PRINCIPII DE FUNCTIONARE SI REALIZARE A CENTRALELOR EOLIENE

Principii de functionare si realizare a centralelor eoliene

2.1. Instalatii eoliene. Principii de functionare. Clasificari

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

Fig. 2.1. Elementele componente ale unei centrale eoliene

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

Nacela (2) - contine componentele cheie ale turbinei, incluzand cutia de viteze si generatorul electric. In fata nacelei este rotorul turbinei cu paletele (1) si hub-ul (9) cuplat la axul principal (8). Cutia de viteze (7) mareste viteza de rotatie de aproximativ 50 de ori fata de viteza redusa a rotorului cu palete. Instalatia este echipata cu o frana mecanica cu disc (6), care poate fi folosita in cazuri de urgenta. Generatorul turbinelor de vant (5) conectat printr-un ax de mare viteza, converteste energia mecanica in energie electrica. El difera fata de generatoarele obisnuite, deoarece trebuie se lucreze cu o sursa de energie primara care furnizeaza o putere mecanica fluctuanta. Pe scara larga, la turbinele de 100-500kW, tensiunea generata este de 690V c.a. trifazat, fiind necesar un transformator ridicator de tensiune de 10 sau 30 kV, pentru a putea fi conectat la reteaua nationala de medie tensiune. Turbinele pot fi construite atat cu generatoare sincrone cat si asincrone si cu diferite tipuri de conectare la retea: direct sau indirect. . Turnul turbinei (3) sustine nacela si rotorul. In general este avantajos un turn inalt deoarece vantul e mai puternic. O turbina de 600kW are turnul de 40-60m.

2.2 Solutii pe plan mondial in realizarea instalatiilor eoliene

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

Instalatia eoliana cu viteza constanta si generatorul asincron cu rotorul in scurt-circuit reprezinta solutia clasica, denumita si metoda daneza. In acest caz trebuie rotita nacela (yaw), 23423o143x precum si unghiul de inclinare a paletelor pentru modificarea unghiului de atac (pitch). Sistemele bazate pe generatoare cu viteza constanta merg in principiu cu viteza mecanica constanta avand masini cu inductie de inalta eficenta ce functioneaza la viteze de super-sincronizare. Variatia vitezei pe unitate este in mod uzual mai mica de 1%. Aceste generatoare de inductie cu viteza constanta sunt simple si nu incorporeaza electronica de putere.

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

Un model performant de turbina eoliana cu viteza variabila utilizand un generator de inductie cu dubla alimentare (DFIG - doubly fed induction generator), caracterizat prin cresterea calitatii, eficentei si controlabilitatii a fos prezentat in lucrarea - Modeling of the Wind Turbine With a Doubly Fed Induction Generator for Grid Integration Studies - (Lei Y.    Mullane A.    Lightbody G.    Yacamini R.) IEEE Transactions on Energy Conversion, ISSN: 0885-8969 ,

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

comprimat (compresor), fie în alt tip de energie. Dispozitivul de transmisie mecanica are rolul de a acorda parametrii energiei la arborele turbinei cu parametrii acesteia la arborele de intrare a mecanismului actionat si va contine dupa caz un reductor de ridicare a vitezei si cuplaje elastice sau rigide.

Se utilizeaza mai multe principii de clasificare a aeromotoarelor eoliene:

conform principiului de functionare;

conform orientarii axului principal;

conform nivelului de viteza.

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

2.2.1. Turbine cu ax orizontal

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

Fig. 2.3 Aeromotoare cu ax orizontal:

cu una (a); doua (b), trei (c) si multe (d) pale.

Fig. 2.4. Sisteme de orientare dupa vânt:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2.2.2. Turbine cu ax vertical

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

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

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

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

Rotoarele acestor motoare nu trebuie orientate dupa vânt.

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

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

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

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

^{2.4. Caracteristicile energetice ale vântului}

Energia cinetica a vântului se transforma în turbina în energie mecanica, care apoi se utilizeaza nemijlocit pentru efectuarea lucrului mecanic, sau, dupa caz, se transforma în energie electrica, pneumatica sau de al tip.

Energia cinetica E a unui curent de aer cu aria sectiunii transversale A se calculeaza din formula:

Masa aerului care trece prin sectiunea A într-o secunda se calculeaza cu formula:

M=rAv

Atunci:

E=rAv³/2

unde reprezinta densitatea aerului, egala cu 1,23 kg/m³ în conditiile normale de temperatura (t=15 °C) si presiune (p = 101,3 kPa) si foarte putin depinde de variatia factorilor meteorologici.

Din (2.3) se observa ca energia specifica a curentului de aer este proportionala cu cubul vitezei V a acestui curent si la un metru patrat al sectiunii transversale va constitui (tabelul 2.1):

Astfel, cel mai important dintre parametrii energetici ai vântului este viteza lui. Afara de viteza, pentru a alege tipul centralei eoliene, sau pentru a proiecta o instalatie si a efectua calculul eficientei economice a acesteia, vor fi necesare, de asemenea, informatii privind viteza maxima si frecventa de repetitivitate în timp a diferitelor gradatii de viteza, date privind durata si frecventa perioadelor de calm.

