurg urmtoarele etape de modelare: modelarea geometric, a materialului, cu elemente finite, a constrngerilor i a ncrcrilor; se verific apoi modelul i se trece la simularea acestuia. n continuare sunt prezentate simulrile pentru fiecare tip de material n parte, rezultatele obinute fiind prezentate selectiv. Modelarea cu elemente finite presupune analiza static a palelor turbinei, n condiiile unor constrngeri i ncrcri independente, prin care spiele port-pal s-au fixat de baz, iar faa palei (fig. 3.4) este ncrcat cu o sarcin uniform distribuit generat de presiunea aerului (tabelul 3.1).

a1) a2) a3) Fig. 3.4. ncrcarea feei palelor cu sarcina uniform distribuit generat de presiunea aerului (pentru simplificare, n Catia sarcina uniform distribuit este reprezentat prin 4 vectori) Pe baza presiunii calculate se ncarc pala n form de trapez realizat din materiale disticte, ca n fig. 3.4, a1 (lemn), a2 (cauciuc) i a3 (panz pe suport de lemn). n fig. 3.4, a este prezentat turbina cu toate cele 6 pale n form de trapez cu ncrcrile aferente fiecrei pale n parte. Din analiza rezultatelor, obinute n urma simulrilor, reiese c tensiunile echivalente maxime se regsesc la partea de fixare a palelor pe spiele-suport; cele mai ridicate valori apar n cazul palei din material textil pe suport de lemn, pe cnd la palele din cauciuc i la cele din lemn tensiunile sunt net mai reduse i comparabile ntre ele (fig. 3.5, b).Tensiuni maxime din pale realizate din lemn si cauciuc0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 2 3 4 V [m/s] 5 6 7 Pala din lemn Pala din cauciuc

Fig. 3.5.b. Diagrame cu valori pentru tensiuni maxime aprute n pale, realizate din materiale diferite, diagrame comparative pentru lemn i cauciuc

Fig. 3.6.b. Diagrame cu valori pentru deformaii maxime aprute n pale, realizate din materiale diferite, diagrame comparative pentru lemn i cauciuc

Deformaiile maxime se produc la marginea profilului de pal, valorile acestora fiind reduse i comparabile pentru palele din lemn i cele din cauciuc, i net mai mari la pala din pnz pe suport de lemn (fig.3.6, b). 25


3.3. Concluzii i contribuii originale Modelrile dezvoltate i calculele numerice efectuate conduc la urmtoarele concluzii: a) Modelrile ncrcrii palei prin intermediul presiunii, respectiv a unei fore aplicat n centrul de mas al palei, conduc la momente similare de tensiune a arborelui. Calculele numerice efectuate pentru viteza vntului Va = 7 m/s, unghiul de nclinare de nclinare al palei = 55 i raza centrului de greutate al palei rG = 0,1472 m au condus la valorile momentului de torsiune de T = 0,024 Nm, respectiv T = 0,021 Nm. b) ntre valorile momentului de torsiune obinute prin calcule i valoarea obinut experimental exist o bun concordan. n premizele anterior precizate se obine Texp = 0,022 Nm. Aceasta confirm valabilitatea modelelor propuse. c) Relaiile analitice stabilite, ca funcii de parametrii constructivi i de poziionare a palei fa de arbore, permit studiul i optimizarea dimensiunilor i a orientrii palei pentru o eficien maxim a turbinei eoliene. d) Modelarea i calculul prin MEF a palelor n condiiile unei ncrcri cu o sracin uniform distribuit generat de presiunea aerului, pentru o turbin cu 6 pale n form de trapez au reieit urmtoarele: - tensiunile echivalente maxime se obin n zonele de fixare a palelor pe spielesuport; - valorile acestora, pentru palele din lemn i cauciuc sunt comparabile ntre ele i sunt mai reduse dect n cazul palelor din material textil pe suport de lemn (de exemplu la 7 m/s tensiunile maxime sunt aproximativ 0,8 kPa pentru lemn cauciuc i aproximativ 8 kPa pentru textil); - deformaiile maxime se produc la marginea profilelor de pal; - valorile acestora sunt comparabile pentru palele din lemn i cele din cauciuc, respectiv mult mai mici pentru palele din material textil pe suport de lemn (de -3 -3 exemplu la 7 m/s deformaiile maxime sunt 0,08*10 mm pentru cauciuc, 0,02*10 -3 mm, 75*10 mm pentru material textil); e) Ca urmare, din cele trei materiale realizate, palele pe baz de compozite din lemn i cauciuc sunt cele optime din punct de vedere al tensiunilor i deformaiilor, urmate de cele pe baz de cauciuc. Principalele contribuii sunt: a) Modelarea ncrcrii palei n varianta ncrcrii prin presiune, respectiv a unei fore aplicate n centrul de mas al palei i deducerea relaiilor analitice corespunztoare. b) Stabilirea relaiilor analitice pentru fora axial i pentru momentul de torsiune aplicat arborelui, n cele dou situaii de calcul anterior prevzute. c) Dezvoltarea modelelor de calcul prin luarea n considerare a tuturor parametrilor constructivi i de poziionare a palelor turbinei. d) Modelarea rotorului i analiza prin MEF, utiliznd softul CATIA V5, a tensiunilor i deformaiilor din palele acestuia. Se analizeaz un rotor cu ase pale trapezoidale din materiale: lemn, cauciuc, textil. Se evideniaz zonele de tensiune maxim, valorile maxime ale tensiunilor, zonele de deformaii maxime i valorile acestor deformaii, iar rezultatele sunt ilustrate prin dispunere corespunztoare, care permit i analiza comparativ ntre comportamentul diverselor tipuri de materiale.

