ptdee704

Cap. 7 Centrale Electrice Eoliene

217

Cap. 7 CENTRALE ELECTRICE EOLIENE

7.1 Potenialul energetic eolian [7]Ideea folosirii potenialului energetic al vntului se pierde n negura preistoriei,

cnd au fost construite navele cu vele. Egiptenii, chinezii i grecii foloseau astfel de ambarcaiuni nc nainte de era noastr. Ulterior, vikingii i spaniolii dezvolt aceast tehnic.

n evul mediu ncepe s fie utilizat vntul i pe uscat: sunt cunoscute morile de vnt olandeze care se utilizeaz i n prezent. i la noi n ar se utilizau mori de vnt, mai ales n zona Moldovei i a Dobrogei.

Utilizarea energiei eoliene pentru producerea energiei electrice apare ca o soluie, demn de luat n seam, la criza energetic declanat n anii 70. Se demareaz programe pentru cercetarea acestui potenial energetic n multe ri ale globului. Astfel, Danemarca, puternic lovit de criza petrolului, trece laboratorul guvernamental de cercetare energetic de la Riso, de la cercetri nucleare la cercetri eoliene. Pornind de la o experien anterioar (n 1891 inginerul danez Paul La Cour realiza prima turbin generatoare de electricitate din lume, cu o putere de 8 kW), n civa ani au dezvoltat o tehnologie cu care azi domin industria generatoarelor eoliene din ntreaga lume. Guvernul danez a subvenionat realizarea de centrale eoliene cu 30% din costurile de investiii i impunnd societilor de distribuie s cumpere electricitatea generat la un pre convenabil. Rezultatele sunt vizibile pe tot teritoriul Danemarcei. Izolate sau n grupuri mici, mii de turbine suple i albe, orizontale cu trei pale, de 20-30 m diametru, se nal pe fondul verde ondulat al peisajului. n total, Danemarca avea aproximativ 3600 de turbine eoliene n 1994, cu o capacitate de 500 MW. Aceasta face ca Danemarca s fie a doua mare utilizatoare de energie eolian din lume, producnd 3% din energia electric a rii i prima exportatoare de echipament eolian.

La nceputul anilor 80 aceast surs de energie primete un nou avnt n California (SUA). i aici a intervenit statul cu faciliti de creditare i prin impunerea uzinelor electrice s cumpere energia electric produs din surse refolosibile la preuri prefereniale fa de cea generat convenional. ntre 1982 i 1992 s-au instalat n California aproape 15000 de turbine eoliene, cu o putere instalat de 1600 MW. Multe nu au rezistat i s-au mai importat 7500 din Danemarca. S-au ncercat, cu ajutorul companiilor Westinghouse i Boeing, realizarea unor turbine gigant , dar fr rezultate.

n general costul unui kWh produs pe cale eolian este n prezent de 7 ceni, aproape dublu fa de 4 ceni la centralele electrice noi pe crbune sau gaz natural, dar nu mai este mult pn va deveni competitiv.

Un al treilea val al energiei eoliene afecteaz din anii 90 i Europa. Danemarca va fi depit n curnd de Germania, Olanda i Marea Britanie n utilizarea energiei eoliene. Astfel la nivelul anului 1995 puterea instalat n centralele eoliene din Europa era de 2170 MW, din care: 900 MW n Germania, 592 MW n

Instalaii pentru Producerea Energiei Electrice

218

Danemarca, 200 MW n Olanda, 190 MW n Anglia i 123 MW n Spania.Goana dup vnt s-a extins i n alte pri ale globului: Mexic, Argentina,

China i Noua Zeeland.La nivelul anului 1996 erau instalai n lume 5000 MW eolieni, din care 2500

MW n Europa i de atunci puterea eolian instalat a tot crescut cu aproximativ 1000 MW anual .

Energia vnturilor i are originea tot n energia solar, datorit diferenelor de presiune i temperatur din atmosfer, diferene create prin nclzirea neuniform a aerului.

Sunt cunoscute alizeele care bat nspre ecuator (i dinspre nord i dinspre sud) deoarece aerul de aici , fiind mai cald se ridic i locul lui este luat de aerul de la tropice. Dar datorit ineriei mecanice a aerului la rotaia globului n jurul axei sale, aceste alizee vor avea o direcie nclinat fa de meridian. Aceast nclinaie diferit deasupra i sub ecuator i-au permis lui Columb s ajung cu vase cu vele de pe coastele Europei i Africii pe coastele Americii i s gseasc i vnturi de ntors.

De asemenea la grania dintre apa mrilor i uscat apar brizele marine, care noaptea bat dinspre uscat spre mare i ziua dinspre mare spre uscat, datorit variaiei temperaturii solului dintre zi i noapte, tot din cauza radiaiei solare.