Tabelul 2.1

Vântul, dupa cum s-a mentionat deja, reprezinta un proces geofizic foarte complicat, viteza si directia acestuia sunt marimi permanent variabile si pot fi apreciate doar cu o anumita probabilitate, folosind date statistice acumulate pe parcursul unei perioade îndelungate de timp.

2.5 Principiul de functionare al turbinei cu pale

Teoria clasica liniara a generatorului reprezinta rotorul acestuia sub forma de disc cu un numar infinit de pale înguste si subtiri, transparent pentru curentul de aer care curge fara turbulenta (fig.

Fig. 2.8. Modelul teoretic al turbinei.

Curentul de aer, în rezultatul interactiunii cu discul transparent, cedeaza o parte din energia sa. Forta de actiune a vântului asupra rotorului poate fi calculata ca diferenta a cantitatilor de miscare pâna si dupa disc a masei m de aer, care trece într-o unitate de timp prin sectiunea baleata de rotor:

(2.17)

Puterea dezvoltata de motor se va determina cu formula

(2.18)

unde V₁ reprezinta viteza curentului de aer în sectiunea A₁. Se poate demonstra ca

(2.19)

Introducând notiunea de factor de frânare a curentului de aer în motor

si luând în consideratie ca relatia (2.18) se va aduce la forma:

(2.21)

În (2.21) produsul reprezinta energia cinetica (puterea) a curentului de aer pâna la patrunderea lui în rotor. Deci,

(2.22)

Unde,

(2.23)

Coeficientul C_p reprezinta un important parametru, numit factor de putere, care caracterizeaza randamentul conversiei energetice, scoate în evidenta partea puterii initiale a curentului de aer, cedata la trecerea acestuia prin discul transparent al rotorului.

Se poate demonstra ca factorul de putere are valoarea maxima

(2.24)

în cazul în care factorul de frânare obtine valoarea e=2/3. Deci curentul de aer poate ceda rotorului nu mai mult decât 59,3 la suta din energia sa initiala P_O afirmatie care este cunoscuta ca criteriu Betz, si aceasta teoretic se va realiza, daca curentul de aer va avea dupa rotor viteza V₂=1/3^.V_O. In realitate chiar si cele mai bune motoare eoliene rapide au factorul de putere a carui valoare nu depaseste 0,45 - 0,48, iar la motoarele de turatie joasa C_pmax=0,35

Revenind la formula (2.17), se precizeaza ca F_A reprezinta forta de presiune frontala asupra rotorului. Substituind V₂ din (2.19) formula (2.17) se aduce la forma:

(2.25)

Unde,

(2.27)

reprezinta factorul fortei de presiune frontala, a carui valoare depinde de tipul rotorului si forma elementelor active ale acestuia.

Factorul fortei presiunii frontale are valoarea maxima C_F = l pentru e = l/2, ceea ce corespunde situatiei limita când V₂ = 0. Daca sa comparam cu criteriul Betz conform caruia factorul de putere are valoare maxima la viteza V₁=2/3^.V₀ putem constata ca factorul fortei de presiune în aceste conditii va obtine valoarea C_F = 8/9.

Factorul în (2.26) si, respectiv, forta de presiune asupra rotorului instalatiei eoliene creste patratic odata cu majorarea vitezei vântului. De regula, la viteze de 20-25 m/s aceasta sarcina poate atinge valori periculoase pentru duritatea mecanica a elementelor constructive a instalatiei.

Evitarea acestei suprasarcini poate fi efectuata prin diferite modalitati:

la viteze mari ale vântului rotorul se scoate de sub actiunea acestuia prin rotirea palelor (în regim de girueta) sau prin fixarea rotorului în plan paralel cu vectorul vitezei vântului;

prin reducerea puterii solicitate la arborele motorului si respectiv a presiunii frontale;

folosind pale cu profil variabil dealungul acestora, calculat astfel încât la viteze mari sa se asigure autofrânarea rotorului;

frânarea fortata a rotorului.

Cât priveste cuplul dezvoltat de rotor acesta poate fi calculat pornind de la puterea curentului cedata rotorului care se roteste cu viteza unghiulara Ω:

Sau

(2.29)

Unde,

(2.30)

poate fi numit cuplul maxim si reprezinta o marime de calcul, fiind faptul ca nu exista conditii reale în care forta F_A ar atinge valoarea F_Amax si, pe de alta parte, ea reflecta integral fortele elementare de presiune repartizate de-a lungul palei, la diferite valori ale razei de la arborele rotorului. ormula (2.30) poate fi scrisa astfel:

(2.31)

În aceasta relatie, Z reprezinta cel mai important parametru de calitate al rotorului cu pale numit factor de rapiditate:

(2.32)

Atât factorul de putere C_P, cât si factorul cuplului C_M=C_P/Z sunt functii de parametrul adimensional Z.

