Cirease Adrian-Ionut Grupa 114b

Turbine Eoliene

Facultatea de Inginerie Electrica

Universitatea Politehnica Bucuresti

Cuprins

INTRODUCERE..........................................................................................................2

CAPITOL 1..................................................................................................................4

CAPITOLUL 2.............................................................................................................9

CAPITOLUL 3...........................................................................................................14

Concluzii....................................................................................................................15

1

Introducere

Energia eoliană este folosită extensiv în ziua de astăzi si turbine noi de vant se construiesc in toată lumea, energia eoliană fiind sursa de energie cu cea mai rapida crestere în ultimii ani.In ultimii 10 ani, utilizarea energiei eoliene a consemnat un progres deosebit. Astfel, intre 1995 – 2005, rata anuala de crestere a fost de cca 30%, conducand la o putere instalata totala noua de 32.000 MW, adică dublu decat in domeniul energiei nucleare din aceeasi perioada.

Majoritatea turbinelor produc energie peste 25 % din timp, acest procent crescand iarna, cand vanturile sunt mai puternice.

Energia eoliana este energia continuta de forta vantului ce bate pe suprafata pamantului. Exploatata, ea poate fi transformata in energie mecanica pentru pomparea apei, de exemplu, sau macinarea graului, la mori ce functioneaza cu ajutorul vantului. Prin conectarea unui rotor la un generator electric, turbinele de vant moderne transforma energia eoliana, ce invarte rotorul, in energie electrica.

Egiptenii au fost poate primii care au folosit energia generata de vant atunci cand au navigat pe Nil in amonte, in jurul secolului IV i.Hr. Peste secole vasele cu panze aveau sa domine marile si oceanele lumii, servind in principal transportului comercial, dar si in scopuri militare si stiintifice. Marile imperii ale erei noastre foloseau vasele cu panze pentru a controla si domina marile. Aceste vase cu panze sunt si astazi prezente pe apa, insa sunt construite cu echipamente moderne. Utilizarea lor este, insa, cu totul alta - fie ca vase sportive, fie ca ambarcatiuni de agrement.

Energia eoliana a fost exploatata pe uscat de cand prima moara de vant a fost construita in vechea Persie in secolul VII. De atunci morile de vant sunt folosite pentru macinarea graului, pomparea apei, taierea lemnului sau pentru furnizarea altor forme de energie mecanica. Insa exploatarea pe scara larga a aparut abea in secolul XX, odata cu aparitia “morilor de vant” moderne – turbinele de vant ce pot genera o energie de 250 pana la 300 de kilovati.

Pentru ca vantul este o sursa de energie curata si interminabila, turbinele de vant sunt instalate in tarile dezvoltate si acolo unde intensitatea vantului permite puterii eoliane sa poata fi exploatata, pentru a suplini sursele traditionale de energie electrica, precum caldura degajata de arderea carbunilor. Imbunatatirile aduse rotoarelor si elicelor, combinate cu o crestere a numarului de turbine instalate, a dus la o marire a puterii energiei eoliene cu circa 150% din 1990. In 1997, de exemplu, piata mondiala a energiei eoliene manipula in jur de 3 miliarde de dolari.

Energia eoliana e o sursa de putere electrica promitatoare in viitor datorita ecologitatii si infinitatii sale. Totusi, pentru ca viteza vantului variaza in timpul zilei, sezonului sau anilor energia generata de vant e o resursa intermitenta. In zonele de pe glob cu actiune puternica a

2

vantului turbinele actioneaza in jur de 60% din timpul anului. Chiar si asa vantul poate fi insuficient pentru ca turbinele sa functioneze la capacitate maxima. Cu toate acestea tehnologia a reusit sa-si adapteze creatiile imbunatatindu-le si producand si alte ce folosesc acest tip de energie.

Compunerea sistemului:

1. Pale - Forma si conceptia lor este esentiala pentru a asigura forta de rotatie necesara. Acest design este propriu fiecarui tip de generator electric.

2. Nacela - Contine generatorul electric asigurand si o protectie mecanica

3. Pilon - Asigura strucura de sustinere si rezistenta a ansamblului superior.

4. Fundatie - Asigura rezistenta mecanica a generatorului eolian.

Cum functioneaza o turbina eoliana ?

Sistemul se bazeaza pe un principiu simplu. Vantul pune in miscare palele care la randul lor actioneaza generatorul electric. Sistemul mecanic are in componenta si un multiplicator de viteza care actioneza direct axul central al generatorului electric. Curentul electric obtinut este, fie transmis spre inmagazinare in baterii si folosit apoi cu ajutorul unui invertor DC-AC in cazul turbinelor de mica capacitate , fie livrat direct retelei de curent alternativ ( AC) spre distribuitori.

