din Energia eoliana
18-01-2017
Indiferent de categoria din care fac parte, in constructia sistemelor de conversie a energiei eoliene in energie electrica intra rotorul cu palete, multiplicatorul de turatie (acesta nu este necesar la unele modele de turbine de putere mica), frana si generatorul. La turbinele cu ax orizontal este de asemenea necesar un sistem de orientare a rotorului pe directia vantului.
In functie de orientarea axei rotorului, turbinele pot fi cu ax orizontal si cu ax vertical. Modelele cu ax orizontal sunt cele mai raspandite, la randul lor clasificandu-se dupa amplasarea sistemului in raport cu vantul, in:
Sisteme cu amplasare in amonte, cand primul contact cu vantul il iau paletele rotorului. Este necesar ca rigiditatea paletelor sa fie mai mare pentru a evita contactul cu turnul prin incovoiere sub actiunea curentilor de aer. De asemenea, se impune existenta unui sistem de orientare dupa directia vantului.
Sisteme cu amplasare in aval, cand turnul si nacela au primul contact cu vantul, dupa care rotorul cu palete. Spre deosebire de modelele cu amplasare in amonte, flexibilitatea paletelor poate fi mai mare si nu este necesar sistemul de orientare intrucat ansamblul nacela-rotor se auto-orienteaza. Aceste avantaje se traduc printr-o valoare mai mica a investitiei initiale. Pe de alta parte insa, datorita turbulentelor si pierderilor de viteza a vantului la interactiunea cu nacela si turnul, aceste sisteme au un randament mai scazut. De asemenea, atat turbulentele cat si pierderile de presiune din spatele turnului conduc la variatii bruste si periodice ale solicitarilor in palete, acestea necesitand o rezistenta sporita la oboseala.
Componentele unei turbine eoliene sunt puse in evidenta in figura de mai jos:
Paletele turbinei pot fi confectionate din fibra de sticla, lemn, otel, aluminiu sau titan si sunt in numar de maxim patru, existand si un model cu o singura paleta si o contragreutate in locul paletei pereche. Aceasta solutie aparte ofera avantajul unui pret mai scazut. Totusi, intre versiunile comerciale, cea mai ieftina este cea cu doua palete insa, la fel ca si modelul cu o paleta, nivelul lor de zgomot este mai ridicat. Rotoarele cu patru palete sunt bine echilibrate insa au o masa mare si o eficienta raportata la cost mai scazuta [45]. De asemenea, datorita numarului par de palete, constructia manifesta probleme de stabilitate la fiecare rotatie atunci cand paleta superioara se afla in pozitie verticala superioara, datorita faptului ca dezvolta putere maxima in timp ce paleta inferioara se afla in umbra turnului de sustinere. Figura 3.6 arata o diferenta considerabila a valorii factorului de putere intre rotoarele cu o paleta si cele cu doua palete, cresterile fiind insa nesemnificative in raport cu investitia initiala pentru un numar de palete mai mare de trei. Solutia de compromis utilizata in prezent pe scara larga este rotorul cu trei palete. Pentru acest tip de rotor parametrul λ are valori optime cuprinse intre 6 si 7, ceea ce arata ca turatia optima a turbinei variaza cu viteza vantului.
Butucul rotorului poate fi rigid sau cu o usoara "bataie" radiala care permite eliberarea unei parti din solicitarile structurale transmise de palete. Turatiile la care ajung rotoarele turbinelor moderne de mare capacitate sunt cuprinse intre 5 si 20 rot/min. in acelasi timp, generatoarele functioneaza la 800-3000 rot/min, ceea ce impune existenta unei transmisii intre generator si rotor care sa multiplice turatia acestuia din urma. Transmisiile sunt supuse unor solicitari mecanice cu variatii si frecvente mari datorita momentului rezistent variabil opus de generator, in tendinta acestuia de a-si sincroniza permanent turatia cu frecventa fixa la care trebuie sa livreze energie electrica, in conditii de fluctuatii ale vitezei vantului. Este deci necesara o constructie robusta, care trebuie ridicata la inaltimea nacelei in cazul turbinelor cu ax orizontal si care necesita o intretinere permanenta. Datorita problemelor ridicate de investitia initiala si de costurile de intretinere, devin din ce in ce mai populare solutiile cu conectare directa la generator sau cu generatoare cu functionare la turatie variabila. Aceasta din urma varianta reduce semnificativ soicitarile mecanice asupra transmisiei si creste randamentul global al intregului sistem. Generatoarele antrenate direct de la rotor elimina transmisia, insa au dimensiuni si mase semnificativ mai mari decat generatoarele cu antrenare prin intermediul transmisiei, ceea ce le face dificil de utilizat in special in constructia turbinelor de mare capacitate.