26


4. Conceperea i realizarea standului experimental i a programului de testri4.1. Structura standului n fig. 4.1 se prezint standul experimental edezvoltat pentru testri ale turbinei eoliene de mic putere. n contextul cerinelor enunate i al vitezelor reduse ale vntului s-au ales palele n form de trapez, din material textil, lemn sau plastic uor, n numr de 2, 3 i 6, fixate n obad cu ajutorul spielor. Pentru a se putea monitoriza momentul motor i momentul rezultant s-au instalat n sistem un traductor de moment, care are momentul nominal de 0,1 Nm (fig. 4.2) i o frn electromagnetic (fig. 4.3). Turaia turbinei se msoar cu un turometru [NEV2009].

Fig. 4.1.Standul experimental de testri

Fig.4.2. Senzor de moment de 1 Nm Fig. 4.3. Frna electromagnetic Traductorul funcionez cu un soft aferent pentru msuratori, (numit Catmaneasy) care monitorizeaz, preia date i msoar momentul. Cele 13 profile de pale de aceeai arie i aceleai dimensiuni radiale, acestea au fost fixate n obad pe spiele port pal la diferite unghiuri de nclinare: 30, 45, 55, 65 i 75 grade [NVB2008a], [NED2008a]. n figurile urmtoare sunt prezentate profilele de pal realizate practic pentru standul de testri al turbinei eoliene de mic putere.

a)

b)

c) 27

d)

e)

f)


g) h) i) j) Fig.4.10. Profile de pal de diferite forme [BVD2008c], [HJB2010], [JPM2005], [NED2008a], [NEB2008a] Turbina pentru testri, adaptat dimensiunilor tunelului aerodinamic din fig. 4.11 este aplasat n faa tunelului aerodinamic la 1.5 m.

Fig. 4.11. Tunelul aerodinamic cu circuit deschis, [HQE2010] 4.2. Programul de testre Programul de testri s-a realizat n funcie de civa parametri, astfel: 1. Variaia vitezei vntului: V=2, 3, 4, 5, 6, 7 [m/s]; 2. Nr.crt. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Variaia profilului palei Tabel 4.4 Pri componente Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre obad, cu colurile ascuite; Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre obad, cu colurile rotunjite; Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre rotor, cu colurile ascuite; Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre rotor, cu colurile rotunjite; Pale dreptunghiulare, cu colurile ascuite; Pale dreptunghiulare, cu colurile rotunjite; Pale romb, cu colurile ascuite; Pale romb, cu colurile rotunjite; Pale trapezoidale cu folie termocontractabil pe suport de lemn, orientate cu baza mare spre obad, cu colurile ascuite; 28


Tabel 4.4 (continuare) Nr.crt. 10. 11. 12. 13. Pri componente Pale trapezoidale cu folie termocontractabil pe suport de lemn, orientate cu baza mare spre rotor, cu colurile ascuite; Pale ovale, cu colurile ascuite; Pale ovale, cu colurile rotunjite pe o parte, Pale dreptunghiulare cu folie termocontractabil pe suport de lemn, cu colurile ascuite;