Se apreciaz c rmurile mrilor i oceanelor posed cele mai mari rezerve de energie eolian.

O alt zon cu potenial eolian ridicat este zona defileurilor i trectorilor din muni.

Rezervele anuale poteniale ale energiei eoliene la nivelul globului, sunt estimate de ctre specialiti la 2.6x1014 kWh. Aceste rezerve depesc de multe ori consumul mondial anual de energie electric, dar ele nu pot fi exploatate dect n proporie redus din cauza a numeroase constrngeri, determinate de caracteristicile vntului: concentrarea relativ mic a energiei i inconstana vitezei vntului (puterea dezvoltat variaz proporional cu cubul vitezei).

Comparativ cu potenialul energetic solar, cel eolian este mai favorabil, deoarece vnturile bat i noaptea, dei el reprezint numai circa 2% din cel care ne vine de la soare pe pmnt.

7.2 Limitele de putere a captatoarelor eoliene [2]

7.2.1 Puterea vntului

Puterea vntului se poate determina plecnd de la energia cinetic a unui curent de aer cu vitez constant:

2

2vmE

. (7.1)n aceast relaie m reprezint masa de aer care trece prin suprafaa unui captator

eolian ntr-un interval t,


219

tqtvSm , (7.2)unde q=Sv este debitul masic de aer prin suprafaa captatorului.

Puterea curentului de aer se obine diviznd cu t energia vntului (7.1), obinnd

relaia:22

23 vqvSP

. (7.3)Dac S=1 m2 , tiind c =1.226 kg/m3, rezult o relaie de calcul rapid a puterii:

3

10613.0

vP [kW/m2]. (7.4)

Aceasta este puterea total a unui curent de aer. Nici unul din captatoarele eoliene cunoscute nu poate utiliza integral puterea curentului de aer care l strbate. Dac aceasta ar fi utilizat integral, atunci aerul la ieirea din turbin ar trebui s rmn nemicat, ori este inadmisibil acumularea unei mase mari de aer n apropierea rotorului turbinei eoliene. Deci este clar c aerul care strbate o turbin eolian, pentru ca aceasta s poat funciona, trebuie s mai posede la ieirea din turbin o anumit energie cinetic.

Puterea maxim preluat se poate determina n principiu, lund n considerare numai modificarea vitezei vntului la trecerea prin turbina eolian. Calculul se efectueaz pornind de la ipoteza simplificatoare a incompresibilitii aerului la trecerea prin captator.

7.2.2 Cazul captatorului eolian cu ax orizontal

Captatoarele eoliene cu ax orizontal au o elice asemntoare cu elicile de avion, fiind necesar orientarea lor dup direcia vntului.

Se consider un tub de curent de aer avnd seciunea egal cu suprafaa descris de captatorul eolian de rotaie (fig. 7.1). n amonte de captator, viteza vntului este v1, iar n aval de acesta devine v2, n dreptul captatorului viteza fiind v.

a) b)Fig. 7.1 Captatorul cu ax orizontal n tubul de curent.

Puterea preluat de captator poate fi considerat ca diferena puterilor curentului

de aer nainte de captator 2

21

1

vqP

(7.5)

i dup captator2

22

2

vqP

, (7.6)

v v2v1 v1 v

S1

v2

S S2


220

considernd acelai debit masic de aer:vS

t

mq . (7.7)

Rezult expresia puterii captate: 22212 vvv

SP . (7.8)

Pe de alt parte, se poate calcula aceeai putere ca produsul dintre variaia impulsului curentului de aer la trecerea prin captator i viteza acestuia n dreptul captatorului: v

t

pP

. (7.9)

Deoarece 2121 vvvSvvqtp

, (7.10)

se obine o alt expresie a puterii preluate: 212 vvvSP . (7.11)

Egalnd cele dou expresii, rezult pentru viteza vntului n dreptul captatorului:

221 vvv

, (7.12)ceea ce corespunde unei variaii liniare a vitezei. Introducnd aceast expresie a vitezei n expresia puterii (7.11) i scond factor comun viteza v1 din amonte de

captator, se obine

2

1

2

1

231 114 v

v

v

vv

SP

, (7.13)

ceea ce nseamn c puterea preluat depinde de raportul

1

2

v

vx . (7.14)

Introducnd aceast necunoscut n (7.13), valoarea lui x pentru care puterea preluat este maxim se obine prin punerea condiiei:

.0114

231

xxvS

dx

d (7.15)

Rezult, pentru condiia de maxim, soluia x=1/3, pentru care puterea preluat

este227

16 31max

vSP . (7.16)

Aadar, puterea maxim preluat se ridic la circa 0.592 din puterea curentului de aer i se obine cnd viteza vntului la ieirea din turbina eolian are o valoare de o treime din valoarea iniial. Aceast valoare este cunoscut sub numele de limita lui Betz.