Turbinele moderne cu injectarea energiei direct in retea necesita sincronizare cu frecventa retelei. in trecut, solutia consta in utilizarea generatoarelor asincrone, insa controlul turatiei acestora contribuia la destabilizarea retelei, ceea ce a impus solutii de compensare reactiva pentru parcurile de turbine de mari dimensiuni. Utilizarea unui generator sincron conventional presupune o turatie constanta a acestuia pentru a furniza energie la frecventa retelei, ceea ce inseamna ca si rotorul turbinei trebuie sa aiba o turatie constanta. Se utilizeaza astfel doar partial potentialul energetic al curentilor de aer, care au viteze variabile in timp. O solutie care rezolva partial problema, implementata de unii producatori, consta in utilizarea a doua generatoare, fiecare cu cate o turatie nominala, pentru vant cu viteza mica respectiv mare. Ramane insa nerezolvata problema momentului rezistent variabil cu care generatorul actioneaza asupra transmisiei in incercarea de a-si mentine constanta turatia. in prezent exista doua tipuri de generatoare pentru turbine eoliene care pot functiona la turatii variabile: (1) cu conversie partiala, care permit variatii ale turatiei intre 10 si 20%; (2) cu conversie totala, mai costisitoare din punct de vedere al pretului insa mult mai flexibile la variatiile vitezei vantului.
Turnurile utilizate in prezent la turbinele de mare capacitate sunt in general din beton sau otel si sunt fixate pe o fundatie solida, cu un diametru mai mare decat cel al turnului. Cea mai intalnita solutie o constituie insa turnurile din sectiuni cilindrice metalice imbinate intre ele. Elementele in functie de care se stabileste diametrul turnului sunt inaltimea turbinei si diametrul rotorului, ambele fiind influentate de capacitatea nominala a sistemului si de necesitatea de a ridica rotorul la o inaltime suficienta pentru a-l feri de turbulentele din apropierea solului si pentru a beneficia de viteze mai mari ale vantului. Pentru fiecare 10 m castigati pe inaltime este posibila o crestere a puterii cu pana la 36% [48]. Din punct de vedere estetic, se considera optima varianta in care inaltimea turnului este egala cu diametrul rotorului.
Un aspect important luat in considerare in procesul de proiectare al turnului il constituie frecventele de rezonanta ale acestuia, care nu trebuie sa se suprapuna ca valoare cu turatia rotorului. Acest fenomen este cu atat mai probabil cu cat inaltimea turnului este mai mare. De asemenea, turnul este supus la solicitari semnificative de incovoiere (figura 3.8) si torsiune generate de amplasarea unei mase mari (nacela si rotorul cu palete) la partea superioara si de fortele pe care le exercita vantul asupra rotorului. Variabilitatea acestor solicitari trebuie luata in considerare in procesul de proiectare atunci cand se calculeaza rezistenta la oboseala. Turnul serveste si ca incinta pentru sistemele de comanda si control, pentru cablurile electrice si pentru liftul si scarile de acces ale personalului de intretinere la nacela.
Pentru o orientare precisa pe directia vantului a turbinelor cu ax orizontal, sistemele active de orientare sunt comandate de un controler. in general se utilizeaza motoare pas-cu-pas sau motoare hidraulice. Aceste sisteme contribuie de asemenea la impiedicarea rasucirii cablurilor electrice care pornesc din nacela, prin alternarea directiei in care este rotita nacela, spre deosebire de sistemele pasive, cu auto-orientare, care nu au capacitatea de a inregistra numarul si sensul rotirilor.