3. Unghiului de nclinare al palei: 30, 45, 55, 65, 75. 4. ncrcare realizat cu frna electromagnetic: fr frn, 0A, 0.1A, 0.2A, 0.3A. Programul de testri n funcie de parametrii enunai este urmtorul: 1. Se fixeaz spiele port pal la primul unghi de nclinare optimizat; 2. Se fixeaz unul din profilele de pal optimizate n obad; 3. Se pornete softul, CatmanEasy, de msurare al momentului motor al turbinei; 4. Se pornete tunelul aerodinamic; 5. Se pornete frna electromagnetic i se fixeaz pe rnd la ncrcrile prezentate mai sus; 6. Se masoar turaia cu senzorul de turaie, turometrul; 7. Se repet operaia pentru fiecare unghi de nclinare al palei, pentru fiecare profil de pal i pentru fiecare ncrcare a frnei. 4.3. Concluzii i contribuii originale Din dezvoltarea standului i a formulrii programului de ncercri se desprind urmtoarele concluzii: a) Turbina eolian stand experimental are la baz rotorul conceput i descris n capitolul anterior, la care se adaug sisteme de msurare a momentului la axul turbinei (momentul motor, momentul rezistent), de msurare a turaiei arborelui turbinei, de producere a vntului cu viteze diferite (V=2,..., 7 m/s), de msurare a vitezei vntului. b) Standul experimental permite testarea comportamentului turbinei eoliene (moment, turaie, putere, coeficient de putere, coeficient de moment, rapiditatea) pentru diverse tipuri de pale, unghiuri diferite de orientare a acestora, viteza de pornire pentru ncrcri diferite n frna electromagnetic. c) Programul de testare n 7 pai, descris n lucrare, permite efectuarea cercetrilor experimentale i evaluarea parametrilor sus menionai. Principalele contribuii sunt: a) Conceperea turbinei eoliene stand experimental i dimensionarea prilor componente ale standului funcie de mrimea parametrilor evaluai (de exemplu adaptarea traductorului de moment la dimensiunea momentului la axul arborelui). b) Dezvoltarea setului de 13 pale avnd aceeai arie i dimensiuni radiale, care pot fi fixate la diferite unghiuri: 30, 45, 55, 65, 75. c) Conceperea programului de testri pentru nregistrarea i evaluarea momentului, a turaiei, a vitezei vntului, a rapiditii, a puterii i a coeficienilor de putere i moment ai turbinei eoliene.

29


5. Realizarea testrilor, prelucrarea rezultatelor obinuten acest capitol sunt prezentate rezultatele obinute n urma testrii pe stand a turbinei eoliene propuse. Testarea constat n stabilirea puterii mecanice (prin msurarea turaiei i momentului), dezvoltat de turbina sub aciunea vntului creat de tunelul aerodinamic, n anumite condiii de reglare a standului; puterile stabilite permit apoi determinarea variaiei coeficientului de putere Cp. Programul de testare este cel descris n capitolul anterior. Prin prelucrarea rezultatelor obinute se urmrete identificarea valorilor parametrilor care asigur realizarea performanelor maxime.

Fig. 5.1. Turbina eolian de mic putere 5.1. Prelucrarea i interpretarea rezultatelor Rezultatele obinute sunt exemplificate prin urmtoarele cazuri relevante: a) Cazul fr frn (ff), adic frna este decuplat de sistem; n acest caz, singurele rezistene care intervin se refer la ineria turbinei i a arborelui de legatur cu frna, precum i la frecarea din rulmeni datorat cu precdere sarcinii axiale. Pentru a urmri variaia puterii, s-au reglat/modificat succesiv: viteza vntului (V=2...7 m/s), unghiul de nclinare (30, 45, 55, 65 i 75) i tipul palelor; rezultatele obinute sunt exemplificate comparativ n tab. 5.2 i fig. 5.2. b) Cazul ncrcrii cu 0.1A; n acest caz frna genereaz un moment rezistent corespunztor unui curent de alimentare de 0.1 A; o parte din rezultatele obinute fiind exemplificate comparativ n tab. 5.3 i fig. 5.2 i 5.3. c) Cazul ncrcrii cu 0.2A; n acest caz frna genereaz un moment rezistent corespunztor unui curent de alimentare de 0.2 A; o parte din rezultate fiind exemplificate comparativ n tab. 5.4 i fig. 5.2 i 5.3. d) Cazul ncrcrii cu 0.3A; n acest caz frna genereaz un moment rezistent corespunztor unui curent de alimentare de 0.3 A; o parte din rezultate fiind exemplificate comparativ n tab. 5.5 i fig. 5.2 i 5.3.

30


Caracteristici

Tabel 5.2. Cazul 1a) fr frn Nr. pal 9 10 13 P 1,57 3,97 1,439 Fr frn,cu M 0,15 0,38 0,25 n 100 100 55 V 2 2 2 Loc I II III P 6,28 4,35 4,396 M 0,5 0,32 0,3 n 120 130 140 V 2 2 2 Loc III II I P 9,96 4,396 Fr frn,cu M 0,68 0,35 n 140 120 V 2 2 Loc II I unde: P = puterea minim, [mW]; M = moment minim, [Nmm]; n = turaia minim, [rot/min]; V = viteza vntului minim, [m/s] Tabelul 5.3 Cazul 1b), ncrcare la 0.1A

Nr.pal 5 6 9 194,05 177,09 190,28 P 20,6 18,8 20,2 M 90 90 90 n V 4 4 4 Loc I III II 245,23 236,02 275,06 P 21,3 20,5 21,9 M 110 110 120 n V 4 4 4 P 255,59 271,29 291,18 M 22,2 21,6 21,4 n 110 120 130 V 4 4 4 Loc III II I unde: P = puterea maxim, [mW]; M = moment maxim,[Nmm]; n = turaia maxim, [rot/min]; V = viteza vntului minim, [m/s] Analiza coroborat a diagramelor din fig. 5.2, b, c i d, cu diagramele din fig. 5.3, arat c prin creterea vitezei aerului se produce o cretere a puterii turbinei datorat cu precdere creterii turaiei: n timp ce gradientul de cretere al turaiei este relativ ridicat (fig. 5.3), gradientul de cretere al momentului este redus (momentul rmnnd aproape constant, fig, 5.3). Comparaiile rezultatelor obinute n urma testrilor (tab. 5.3, 5.4 si 5.5) evideniaz faptul 31