Dac corectm calculul anterior innd cont de ecuaia de continuitate a curgerii aerului:

vSvS 11 , (7.17)


221

pentru acelai raport v2/v1=1/3, se obine viteza vntului n seciunea captatorului:

33

1

2

1 111

vvvv

, (7.18)

iar seciunea curentului de aer n dreptul captatorului (fig. 7.1 b),

2

3 1SS . (7.19)Ca urmare, puterea preluat de captator va fi:

29

8 31max

vSP . ( 7.20)

Ar rezulta astfel o limit de putere mult mai ridicat. Deci o astfel de construcie cu seciune variabil ar fi mai avantajoas, dar foarte greu de conceput practic.

7.2.3 Cazul captatoarelor cu ax vertical

n acest caz palele turbinei sunt verticale, dispuse pe radial pe circumferina unui cilindru. La acest tip de turbin nu conteaz direcia vntului, dar trebuiesc luate msuri ca jumtate din circumferina turbinei s nu fie activ. n figura 7.2 se prezint acest captator amplasat n tubul de curent.

Fig.7.2 Captatorul cu ax vertical n tubul de curent

n aceast situaie, curentul de aer traverseaz de dou ori suprafaa captatorului, modificndu-i de dou ori viteza, nct puterea preluat de captator se va obine ca: 2211 mm vFvFP , (7.21)

unde 2

11

vvvm

i 2

22

vvvm

.Forele se obin ca variaii ale impulsului maselor de aer n unitatea de timp:

vvvSvvqF 111 , (7.22) 222 vvvSvvqF . (7.23)

Considernd ca i n cazul precedent o variaie liniar a vitezei vntului la trecerea prin rotor: x

v

v

v

v 21

(7.24)

se obine 2

111

xvvm

, 2

112

xxvvm

(7.25)

v1v2v

SS1 S2


222

i xxvSF 1211 , xxvSF 12212 , (7.26)iar expresia puterii preluate devine

431 12

xxv

SP . (7.27)

Soluia ecuaiei dP/dx=0 este 4 5/1x , ceea ce conduce la

253.0

31

max

vSP . (7.28)

Dac i n acest caz se ine cont de ecuaia de continuitate a curgerii, se obine

x

S

v

vSS 111 , (7.29)

astfel c puterea maxim devine2

79.031

1max

vSP . (7.30)

Aceste valori globale ale limitei de putere sunt mai mari dect cele obinute n practic. Determinarea mai precis a acestor limite necesit modelarea matematic a echilibrului local al forelor ce acioneaz asupra elementelor captatorului.

n general putem exprima puterea preluat de un captator eolian prin relaia:vp PcP , (7.31)

unde Pv este puterea curentului de aer care traverseaz suprafaa captatorului, iar cpeste coeficientul de putere al acestuia, care depinde de construcia rotorului i de regimul de turaie al acestuia, exprimat prin parametrul

v

u (7.32)numit rapiditate. n expresia anterioar u este viteza liniar la periferia rotorului, iar v este viteza vntului. Funcia cp() prezint o variaie neliniar incluznd un maxim, cruia i corespunde puterea maxim preluat de captator. n figura 7.3 se prezint o astfel de caracteristic de putere determinat experimental.

Fig. 7.3 Caracteristica de putere a unui agregat eolian.

Deoarece puterea dezvoltat de un captator eolian nu este constant, variaz proporional cu puterea a treia a vitezei vntului, puterea lui nominal se

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1 2.2 4 6 8 10 12 13.5

cp


223

consider egal cu puterea generatorului electric sau a mainii de lucru antrenate. Pentru a nu se depi aceast putere captatoarele eoliene se prevd cu sisteme de

reglare automat a puterii (prin modificarea unghiului de atac a palelor, a suprafeei lor etc.), iar la viteze ale vntului care depesc viteza maxim admisibil, funcionarea va fi ntrerupt (prin aezarea palelor paralel cu direcia vntului, mpiedicarea accesului vntului etc.) pentru a evita distrugerea rotorului. n figura 7.4 este prezentat modul de variaie a puterii furnizate de o instalaie eolian n funcie de viteza vntului.

Fig. 7.4 Variaia puterii dezvoltate cu viteza.

Dei are un interval de putere dezvoltat constant, totui exist intervale maride timp cnd viteza vntului este prea mic sau prea mare i instalaia eolian nu produce energie electric. Pentru acest fapt sunt necesare sisteme de acumulare a energiei electrice produse.