Factorul Z, numit altfel pitchi al turbinei, exprima raportul dintre viteza liniara la periferia rotorului si viteza curentului de aer atacant.

Caracteristicile aerodinamice ale turbinei pot fi calculate, însa în majoritatea cazurilor ele se ridica experimental.

De asemenea, se va mentiona ca daca se doreste ca turbina sa functioneze permanent cu un randament maxim, atunci trebuie mentinuta constanta valoarea parametrului Z. De exemplu, daca valoarea vitezei vântului V_o este variabila, atunci turatia rotorului Ω se va regla astfel, încât raportul sa fie constant.

Pentru o mai buna întelegere a principiului de functionare al turbinei cu pale (propeler) vom examina interdependenta dintre viteze si fortele care actioneaza asupra palei rotorului. În fig. 2.9, a este prezentat un element al palei (în sectiune transversala cu grosimea dr), îndepartat la distanta r de la axa de rotatie (pe care este trasata diagrama vitezelor). Vectorul reprezinta viteza vântului, vectorul -viteza liniara a elementului evidentiat al palei si este orientat în planul de rotatie al palelor. Vectorul rezultant reprezinta viteza relativa a curentului de aer fata de elementul respectiv al palei si în raport cu linia de baza (coarda) a profilului formeaza unghiul de atac . Unghiul dintre planul de rotire al rotorului (axa y) si linia de baza a profilului reprezinta unghiul de blocare a palei.

Între unghiul de atac , unghiul de blocare , viteza vântului V₀ si viteza unghiulara a rotorului exista urmatoarea relatie:

sau daca r=R, atunci,

deci unghiul rezultant poate fi reprezentat ca arcctg(Z).

2.6. Centrale aerogeneratoare conectate la reteaua publica

Mai multe turbine eoliene, de regula, în grup de pâna la 30-50 unitati alcatuiesc o centrala (ferma) eoliana (CE), care prin intermediul unui sau a mai multor transformatoare de ridicare a tensiunii sunt conectate la reteaua publica de putere considerabil de mare în raport cu puterea totala a instalatiilor eoliene (fig. 1.28).

Aceasta varianta de folosire a energiei este cea mai raspândita în localitatile cu conditii eoliene favorabile si în care exista sisteme energetice publice. Energia generata de CE este completamente cedata sistemului energetic pe baza comerciala. Consumatorii proprii ai CE, de asemenea, sunt conectati la reteaua publica, consumul fiind contorizat.

Fig. 2.10. Schema de conexiuni electrice a unei centrale eoliene:

1 - aerogenerator; 2, 3,4, 6, 7 - întrerupatoare automate; 5 - transformator 10/35kV; 8 - transformator 10/0,4 V; 9 - consumatori proprii.

În aceste conditii cele mai indicate sunt instalatiile cu generatoare asincrone datorita fiabilitatii înalte, pretului de cost si cheltuielilor de întretinere minime. In mod automat se rezolva problema sincronizarii.

Nivelul stabilizat al tensiunii si frecventei la bornele generatoarelor este impus si mentinut de reteaua puternica, fara interventia oricarui sistem de reglare. Sistemul de comanda intervine doar cu semnale de deconectare a generatorului de la retea atunci când viteza vântului este prea mica si aerogeneratorul ar putea trece în regim de ventilator cu consum de energie de la retea.

Turatia practic constanta a generatorului, impusa de frecventa tensiunii în retea va conditiona o functionare a turbinei în regim nu totdeauna optim. În aceste conditii pot fi utile urmatoarele modalitati de asigurare a regimului optim de conversie a energiei în turbina:

se utilizeaza un generator asincron cu numar de perechi de poli care se regleaza în trepte în functie de viteza instantanee a vântului;

generatorul functioneaza cu turatie optima variabila în functie de viteza instantanee a vântului, energia obtinuta (cu frecventa si tensiunea nestabilizate) se redreseaza, apoi se transforma în energie de curent alternativ cu parametrii stabilizati, folosind un invertor comandat de retea. Turatia motorului se regleaza în functie de viteza vântului, modificând sarcina invertorului (puterea energiei cedate spre retea);

în anumite limite poate fi largit domeniul de variatie a turatiei turbinei, modificând caracteristica electromecanica a generatorului asincron, folosind impendante reglabile în circuitul static al acestuia.

O varianta de perspectiva reprezinta instalatiile cu generator asincron cu întrefier axial si rotorul disc, a carui viteza nominala joasa concordeaza favorabil cu viteza aeromotoarelor, pastrând în acelasi timp toate avantajele generatoarelor asincrone clasice [53].

2.7. Potentialul energetic eolian al României. Perspective de utilizare