Caracteristici 0.1A, cu palele


c palele cu nr. de ordine 9, 6, 5 i 13 realizeaz cele mai bune performane pentru unghiuri de nclinare de 65 (palele nr 6 i 9) i 55 (palele 5, 13, 9 i 6, tab. 5.5). Datelor numerice obinute au permis determinarea variaiilor coeficientului de putere (Cp). Tabel 5.4 Cazul 1c) ncrcare la 0.2A Caracteristici Nr. pal 5 6 9 300,18 P 390,3 413,22 23,9 M 33,9 32,9 120 110 120 n 5 V 5 5 Loc I III I 479,16 507 576,08 P M n V Loc P M n V 34,6 140 5 II 470,79 34,6 130 5 32,7 140 5 III 489,42 33,4 140 5 34,4 160 5 I 607,9 35,2 165 5

Loc III II I unde: P = puterea maxim, [mW]; M = moment maxim,[Nmm]; n = turaia maxim, [rot/min]; V = viteza vntului minim, [m/s] Tabel 5.5 Cazul 1d), ncrcare la 0.3A Caracteristici Nr.pal P M n V Loc P M n V Loc 0.3A, cu palele 5 637,94 53 115 6 IV 888,38 54,76 155 6 II 802,84 6 692,05 55,1 120 6 II 851,72 52,5 155 6 IV 882,54 9 675,1 51,6 125 6 III 901,49 52,2 165 6 I 932,37 13 833,6491 49,78 160 6 I 873,6736 52,17 160 6 III 758,7496

P 52,9 52,7 52,4 51,78 M n 145 160 170 140 V 6 6 6 6 Loc III II I IV unde: P = puterea maxim, [mW]; M = moment maxim,[Nmm]; n = turaia maxim, [rot/min]; V = viteza vntului minim, [m/s] 32

P_45_0.1A n_45_0.1A

P_55_0.1A n_55_0.1A

P_65_0.1A n_65_0.1A

Studiul adaptabilitii turbinelor eoliene de mic putere la condiiile climatice din Romnia 11001000 900 P_45_f f n_45_f f 450 600 400 350 500 400 300 200 100 0 4 5 V [m/s] 100 50 6 7 P_55_f f n_55_f f P_65_f f n_65_f f 700 800

300

250 200

150

0 2 3 4 5 6 7

V [m /s ]

Fig. 5.2. a) fr frn 33

Fig. 5.2. b) ncrcare cu 0.1 A,


P_45_0.3AP_45_0.2A n_45_0.2A P_55_0.2A n_55_0.2A P_65_0.2A n_65_0.2A

P_55_0.3A

P_65_0.3A

n_45_0.3A

n_55_0.3A

n_65_0.3A

1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 4 4,5 5 5,5 V [m/s] 6 6,5 7

1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 5 6 V [m/s] 7

c) ncrcare cu 0.2 A d) ncrcare cu 0.3 A. Fig. 5.2. Exemple de variaii ale turaiei (n) i ale puterii (P), in cazul unei turbine cu pale nr.9, n funcie de viteza aerului (V), pentru anumite valori ale nclinrii i ale sarcinii frnei. 34


M_0A M_0.2A

n_0A n_0.2A

M_0.1A M_0.3A

n_0.1A n_0.3A

400

350

300

250

200

150

100

50

0 2 3 4 5 6 7

V [m/s]

Fig 5.3. Exemple de variaii ale momentului (M) i ale turaiei (n), n cazul unei turbine cu pale nr. 9, n funcie de viteza aerului (V), pentru anumite ncrcri ale frnei: 0A, 0.1A, 0.2A i 0.3A. Pentru exemplificare, n fig, 5.4,a sunt reprezentate variaiile coeficientului de putere Cp, n funcie de viteza aerului, n cazul turbinei echipate cu 6 pale nr. 9, i respectiv nr. 1, nclinate la 55 fa de axa turbinei, cu frn ncrcat la 0.2 A; alturi, n fig. 5.4,b, sunt ilustrate variaiile coeficientului Cp pentru 3 turbine existente (v, tab. 5.6 [***11], [***12], [***13], [***14], [***15], [***16], [***17], [***18], [***19], [***20], [***21], [***22], [***23]) mpreun cu variaia coeficientului Cp al turbinei cu pale nr. 9 (v. fig. 5.4,a).Cp pentru pala 1 si 90,060,6