7.3 Tipuri constructive de captatoare eoliene [3]

7.3.1 Captatoare cu ax orizontal

Aceast categorie cuprinde captatoarele cele mai performante din punct de vedere al coeficientului de putere i a posibilitilor de reglare a puterii. n figura 7.5 se prezint cea mai cunoscut variant constructiv.

Fig.7.5 Turbin eolian cu ax orizontal.

Rotorul acestei turbine este echipat cu dou, trei sau mai multe pale, asemntoare cu cele ale unei elice de avion att n privina profilului ct i a posibilitilor de rotire n jurul axului propriu (de modificare a unghiului de atac).

Cele cu dou sau trei pale mai poart denumirea de moar olandez, iar cele cu

Pn

P

v

vmaxvmin vn


224

un numr foarte mare de pale poart denumirea de moar american.De asemenea, se poate observa sistemul de orientare dup direcia vntului sub

forma unei aripi sau coad de orientare.Aceast soluie constructiv se adopt i la puteri mici, dar i la cele mai mari

puteri (diametre peste 100 m).Exist i construcii cu ax orizontal, perpendicular pe direcia vntului (de tip

baraj eolian sau cu micare oscilant), dar mai puin folosite.

7.3.2 Captatoare eoliene cu ax vertical

Acestea au cele mai multe variante constructive. Ele, de regul, nu au nevoie de sistem de orientare dup direcia vntului.

7.3.2.1 Captatoarele eoliene cu rezisten simplLa aceste turbine eoliene, fora motoare se obine ca efect al aciunii vntului pe

palele (verticale) care se deplaseaz n direcia acestuia. Micarea rotorului este posibil numai dac o jumtate de circumferin este ecranat (varianta a) sau dac palele sunt articulate n aa fel nct preiau impuls mecanic numai acelea care se deplaseaz n direcia vntului (varianta b).

a) b)Fig. 7.6 Turbine eoliene cu ax vertical i rezisten simpl:

a) cu rotor ecranat; b) cu pale batante.Aceste variante s-au realizat practic numai pentru puteri mici. Exist un mare

numr de brevete cu cele mai diverse i originale sisteme de anulare a forei pe o jumtate din rotor.

7.3.2.2 Captatoare eoliene cu diferen de rezistenLa aceste captatoare fora motoare se obine ca diferena dintre forele de

rezisten exercitate pe palele care se deplaseaz n sensul vntului (concave) i palele care se deplaseaz n sens contrar (convexe), soluia constructiv fiind prezentat n figura 7.7 a.

O variant interesant este rotorul Savonius (fig.7.7 b si c), format din doi semicilindrii cu axele paralele i decalate astfel nct s permit intrarea curentului de aer ntre acetia. n acest caz, fora motoare apare att datorit diferenei de rezisten ct i datorit impulsului creat prin schimbarea direciei curentului de aer


225

n interiorul rotorului. Prin urmare acest tip de turbin necesit pentru demaraj cele mai sczute viteze ale vntului (35 m/s).

Aceast soluie prezint i o posibilitate simpl de reglare a puterii preluate de la curentul de aer prin modificarea distanei dintre cei doi semicilindrii i deci a deschiderii rotorului. La depirea vitezei admisibile a vntului prin apropierea pn la suprapunere a axelor semicilindrilor puterea preluat devine nul i turbina nu se mai rotete.

a) b) c)Fig. 7.7 Turbine eoliene cu ax vertical i diferen de rezisten.

a) tip moric; b) cu rotor Savonius; c) cu rotor Savonius vedere de sus.Dezavantajul principal al turbinei Savonius este legat de greutatea ei mare, dat

de suprafeele mari din tabl necesare.Pentru puteri mari se utilizeaz i aici pale cu forma aripii de avion la care fora

motoare este de tip for portant sau rotoare sub form de turbin.O variant interesant este turbina eolian Darrieus (fig.7.8), inventat n 1925

i restudiat dup 1970. Aceasta are palele flexibile i de tip panglic. Acestea n zona activ au un profil asemntor aripii de avion. Fiecare pal (2-3 pale) este ndoit, avnd forma simetric pe care o ia o funie atunci cnd se rotete n jurul unei axe verticale.

Fig. 7.8 Turbina eolian Darrieus.


226

Palele sunt supuse la ntindere n timpul funcionrii. De asemenea aceast turbin nu necesit un mecanism special de protecie mpotriva vnturilor prea tari, deoarece datorit proprietilor sale aerodinamice rotorul Darrieus i micoreaz viteza la vnturi tari.

Un dezavantaj al acestei turbine este c nu pornete singur. Fie se utilizeaz, pentru pornire, generatorul electric n regim de motor, fie se monteaz cu un mic rotor Savonius pe acelai ax.

i turbinele Darrieus s-au realizat pentru puteri de ordinul MW-lor i nlimi pn la 200 m.