In functie de orientarea axei rotorului, turbinele pot fi cu ax orizontal si cu ax vertical. Modelele cu ax orizontal sunt cele mai raspandite, la randul lor clasificandu-se dupa amplasarea sistemului in raport cu vantul, in:
Sisteme cu amplasare in amonte, cand primul contact cu vantul il iau paletele rotorului. Este necesar ca rigiditatea paletelor sa fie mai mare pentru a evita contactul cu turnul prin incovoiere sub actiunea curentilor de aer. De asemenea, se impune existenta unui sistem de orientare dupa directia vantului.Sisteme cu amplasare in aval, cand turnul si nacela au primul contact cu vantul, dupa care rotorul cu palete. Spre deosebire de modelele cu amplasare in amonte, flexibilitatea paletelor poate fi mai mare si nu este necesar sistemul de orientare intrucat ansamblul nacela-rotor se auto-orienteaza. Aceste avantaje se traduc printr-o valoare mai mica a investitiei initiale. Pe de alta parte insa, datorita turbulentelor si pierderilor de viteza a vantului la interactiunea cu nacela si turnul, aceste sisteme au un randament mai scazut. De asemenea, atat turbulentele cat si pierderile de presiune din spatele turnului conduc la variatii bruste si periodice ale solicitarilor in palete, acestea necesitand o rezistenta sporita la oboseala.
Componentele unei turbine eoliene sunt puse in evidenta in figura de mai jos:
Paletele turbinei pot fi confectionate din fibra de sticla, lemn, otel, aluminiu sau titan si sunt in numar de maxim patru, existand si un model cu o singura paleta si o contragreutate in locul paletei pereche. Aceasta solutie aparte ofera avantajul unui pret mai scazut. Totusi, intre versiunile comerciale, cea mai ieftina este cea cu doua palete insa, la fel ca si modelul cu o paleta, nivelul lor de zgomot este mai ridicat. Rotoarele cu patru palete sunt bine echilibrate insa au o masa mare si o eficienta raportata la cost mai scazuta [45]. De asemenea, datorita numarului par de palete, constructia manifesta probleme de stabilitate la fiecare rotatie atunci cand paleta superioara se afla in pozitie verticala superioara, datorita faptului ca dezvolta putere maxima in timp ce paleta inferioara se afla in umbra turnului de sustinere. Figura 3.6 arata o diferenta considerabila a valorii factorului de putere intre rotoarele cu o paleta si cele cu doua palete, cresterile fiind insa nesemnificative in raport cu investitia initiala pentru un numar de palete mai mare de trei. Solutia de compromis utilizata in prezent pe scara larga este rotorul cu trei palete. Pentru acest tip de rotor parametrul λ are valori optime cuprinse intre 6 si 7, ceea ce arata ca turatia optima a turbinei variaza cu viteza vantului.Butucul rotorului poate fi rigid sau cu o usoara "bataie" radiala care permite eliberarea unei parti din solicitarile structurale transmise de palete. Turatiile la care ajung rotoarele turbinelor moderne de mare capacitate sunt cuprinse intre 5 si 20 rot/min. in acelasi timp, generatoarele functioneaza la 800-3000 rot/min, ceea ce impune existenta unei transmisii intre generator si rotor care sa multiplice turatia acestuia din urma. Transmisiile sunt supuse unor solicitari mecanice cu variatii si frecvente mari datorita momentului rezistent variabil opus de generator, in tendinta acestuia de a-si sincroniza permanent turatia cu frecventa fixa la care trebuie sa livreze energie electrica, in conditii de fluctuatii ale vitezei vantului. Este deci necesara o constructie robusta, care trebuie ridicata la inaltimea nacelei in cazul turbinelor cu ax orizontal si care necesita o intretinere permanenta. Datorita problemelor ridicate de investitia initiala si de costurile de intretinere, devin din ce in ce mai populare solutiile cu conectare directa la generator sau cu generatoare cu functionare la turatie variabila. Aceasta din urma varianta reduce semnificativ soicitarile mecanice asupra transmisiei si creste randamentul global al intregului sistem. Generatoarele antrenate direct de la rotor elimina transmisia, insa au dimensiuni si mase semnificativ mai mari decat generatoarele cu antrenare prin intermediul transmisiei, ceea ce le face dificil de utilizat in special in constructia turbinelor de mare capacitate.