T.B. - 1 kW T. - teza

T.H.- 500W T.F.-1,4kW

T.R. - 1,5 kW

0,0550,5

0,05 9_0.2A 1_0.2A 0,045

0,04

0,035 5 5,5 6 V[m/s] 6,5 7

a) cazul turbinei echipate cu 6 pale nr. 9, i b) pentru 3 turbine existente mpreun cu variaia coeficientului Cp al unei turbine cu pale respectiv nr. 1, nclinate la 55 cu frna ncrcat la nr. 9. 0.2 A Fig. 5.4 Variaii ale coeficientului de putere Cp n funcie de viteza aerului 35


V [m/s] 5 6 7 V [m/s]

Tabel 5.6 Coeficientul de putere Cp al unor turbine existente Cp1 Turbina Bergey Cp3 Turbina Hummer Cp4 Turbina Raum Cp2 Turbina Fortis Passaat XL.1 1 kW, 500 W, d = 2.7 [m] 1.5 kW, d = 2.9 [m] 1,4 kW, d = 3,12 [m]

Cp5 Turbina EnduranceS3120 50 kW, d = 19.2 [m]

0,35918 0,3848 0,39486 Cp0Turbina det, d = 0.36 [m]

d = 2.5 [m]

0,50858 0,51506 0,46336 Cp 0/1 TurbinaBergey XL.1 1 kW, d = 2.5 [m]

0,31295 0,34308 0,38471 Cp 0/3 Turbina Cp 0/4 TurbinaRaum 1.5 kW, d = 2.9 [m]

0,19039 0,27544 0,24284 Cp 0/2 Turbina FortisPassaat 1,4 kW, d = 3,12 [m]

0,40714 0,44214 0,45428

Tabel 5.7 Calculul coeficientului de putere relativ la turbine existente. Cp 0/5 TurbinaEndurance S3120 50 kW, d = 19.2 [m] Hummer 500 W, d = 2.7 [m]

5 6 7

0,05554 0,04686 0,04081

0,05565 0,04684 0,04082

0,05563 0,04682 0,04082

0,05565 0,04677 0,04081

0,05562 0,04689 0,04092

0,05573 0,04717 0,04065

Turbina Bergey XL.1 - 1kW, d=2.5 [m] Turbina Raum - 1,5kW, d=2.9 [m] Turbina Endurance S - 3120 - 50 kW, d = 19,2 [m]

Turbina Hummer - 500W, d=2.7 [m] Turbina teza, d=0.36 [m]

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 5 6 7

V [m/s]

Fig. 5.5. Valorile coeficienilor relativi Cp0/1, Cp0/2, Cp0/3, Cp0/4, Cp0/5 comparate cu Cp0 Pentru evidenierea variaiei coeficienilor de putere ai turbinelor, din relaia puterii: 1 P =0 C

D V3 0 P0 2 4

2

,

(5.1)

se deduce expresia de calculul a coeficientului de putere Cp : P0 CP 0 = 2 D3 V 0 2 4 n care, notaiile folosite au urmtoarele semnificaii:

(5.2)

36

P

D


P0 = Puterea turbinei eoliene testate n [W]; Cp0 = coeficientul de putere al turbinei testate; V = viteza vntului n [m/s]; 3 = densitatea aerului la 500 m altitudine = 1,1 [kg/m ]; D0 = diametrul turbinei testate n [m]. Scriind relaia puterii, att pentru turbina testat (indice 0), ct i pentru o turbina existent (indice k): 1 P =0 C 2 P =k C prin mprire se obine egalitatea: P0 Pk = C0 P0 Pk

P0

1 2

D V3 0 4 D Vk 4 D 2 3

2

(5.3)2

(5.4)

2 C Pk (5.5) Dk din care, prin explicitare, se obine expresia coeficientului de putere al turbinei testate, relativ la turbina de referin k: k C P 0 = C P = C Pk .0 P D 0/k k 0 2

2

(5.6) Coeficientul CP0/k poate fi considerat drept coeficient de putere al turbinei de referina k, redus la puterea i diametrul turbinei testate. Aplicnd relaia (5.6), pentru datele din fig, 5.4 i tab. 5.6, s-au obinut rezultatele sistematizate n tab. 5.7; valorile numerice obinute n tab. 5.7 i reprezentate grafic n fig. 5.5 concord suficient de bine cu valorile corespunztoare turbinei testate (Tab. 5.6). 5.2. Concluzii i contribuii originale Din cercetrile prezentate n acest capitol se desprind urmtoarele concluzii i contribuii: a) S-au efectuat testri pe stand a turbinei propuse n diverse configuraii obinute prin reglarea parametrilor de stare relevani ai sistemului eolian: ncrcarea frnei electromagnetice (prin valoarea curentului de alimentare), numrul de pale, unghiul de nclinare a palelor (30, 45, 55, 65 si 75), viteza aerului (2 -7 m/s) i profilul palelor. b) S-au testat pale, de aceeeai arie, cu 13 profile distincte, pe baza unui program de reglare/modificare adecvat a parametrilor de stare. c) Testrile au urmrit msurarea turaiei i momentului i implicit stabilirea puterii mecanice dezvoltate de turbina sub aciunea vntului creat de tunelul aerodinamic, pentru fiecare set de valori stabilite anterior pentru parametri de stare nominalizai mai sus. d) S-au sistematizat i prelucrat rezultatele numerice ale testrilor, pe baza de tabele i diagrame, i s-au identificat valorile parametrilor de stare care asigur cele mai bune performane ale turbinei sub sarcin. e) n testrile cu frna decuplat (mers n gol), turbina a pornit de la 2 m/s, pentru fiecare tip de pal. Din datele numerice au artat c odat cu creterea unghiului de nclinare, crete momentul rezistent (de frecare) ca urmare a creterii forei axiale din lagr. f) n cazul testrilor la mers n gol, unghiul de nclinare optim al unui anumit tip de pal este reprezentat de unghiul la care turbina realizeaz turaia maxim; aadar, la mersul n