Captatoarele eoliene cu ax vertical sunt mai avantajoase dect cele cu ax orizontal, att prin faptul c sunt omnidirecionale, nu au nevoie de dispozitive de orientare dup direcia vntului, ct i datorit faptului c energia mecanic este accesibil la sol, nu e nevoie de nacel pentru montarea generatorului.

Exist nc foarte multe alte tipuri de captatoare eoliene: motoare eoliene oscilante, captatoare solaro-eoliene de tip turn termic, turbina Tornado etc. Toate sunt tratate pe larg n bibliografia indicat la sfritul capitolului.

7.4 Instalaia electric a centralelor electrice eoliene [3, 10]Principalele domenii de utilizare a energiei mecanice obinute la axul turbinei

eoliene sunt: pomparea apei, comprimarea aerului, producerea de cldur dar cel mai important domeniu este producerea de energie electric.

Energia electric produs pe cale eolian are cteva caracteristici specifice care afecteaz utilizarea ei i integrarea generatoarelor electrice eoliene n sistemele electroenergetice.

Energia eolian este: accesibil n multe ri dar concentrat n arii specifice; intermitent, adic are caracter aleatoriu; fluctuant, adic chiar cnd avem vnt producerea de energie electric se

poate schimba n cteva secunde; difuz, adic n zonele favorabile, turbinele se amplaseaz pe suprafee

ntinse (km2); imprevizibil, nu se poate prevedea dect pe termene foarte scurte.

7.4.1 Producerea de energie electric de curent continuuSe utilizeaz ndeosebi n instalaiile de putere mic i utilizeaz fie generatoare

de c.c. sau alternatoare asociate cu un redresor. Ultima soluie este mai avantajoas, alternatorul avnd un gabarit mult mai mic (greutate de dou ori mai mic dect un dinam la aceeai putere).

Energia obinut poate fi stocat n acumulatoare i apoi distribuit la tensiune constant. n figura 7.9 se prezint schema bloc a unei astfel de instalaii eoliene (la puterea ei mic este impropriu s-i spunem central).


227

Turbinele eoliene folosite sunt de regul cu ax vertical.

Fig. 7.9 Schema bloc a unei instalaii eoliene de putere mic

7.4.2 Producerea de curent alternativ cu generatoare sincrone

n acest caz, generatorul sincron poate funciona fie la turaie variabil, fie la turaie constant.

Varianta cu turaie variabil, se utilizeaz n reele izolate fa de sistemul energetic. Aceast energie nu ndeplinete indicatorii eseniali de calitate i nu poate fi utilizat dect la anumite aplicaii: nclzire electric i iluminat.

Varianta cu turaie constant, implic existena unor mijloace de reglare foarte sofisticate a turaiei prin reglarea nclinrii palelor turbinei i nu se justific dect la puteri mari. Aceste generatoare eoliene pot fi legate la sistemul electroenergetic.

Un sistem foarte des utilizat este prezentat n Fig. 7.10.

Fig. 7.10 Posibilitatea de funcionare a unui generator eolian cu turaie variabil i conectat la sistemul electroenergetic.

Acesta permite utilizarea generatorului sincron la turaie variabil (la diferite viteze ale vntului), sau chiar utilizarea unui generator sincron inelar cu un foarte mare numr de perechi de poli, frecven mrit, deoarece tensiunea generat este oricum redresat. Acest sistem se poate racorda la sistemul electroenergetic, dup cum se vede din figur.

AcumulatorAlternator Redresor

InvertorSarcina de c.a.

Regulator de tensiune

~ =

= ~

Control

Acumulator

Contactor static

Sistemul electroenergetic

Sarcini (Consumatori)


228

Folosirea de invertoare introduce armonici n sistemul electroenergetic. Din acest motiv se utilizeaz, de regul, invertoare echipate cu GTO i comandate n sistem PWM. De asemenea se prevd filtre de absorbie a armonicilor la racordul cu reeaua electric.

Exist i generatoare sincrone funcionnd la turaie variabil i racordate la reeaua de frecven industrial fr convertizor de frecven, dar prevzute cu un sistem complex de reglare cu orientare dup cmp.

7.4.3 Producerea de curent alternativ cu generatoare asincrone sau deinducie

Motoarele asincrone antrenate, cu o turaie superioar celei de sincronism devin generatoare de energie electric. Frecvena este impus de reeaua la care se racordeaz, de la care se absoarbe i energia reactiv necesar crerii cmpului magnetic nvrtitor. Puterea dezvoltat de generator depinde de turaie.

n centralele electrice eoliene, generatorul asincron sau de inducie este cel mai utilizat datorit urmtoarelor avantaje:

sunt mai ieftine i necesit ntreinere mult mai puin n raport cu celelalte tipuri de generatoare;

pornirea i punerea n paralel cu sistemul electroenergetic nu necesit dispozitive speciale;

funcionare mai sigur la defecte n reea (dispariia tensiunii), repornirea este nsoit doar de un curent mai mare de cteva ori dect cel nominal.