Turbinele moderne cu injectarea energiei direct in retea necesita sincronizare cu frecventa retelei. in trecut, solutia consta in utilizarea generatoarelor asincrone, insa controlul turatiei acestora contribuia la destabilizarea retelei, ceea ce a impus solutii de compensare reactiva pentru parcurile de turbine de mari dimensiuni. Utilizarea unui generator sincron conventional presupune o turatie constanta a acestuia pentru a furniza energie la frecventa retelei, ceea ce inseamna ca si rotorul turbinei trebuie sa aiba o turatie constanta. Se utilizeaza astfel doar partial potentialul energetic al curentilor de aer, care au viteze variabile in timp. O solutie care rezolva partial problema, implementata de unii producatori, consta in utilizarea a doua generatoare, fiecare cu cate o turatie nominala, pentru vant cu viteza mica respectiv mare. Ramane insa nerezolvata problema momentului rezistent variabil cu care generatorul actioneaza asupra transmisiei in incercarea de a-si mentine constanta turatia. in prezent exista doua tipuri de generatoare pentru turbine eoliene care pot functiona la turatii variabile: (1) cu conversie partiala, care permit variatii ale turatiei intre 10 si 20%; (2) cu conversie totala, mai costisitoare din punct de vedere al pretului insa mult mai flexibile la variatiile vitezei vantului.
Turnurile utilizate in prezent la turbinele de mare capacitate sunt in general din beton sau otel si sunt fixate pe o fundatie solida, cu un diametru mai mare decat cel al turnului. Cea mai intalnita solutie o constituie insa turnurile din sectiuni cilindrice metalice imbinate intre ele. Elementele in functie de care se stabileste diametrul turnului sunt inaltimea turbinei si diametrul rotorului, ambele fiind influentate de capacitatea nominala a sistemului si de necesitatea de a ridica rotorul la o inaltime suficienta pentru a-l feri de turbulentele din apropierea solului si pentru a beneficia de viteze mai mari ale vantului. Pentru fiecare 10 m castigati pe inaltime este posibila o crestere a puterii cu pana la 36% [48]. Din punct de vedere estetic, se considera optima varianta in care inaltimea turnului este egala cu diametrul rotorului.
Un aspect important luat in considerare in procesul de proiectare al turnului il constituie frecventele de rezonanta ale acestuia, care nu trebuie sa se suprapuna ca valoare cu turatia rotorului. Acest fenomen este cu atat mai probabil cu cat inaltimea turnului este mai mare. De asemenea, turnul este supus la solicitari semnificative de incovoiere (figura 3.8) si torsiune generate de amplasarea unei mase mari (nacela si rotorul cu palete) la partea superioara si de fortele pe care le exercita vantul asupra rotorului. Variabilitatea acestor solicitari trebuie luata in considerare in procesul de proiectare atunci cand se calculeaza rezistenta la oboseala. Turnul serveste si ca incinta pentru sistemele de comanda si control, pentru cablurile electrice si pentru liftul si scarile de acces ale personalului de intretinere la nacela.
Pentru o orientare precisa pe directia vantului a turbinelor cu ax orizontal, sistemele active de orientare sunt comandate de un controler. in general se utilizeaza motoare pas-cu-pas sau motoare hidraulice. Aceste sisteme contribuie de asemenea la impiedicarea rasucirii cablurilor electrice care pornesc din nacela, prin alternarea directiei in care este rotita nacela, spre deosebire de sistemele pasive, cu auto-orientare, care nu au capacitatea de a inregistra numarul si sensul rotirilor.