gol, palele cu cele mai bune performane sunt acelea pentru care turbina realizeaz turaii ct mai 37


g)

h)

i)

j) k)

ridicate i momente rezistente (prin frecare n lagre) ct mai reduse: astfel, pala cu nr. de ordine 13 realizeaz cea mai ridicat turaie (140 rot/min) i cel mai redus moment (0.3 Nmm) pentru unghiul de nclinare de 55. Creterea vitezei aerului, la mers n gol, este nsoit att de creterea turaiei, ct i de cea a momentului rezistent. La testrile sub sarcin, momentul de ncrcare este controlat prin valoarea curentului de alimentare a frnei electromagnetice (0, 0.1, 0.2 i 0.3 A); n aceste cazuri, viteza de pornire a turbinei crete cu creterea sarcinii frnei. Din analiza datelor numerice i grafice, rezult c, n funcie de tipul palei, puterile maxime ale turbinei corespund unghiurilor de nclinare de 55 i 65. Dintre tipurile de pale testate, turbina prevzut cu pale nr.9 realizeaz puteri maxime, pentru toate sarcinile frnei, la unghiul de nclinare de 65; rezultate apropiate sunt obinute ns i pentru unghiul de nclinare de 55; spre deosebire de pala nr. 9, palele nr. 5 i nr.13 realizeaz puteri maxime, apropiate de pala nr. 9, la unghiul de nclinare de 55. Testrile sub sarcin arat c prin creterea vitezei aerului se produce o cretere a puterii turbinei datorat cu precdere creterii turaiei: n timp ce gradientul de cretere al turaiei este relativ ridicat, gradientul de cretere al momentului este redus (momentul rmnnd apropape constant). Analiza comparativ a rezultatelor obinute n urma testrilor evideniaz faptul c palele cu nr. de ordine 9, 6, 5 i 13 realizeaz cele mai bune performane pentru unghiuri de nclinare de 65 (palele nr 6 i 9) i 55 (palele 5, 13, 9 i 6). Pe baza datelor numerice obinute din testri s-au determinat variaiile coeficientului de putere (Cp) realizat de turbin n condiiile de testare sub sarcin. Analiza comparativ, cu turbine existente de alte dimensiuni, arat c valorile coeficientului de putere al turbinei de mici dimensiuni, testate pe stand, se afl ntr-o concordan satisfctoare cu cele ale turbinelor de referin considerate.

38


6. Conceperea i realizarea unui kit eolian didactic ca instalaie amovibil de laboratorn urma rezultatelor obinute pe standul experimental de testri (prezentate n capitolul anterior), s-a conceput i dezvoltat un kit eolian didactic pentru elevi i studeni, destinat evidenierii factorilor determinani ai conversiei energiei eoliene n energie electric i pregtirii acestora pentru ntelegerea, modelarea i optimizarea turbinelor eoliene. Pe baza unor teste similare, efectuate pe cele dou instalaii, este prezentat o comparaie ntre rezultatele obinute pe standul experimental i pe kitul eolian propus i realizat ca echipament de laborator. n finalul capitolului este propus o lucrare de laborator, bazat pe utilizarea kitului eolian propus, care pune n eviden principalii factori care influeneaz practic conversia energiei eoliene n energie electric. 6.1. Structura kitului eolian didactic Conceperea i realizarea kitului eolian didactic, ca echipament de laborador, s-a bazat pe rezultatele oferite de experimentele desfurate pe standul experimental de testri (prezentate n capitolul 5); s-a urmrit realizarea unui echipament de dimensiuni reduse, caraterizat prin: vitez de pornire mic i puteri cu momente i turaii reduse.

Fig. 6.1. Componentele generatorului turbinei eoliene de mic putere Generatorul electric al turbinei eoliene, realizat n universitate, este ilustrat n figurile 6.1. i 6.2.Generatorul turbinei eoliene este o main electric sincrona cu magnei permaneni, de mic putere (5 W), capabil s funcioneze la turaii reduse: 20 400 [rot/min]; acest generator transform energia mecanic preluat de la turbin n energie electric, genernd un curent alternativ monofazat. Maina electric, utilizat ca generator, este format dintr-un stator (1) fixat pe suportul turbinei i un rotor (2); statorul (1) are form de oal i este prevzut cu ase nfurri dispuse echiunghiular, iar rotorul (2) este de tip disc cu ax central i este prevzut cu ase magnei permaneni echiunghiulari (fig.6.1).