Dezavantajele lui ar fi curentul mai mare la pornire i consumul de energie reactiv din reea.

Ele se prevd cu baterii de condensatoare pentru producerea energiei reactive, pentru a putea fi folosite i izolat, nelegate la sistemul electroenergetic.

7.4.4 Racordarea la sistemul energetic a generatoarelor eoliene

Racordarea la sistemul energetic a generatoarelor eoliene are urmtoarele avantaje:

nu se pune problema distanei dintre locul de producere a energiei eoliene (loc cu potenial eolian ridicat) i locul de consum al acestei energii;

sistemul electroenergetic preia fluctuaiile de energie produs i caracterul intermitent al acestei producii, cu condiia ca ponderea energiei eoliene s nu fie prea mare ntr-o anumit zon;

permit funcionarea generatoarelor asincrone, furnizndu-le energia reactiv necesar.

Avnd n vedere puterile curente ale generatoarelor eoliene, integrarea lor n sistemul energetic are loc astfel:

la puteri de 1 10 MW, racordarea se face n reelele de nalt tensiune;


229

la puteri de 100 kW 1 MW, racordarea se face la reelele de medie tensiune ale sistemului electroenergetic;

la puteri de 1 100 kW, racordarea se face la reeaua de joas tensiune a SEE;

generatoarele eoliene cu puterea sub 1 kW se utilizeaz de regul pentru alimentri de consumatori izolai, deci nu se racordeaz la SEE.

n practic se utilizeaz i soluii hibride de producere a energiei electrice. Astfel o combinaie ntre o instalaie fotovoltaic i una eolian asigur o producie de energie electric mai puin intermitent, deoarece vntul i soarele de regul nu se suprapun (vntul sufl i noaptea cnd nu e soare). Mai se utilizeaz i grupuri Diesel de rezerv, la reelele izolate pentru a face fa situaiei cnd nu avem nici vnt, nici soare i puterile instalate sunt aa de mari c depesc posibilitile de acumulare eficient a energiei.

Distribuia pe arii largi a generatoarelor eoliene faciliteaz preluarea de ctre SEE a fluctuaiilor de putere produs pe cale eolian i permite alimentarea local a unor consumatori, reducnd costul transportului energiei electrice.

De asemenea producerea de energie eolian are ca efect principal reducerea consumului de combustibili fosili pentru producia de energie electric i deci a emisiilor lor poluante.

7.4.5 Construcia unei centrale electrice eolienePrin central electric eolian se nelege o instalaie electric eolian complex,

racordat la sistemul electroenergetic i livrat la cheie. O astfel de instalaie cu generator eolian cu ax orizontal (cel mai rspndit), cuprinde urmtoarele componente (Fig. 7.11):

turbina eolian, cu palele elicei 1, rotorul 2 i axul principal 3; transmisia mecanic, cu multiplicatorul de turaie (nu reductor) 4, sistem de

frnare (de obicei frn disc) i un ambreiaj cu alunecare 5; generatorul electric 7; sistemul hidraulic de orientare dup direcia vntului 8; nacela, care cuprinde componentele anterioare 6; stlpul de susinere 11; cablul de evacuare a energiei electrice produse; cablul de telecomunicaii pentru supravegherea instalaiei (SCADA); calculatorul de proces pentru conducerea funcionrii instalaiei.Turaia turbinei este meninut constant prin reglarea unghiului de nclinare a

palelor turbinei. La vnturi slabe ele vor avea cea mai mare suprafa lovit de vnt iar pe msur ce viteza vntului crete aceast suprafa se reduce prin rotirea palelor n jurul axei lor. Elicea are de cele mai multe ori 3 pale i se rotete cu o turaie redus (20 50 rot/min). turaia este multiplicat printr-un reductor montat invers pn la turaia necesar generatorului asincron (peste 400 rot/min).


230

Generatorul pornete la viteze ale vntului peste 12 km/h (3.3 m/s).Dac viteza vntului depete 90 km/h (25 m/s), turbina se va opri automat

pentru a evita distrugerea. Palele sunt rotite la rezisten minim fa de vnt i se cupleaz frna disc de siguran. El este proiectat s reziste la vnturi de viteze maxime 216 km/h.

Turbina este controlat electronic. Microprocesoare sunt utilizate pentru a porni, opri i monitoriza funcionarea turbinei.