Energia eoliana

Conform analistului Axel Eunhoff de la Banca de Investitii Bear Stearns International, in Europa energia provenita din centrale eoliene va ajunge la 65.000 MW, iar sumele necesare investitiilor vor fi 60-70 mld. euro. In urmatorii 8 ani va fi instalata o putere de 110.000 MW in centralele eoliene. Daca acestea s-au dezvoltat pe zonele de coasta, in prezent tendinta este de a construi unitati in interior pentru a furniza energie pentru mii de gospodarii, ferme, mici intreprinderi. Cea mai dezvoltata zona eoliana in Germania este Westfalia - regiunea Sintfeld, unde sunt montate 65 de instalatii cu o capacitate de 180 milioane kWh pe an (adica suficient pentru 50.000 gospodarii).

Cel mai mare producator mondial de turbine eoliene este firma Flender GmbH, care livreaza 40% din toate centralele eoliene instalate in lume (Europa, SUA si China). O intreaga industrie s-a dezvoltat pentru fabricarea componentelor, pentru servicii de montaj, intretinere, exploatare. Centralele eoliene actuale au puteri standardizate, incepand de la 100 kW la 5 MW/unitate. Unde este posibil, unitatile sunt cuplate in baterii pentru a obtine puteri mai mari. Industria romaneasca ar putea sa se implice intr-o piata de 60-70 mld.euro (estimata pe 8 ani), putand produce o serie de componente cum ar fi: motoare si generatoare electrice, componente mecanice - arbori grei, stalpi de sustinere, carcase, reductoare, confectii metalice, pe baza de avantaje comparative si competitive.

3

Capitol 1Partile componente ale turbinei eoliene

Butucul rotorului

Figura1.1

Butucul rotorului are rol de a permite montarea paletelor turbinei si este montat pe arborele principal al turbinei eoliene

Paletele

4

Figura1.2

Paletele reprezinta unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene si impreuna cu butucul alcatuiesc rotorul turbinei

Nacela

Figura1.3

Nacela are rol de a proteja componentele turbinei eoliene,care se monteaza in interiorul acesteia si anume:arboreal

5

principal,multiplicatorul de turatie,dispozitivul de franare,arborele de turatie ridicata,generatorul electric si sistemul de pivotare.

Pilonul

Figura1.4 Arborele principal

Figura 1.5

Arborele Principal al turbinelor eoliene are turaţie redusă şi transmite mişcarea de rotaţie, de la butucul turbinei la multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate. În funcţie de tipul turbinei eoliene, turaţia arborelui principal poate să varieze între 20…400 rot/min.

Multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate

6

Figura1.6

Multiplicatorul de turaţie cu roţi dinţate are rolul de a mări turaţia de la valoarea redusă a arborelui principal, la valoarea ridicată de care are nevoie generatorul de curent electric.Pe arborele principal, este montat şi multiplicatorul de turaţie. În figura 1.6 este prezentat principiul de funcţionare al acestei componente.

.

Dispozitivul de frânare

Figura 1.7 Dispozitivul de frânare este un dispozitiv de siguranţă şi se montează pe

arborele de turaţie ridicată, între multiplicatorul de turaţie şi generatorul electric. Viteza de rotaţie a turbinei este menţinută constantă prin reglarea unghiului de înclinare a paletelor în funcţie de viteza vântului şi nu prin frânarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivul de frânare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai în cazul în care mecanismul de reglare a unghiului de înclinare a paletelor nu funcţionează corect, sau pentru frânarea completă a turbinei în cazul în care se efectuează operaţii de întreţinere sau reparaţii. În figura 1.7 este prezentat principiul de funcţionare al mecanismului de frânare, iar în figura 1.7 este prezentat un asemenea mecanism.

Arborele de turaţie ridicată

7

Figura 1.8 Arborele de turaţie ridicată denumit şi arbore secundar sau cuplaj, are rolul

de a transmite mişcarea de la multiplicatorul de turaţie la generatorul electric. Turaţia acestui arbore, ca şi cea a generatorului electric, are valori între 1200…1800 rot/min. În figura 6.20 este prezentat un arbore deturaţie ridicată, montat pe multiplicatorul de turaţie.

Generatorul electric

Figura1.9 Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanică a

arborelui de turaţie ridicată al turbinei eoliene, în energie electrică. Spirele rotorului se rotesc în câmpul magnetic generat de stator şi astfel, în spire se induce curent electric. Există atât generatoare electrice care furnizează curent continuu (de regulă pentru aplicaţii casnice şi turbine de dimensiuni reduse), cât şi generatoare electrice du curent alternativ într-o gamă extrem de variată de puteri. În figura 1.9 este prezentat generatorul electric al unei turbine eoliene de 5 MW, cea mai mare din lume în martie 2005.