39

, 5, 5


Fig. 6.3. Kit eolian didactic Pe lng ansamblul turbin-generator deja prezentat, kitul eolian didactic conine: un ventilator cu trei trepte de vitez pentru reglarea vitezei vntului, o rigl (utilizat la reglarea distanei dintre ventilator i turbin), un aparat de msurare pentru tensiune i curent, un anemometru pentru msurarea vitezei vntului, un turometru pentru msurarea turaiei turbinei i un suport pe care sunt montate toate componentele (fig. 6.3), cu posibilitatea demontrii rapide a acestora. 6.2. Comparaia rezultatelor oferite de standul de testri i de kitul eolian didactic Conform capitolului 5, structura standului experimental (notat simplificat n diagrame cu: st1) a permis testarea puterii mecanice ( Pm = T ) dezvoltat de turbin; spre deosebire de stand, structura kitului didactic (notat simplificat n diagrame cu: st2) permite testarea puterii electrice ( Pe = U I ), debitat de generator sub aciunea puterii mecanice debitat de turbina eolian. n urma testrilor efectuate pe standul experimental de testri i pe kitul didactic, s-a realizat, pentru verificare, o comparaie ntre puterile oferite de cele dou instalaii n aceleai condiii de testare.Pm si Pe, pentru 8 pale, nr.1, inclinate la 30 4 5900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2 2,5 3 3,5 4 V [m/s] 4,5 5 5,5 6 Pm_1_30 Pm_1_45 Pm_1_55 Pe_1_30 Pe_1_45 Pe_1_55

Fig. 6.4. Variaii ale puterii mecanice Pm i puterii electrice Pe, dezvoltate de turbina eolian pe stand (Pm) i respectiv pe kit (Pe), n cazul a 8 pale nr. 1, cu unghiurile de nclinare: 30, 45 si 55 40

?

?

3

0,

,


Pm si Pe , pe ntru 8 pale , nr.2, inclinare la 3 45 55800 700 600 Pm_2_30 500 400 300 200 100 0 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 Pm_2_45 Pm_2_55 Pe_2_30 Pe_2_45 Pe_2_55

V [m /s ]

Fig. 6.5. Variaii ale puterii mecanice Pm i puterii electrice Pe, dezvoltate de turbina eolian pe stand (Pm) i respectiv pe kit (Pe), n cazul a 8 pale nr. 2, cu unghiurile de nclinare: 30, 45 si 55 Pentru exemplificare, n continuare sunt prezentate comparativ 3 grupe de diagrame sugestive care pun n eviden buna compatibilitate a acestor rezultate. Diagramele exemplificate corespund determinrii puterii Pm (pe standul experimental: st1) i respectiv Pe (pe kitul didactic: st2). Turbina cu 8 pale, cu reglare succesiv pentru: tipul palei (nr. 1, 2, 3 i 4), unghiul de nclinare (30, 45 i 55) i viteza aerului (V=2,2,..., 5,5 m/s); rezultatele comparative obinute sunt exemplificate n fig. 6.4 i 6.5; Din analiza comparativ efectuat reies urmtoarele concluzii importante: a) Palele cu nr. de ordine 1,... , 4 realizeaz cele mai bune performane; b) Conform relaiei (1.5), randamentul conversiei energiei eoliene n energie mecanic, realizat de turbina eolian, coincide cu factorul de putere Cp i nu poate atinge practic limita lui Betz (Cp < 0,593); pentru exemplificare, n fig. 6.17 sunt ilustrate 2 variaii ale randamentului de conversie al turbinei n cazul palelor cu nr. de ordine 4 (din care reiese c randamentul scade cu creterea vitezei i crete cu unghiul de nclinare al palei, pn la 55); c) Combinnd rezultatele testelor oferite de standul experimental i de kitul didactic, poate fi determinat variaia randamentului generatorului electric al kitului n condiiile de testare:

g

Pe ; Pm

Pe = U I;

Pm = CP

1 V A 2

,

(6.1), (6.2) , (6.3)

n care notaiile folosite au semnificaiile precizate anterior. Pentru exemplificare, n fig. 6.18 sunt ilustrate 2 variaii ale randamentului generatorului n cazul palelor cu nr. de ordine 4 (spre deosebire de cazul precedent, randamentul generatorului crete att cu viteza, ct i cu unghiul de nclinare al palei, pn la 55).