Nu sunt prezentate pe figur cablurile de for i de comunicaii care sunt pozate pe acelai traseu prin turn.

Fig. 7.11 Structura unei centrale electrice eoliene cu ax orizontal: 1 pala elicei; 2 butucul rotorului; 3 ax; 4 reductor cu frn; 5 ambreiaj; 6

nacel; 7 generator; 8 unitate hidraulic; 9 antrenare rotire nacel; 10 coroan dinat; 11 turn.

n continuare se prezint caracteristicile tehnice ale unei centrale eoliene asemntoare celei de mai sus fabricat n Danemarca:

Puterea maxim livrat 225kW; Curentul maxim livrat 400A; Tensiunea generatorului 400V AC; Frecvena 50 Hz; Turaia generatorului 760 rpm; Diametrul rotorului turbinei 27m; Pale (din fibr de sticl) 3; Turaia rotorului 33 rpm; Raportul de multiplicare al reductorului 1:23.3; Greutate Nacel 7.9 t; Greutate rotor 2.9 t; Greutate turn 12 t;

1

23 4 5

7

8

9

11

10

6


231

nlime 31.5 m; Viteza minim de pornire 3.5 m/s; Viteza nominal a vntului 13.5 m/s; Viteza periculoas la care se oprete automat 25 m/s.Aceste generatoare eoliene funcioneaz fr personal permanent, fiind conduse

cu microprocesoare, dar ele necesit ntreinere periodic, avnd piese n micare i deci care se pot uza.

7.4.6 Firme productoare de generatoare eolieneDm mai jos numele a cteva din sutele de firme existente pe plan mondial care

produc generatoare eoliene i de asemenea principalele lor produse: Northern Power Systems (NPS), este unul din productorii americani de

generatoare eoliene cu ax orizontal. Produse de baz: NPS 250 kW i NPS 100 kW;

Kenetech Windpower Inc. din SUA, fabric turbine cu ax orizontal avansate cu puteri 300 400 kW, care livreaz energia la un cost de circa 5 ceni/kWh;

Flowind, SUA, compania lui Bob Lynette, produce turbine eoliene dup o concepie original. Aceast firm produce i turbine eoliene cu ax vertical;

Carter Inc. din SUA, produce cea mai ieftin central eolian de pe pia, la cei 132000 USD pentru o putere instalat de 300 kW;

Enercon din Germania, produce turbine eoliene cu vitez variabil i puteri pn la 500 kW, de mai bine de 15 ani;

Autoflug Energietechnik, din Germania, produce turbine eoliene pn la 1 MW;

Nedwind, USA, produce generatoare eoliene cu ax orizontal i dou pale de 250, 500 i 1000 MW;

Mitsubishi, Japonia, produce turbine eoliene cu puterea de pn la 500 kW; Nordex, Danemarca, produce turbine eoliene cu ax orizontal i trei pale cu

puteri de 150 i 250 kW, cu vitez constant i echipate cu generator de inducie;

Tacke, SUA, produce turbine cu ax orizontal i puteri de 300 kW i 600 kW; TRM, Israel, produce turbine eoliene cu ax orizontal i trei pale la puterea de

250 kW; Vestas, SUA, unul din cei mai mari productori de generatoare eoliene de la

puteri mici pn la 1.5 MW; WEG i Zond, SUA;i la noi n ar s-au realizat instalaii eoliene la ICPE Bucureti, ICEMENERG

Bucureti, INCREST Bucureti, Universitile Tehnice din Iai i Timioara i Universitatea din Braov. S-au obinut puteri de pn la 100 kW.


232

PROBLEME

P 7.1 S se calculeze costul energiei electrice livrate de o central electric eolian echipat cu un generator eolian de Pi=300 kW, dac se cunosc urmtoarele:

Durata de utilizare anual a puterii instalate este Tu=3000 h; Costul specific de investiii cs=1400 USD/kW; ntreinerea cost anual circa 1.5% din costul de investiie; Chiria terenului cost anual 1 % din costul iniial; Durata estimat de via a centralei N=20 ani.S se stabileasc i structura acestui cost.

Soluie: Energia produs pe durata de via a centralei:

MWhTPNE ui61018300030020 .

Cheltuielile totale pe durata de via vor fi:

.63000084000126000420000

)2001.020015.01(1400300100

1

100

5.11(

USD

NNcPC si

Costul unui kWh produs va fi:

.5.31018

6300006 kWh

cents

kWh

USD

E

Cc

Din acetia:

kWh

cents33.2

630000

4200005.3 sunt datorai investiiei (66%);

kWh

cents7.0

630000

1260005.3 sunt datorai ntreinerii (20%);

kWh

cents47.0

630000

840005.3 sunt datorai chiriei terenului i altor taxe (14%);

P 7.2 S se dimensioneze rotorul (lungimea palelor) unui generator eolian cu ax orizontal i trei elice de lime medie l=0.6 m cu puterea instalat Pi=300 kW la viteza nominal a vntului de 20 m/s i s se afle turaia rotorului dac se cunoate rapiditatea acestei turbine (raportul ntre viteza periferic a palelor i viteza aerului) =6. Se cunoate densitatea aerului a=1.226 kg/m3.

Soluie:Se pleac de la expresia puterii maxime preluate de generatorul eolian cu axul

orizontal (relaia 7.20):

29

8 31max

vSP .


233

De aici se scoate expresia suprafeei totale a palelor:2

3369

20226.14

3000009

4

9m

v

PS i

De aici se poate calcula lungimea unei pale:

.386.03

69

3m

l

SL

Prin urmare diametrul rotorului va fi aproximativ 76 m.

Rapiditatea turbinei este dat de relaia (7.32): v

u , unde u este viteza periferic a rotorului. De aici se poate calcula:

s

mvu 120206 .

Apoi calculm:s

rad

R

u15.3

38

120 .De aici calculm frecvena i respectiv turaia turbinei:

min30501.0

28.6

15.3

2

rot

s

rot .

P 7.3 S se dimensioneze bateria de acumulatoare pentru stocarea energiei la o ferm eolien (central eolian izolat care alimenteaz cu energie electric o ferm agricol), cu puterea instalat Pi=1.5 kW i o durat medie zilnic de funcionare de Tzi=3 ore. Se presupune c numrul maxim de zile consecutive dintr-un an n care viteza vntului a fost mai mic dect cea utilizabil (la care poate porni generatorul eolian) este n=2.

SoluieEnergia produs n cursul unei zile, care se presupune c este suficient

consumatorilor fermei (aa s-a proiectat centrala), va fi:WhTPE zii 450031500 .

Deoarece e posibil s apar dou zile fr vnt, centrala va trebui prevzut cu posibilitatea de acumulare a acestei energii:

cUtIUE 8.08.02 ,unde c este capacitatea acumulatorului n Ah i care va avea valoarea:

.936128.0

45002

8.0

2Ah

V

Wh

U

Ec

S-a considerat c acumulatorul trebuie s poat asigura stocarea energiei electrice i la o tensiune mai sczut cu 20% din tensiunea nominal, care este tensiunea real de lucru n sarcin, datorit cderilor de tensiune pe circuitul sarcinii.


234

P 7.4 S se determine dimensiunile palei unei turbine eoliene de tip vertical, cu o singur pal activ la un moment dat, care preia 50% din energia cinetic a aerului (vntului), cu viteza de 20 m/s i o transform n cldur prin frecare hidrodinamic n ap cu un randament de 80%. Trebuie asigurat nclzirea unui litru de ap pe minut de la +10C la +90C.

Soluie:Puterea util necesar va fi:

WKkgK

J

s

kgcD

t

cm

t

QP m

uu 560080418060

1 .

Puterea extras din masa de aer: .140005.08.0

5600W

PP

tehd

u

Aceast putere are expresia (7.3):2

3vSP , de unde se

poate calcula suprafaa palei: mxmmv

PS 5.46.069.2

203.1

1400022 233

.

Acestea sunt dimensiunile unei pale dreptunghiulare (limea 0.6 m i nlimea 4.5 m).

BIBLIOGRAFIE

1. Tnsescu F.T., s.a., Conversia energiei. Tehnici neconvenionale, ET, Bucureti 1986.2. Gu M., Energetic general. Note de curs, At. de multiplicare al Universitii GH. ASACHI

din Iai, Iai 1993.3. Vlad I., Utilizarea energiei vntului, ET, Bucueti 1984.4. Nitu V. s.a., Energetic general i conversia energiei, EDP, Bucureti 1980.5. Folescu G., Aventura surselor de energie, Ed. Albatros, Bucureti 1981.6. Lazarev P., Energia i resursele energetice, ET, Bucureti 1962.7. Flavin C., Lenssen N., Valul energetic. Ghid pentru o iminent revoluie energetic, ET,

Bucureti 1996.8. Mercea V., Investigaii n domeniul energiei, Ed. Dacia, Cluj-Napoca 1982.9. Maghiar T., Surse noi de energie, Ed. Mediamira, Cluj-Napoca 1996.10. Inverizzi A., Palenzona W., ENEL Italy, Integration of Wind Power Plants in the Electric

Systems: Opportunuities and Problems, Procc. Of International Conference on Integration of Wind Power Plants in the Environment and the Electric Systems, Rome, Italy 7-9 October 1996.

* * *

ptdee704

Documents