41


Randament mecanic, pentru 8 pale inclinate la 45 , 551

Randament generator, pentru 8 pale nr.4, inclinate la 45 , 55

0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,065 4_4 5 4_5

0,995 0,99 0,985 0,98 0,975 0,97 0,965 0,96 0,955 0,95 3,5 4 4,5 V [m/s] 5 5,5 4_45 4_55

0,04 0,02 0 2 2,5 3 3,5 4 V [m/s] 4,5 5 5,5 6

Fig. 6.17. Variaii ale randamentului mecanic al turbinei cu 8 pale nr. 4 nclinate la 45 i 55

Fig. 6.18. Variaii ale randamentului generatorului electric n condiiile fig. 6.17

Din analiza comparativ a diagramelor obinute, se desprind urmtoarele concluzii privind conversia energiei eoliene n elenegie electric: a) Pentru toate tipurile de pal, puterea electric crete cu viteza aerului i cu unghiul de nclinare (pn la 55); b) Variaiile puterilor maxime, obinute pentru nclinarea de 55 (fig.6.24), arat faptul c cele 4 pale analizate realizeaz performane apropiate.Diagrama profilelor de pala la 55 grd stand initial, 8 pale900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 2 2,5 3 3,5 4 V [m/s] 4,5 5 5,5 6 1_55 2_55 3_55 4_55

Fig. 6.24. Variaii ale puterii electrice Pe, dezvoltat de generatorul turbinei eoliene, n cazul a 8 pale nr. 1, 2, 3, 4, cu unghiul de nclinare: 55 6.4. Concluzii i contribuii originale Din cercetrile prezentate n acest capitol se desprind urmtoarele concluzii i contribuii: Concluzii: a. Modelrile dezvoltate, confirmate de cercetrile experimentale pe stand, prezentate 42


n capitolele anterioare, au creat baza tematic i experimental de concepere i dezvoltare a kitului eolian de laborator prezentat. b. Kitul conceput are o structur flexibil permind efectuarea de lucrri de laborator complexe cu evidenierea modului n care parametrii constructivi i de poziionare a palelor, numrul de pale, viteza vntului influeneaz eficiena turbinei eoliene. c. Compararea rezultatelor experimentale obinute pe standul experimental pentru diverse profile de pale i ncrcri ale acestora cu cele obinute pe kitul dezvoltat comfirm similitudinea acestora. d. Kitul dezvoltat permite elevilor, studenilor i celor care se instruiesc n domeniul conversiei energiei eoliene n energie electric dezvoltarea de cunoatere i de nelegere a principiului conversiei i a factorilor care influeneaz eficiena conversiei. Contribuii: a) Conceperea kitului eolian didactic ca echipament de laborator pe baza concluziilor desprinse din cercetrile teoretice i experimentale anterior prezentate. b) Dezvoltarea produsului fizic prin conceperea i execuia prilor componente n centrul de Cercetare Design de Produs pentru Dezvoltare Durabil. c) Dezvoltarea unui kit caracterizat prin vitez mic de pornire, moment i turaie reduse, de mic puere (5W) i funcionare la turaii de 20-40 rot/min, posibil a fi testat n condiii de laborator prin folosirea ca surs de potenial eolian un ventilator cu trei trepte de viteze. d) Conceptul dezvoltat, care asigur kitului o structur flexibil permind modificarea parametrilor constructivi i poziionali ai palelor, tipul i numrul de pale, este testat pentru pale trapezoidale, dreptunghiulare, romboidale, ovale, montate la diverse unghiuri de nclinare (30, 45, 55), numrul de pale fiind 8, iar viteza vntului V = 2.2,..., 5.5 m/s. e) Pentru toate cazurile anterior menionate, rezultatele obinute pe kitul experimental (puterea electric debitat de generator) sunt comparate cu cele obinute pe standul experimental (puterea mecanic). f) Puterile realizate n testarea tuturor tipurilor de pale care au viteza aerului i unghiul de nclinare al palelor, puterea maxim fiind generat pentru nclinarea de 55. g) Similitudinea puterilor mecanice obinute pe standul experimental i a puterilor electrice obinute pe kit, arat un randament ridicat (peste 90%) al generatorului electric al kitului. h) Analiza comparativ a comportamentului turbinei la diverse tipuri de pale i unghiuri de poziionare arat o scdere a vitezei de pornire de la 4,8 m/s la unghiul de nclinare de 30, pn la 2,5 m/s la unghiul de nclinare de 55. i) Descrierea etapelor de dezvoltare a lucrrii de laborator i a parametrilor urmrii n analiza eficienei turbinei.

43


7. Concluzii finale, contribuii i diseminarea rezultatelorLucrarea elaborat are ca obiectiv principal proiectarea, conceperea i implementarea unei turbine eoliene de mic care s porneasc de viteze mici ale vntului specifice zonelor din Romnia, cu pre de cost redus i simpl din punct de vedere constructiv. Aria de cercetare a acestui program de doctorat se nscrie n domeniile prioritare de cercetare stabilite la nivel european, prin programul FP7 se ncadreaz n aria tematic Energie i face parte din subaria tematic Producerea de electriciate din surse regenerabile. Lucrarea Studiul adaptabiliti turbinelor eoliene de

48159904-negreaionela

Documents