Sistemul de răcire al generatorului electric preia excesul de căldură produs în timpul funcţionării acestuia. În figura 21 se observă că răcirea este asigurată de un ventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusă au răcirea asigurată de ventilatoare axiale. Uneori sistemul de răcire

8

al generatoarelor electrice este proiectat să funcţioneze cu apă de răcire, caz în care există un circuit suplimentar pentru răcirea apei.

Sistemul de pivotare

Figura 2.0 Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, are rolul de a permite

orientarea turbinei după direcţia vântului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorul de pivotare şi elementul de transmisie a mişcării. Ambele componente au prevăzute elemente de angrenare cu roţi dinţate. Acest mecanism este antrenat în mişcare cu ajutorul unui sistem automatizat, la orice schimbare a direcţiei vântului, sesizată de giruetă. În figura 6.22 este prezentat motorul sistemului de pivotare, iar în figura6.23 elementul de transmisie.

Capitolul 2

Principiul de functionare

Turbinele eoliene au doua destinatii majore: includerea intr-o centrala eoliana sau furnizarea de energie locuintelor izolate. In cazul din urma turbinele eoliene sunt folosite impreuna cu panourile solare si baterii pentru a furniza constant electricitate in zilele inorate sau senine fara vant.

La eficienta unei turbine contribuie dimensiunea palelor si tipul convertorului din miscare axiala in electricitate. Turbinele eoliene mai sunt denumite si generatoare de vant, convertor de energie eoliana (wind energy converter – WEC) sau wind power unit (WPU).

Puterea generata de o turbina eoliana este direct proportionala cu densitatea aerului, aria acoperita de o miscarea completa a paletelor rotorului si patratul vitezei vantului. Vantul care trece prin palele elicei este incetinit si imprastiat. In aceste conditii eficienta maxima obtinuta de o turbina eoliana este de 59%, valoare peste care vantul se intoarce in palele turbinei.

9

Majoritatea turbinelor eoliene moderne sunt de tipul Horizontal-axis wind turbines (HAWT), adica axa de rotatie e rotorului este orizontala, acesta fiind plasat in varful turnului, cu palele elicei pozitionate la un unghi pozitiv, la o distanta sigura de turn, in fata vantului. Exista si turbine eoliene cu palele in spatele vantului, dar din motive de fiabilitate nu sunt folosite decat in cazuri speciale.

Sistemul se bazeaza pe un principiu simplu. Vantul pune in miscare palele care la randul lor actioneaza generatorul electric. Sistemul mecanic are in componenta si un multiplicator de viteza care actioneza direct axul central al generatorului electric. Curentul electric obtinut este, fie transmis spre imagazinare in baterii si folosit apoi cu ajutorul unui invertor DC-AC in cazul turbinelor de mica capacitate , fie livrat direct retelei de curent alternativ ( AC) spre distribuitori.

Principiu de functionare al unei eoliene in mod autoconsum:

O tensiune trifazata de amplitudine si de frecventa variabila iese din eoliana (generatorul)

Redresorul transforma aceasta tensiune in curent continuu stocat in baterii

Bateriile sunt legate in serie intr un dulap de baterii.

Curentul continuu este transformat in curent alternativ 230 V AC monofazat, de onduleur, este curentul utilizat pentru aparaatele casnice. Selectorul de sursa permite alegerea modului de alimentare cu energie electrica a unei case alimentarii unei case cu electricitate eoliana, respectiv electricitate de la furnizor; Trecerea se va face automat intre cele 2 moduri de alimentare in functie de nivelul de curent stocat in baterii. Un sistem modern ce alimenteaza o locuinta folosind energie eoliana functioneaza dupa urmatorul principiu: o turbina este instalata in varful unui turn inalt (pentru a avea acces direct la curentii de aer, fara interferente din partea cladirilor de la sol), colecteaza energie kinetica de la vant, pe care o transforma in electricitate folosind un sistem de conversie. O locuinta tipica este deservita de o turbina eoliana si de un furnizor de electricitate local. Daca viteza vantului este mai mica decat o valoare constructiva de la care turbina eoliana produce curent atunci locuinta este alimentata de la reteaua electrica. Pe masura ce viteza vantului creste, energia electrica furnizata de turbina eoliana alimenteaza locuinta. Daca nu exista consumatori pentru aceasta energie ea este introdusa in reteaua electrica si vanduta furnizorului local. In situatia in care nu exista un furnizor local de electricitate sau nu se poate introduce curentul produs de turbina eoliana in reteaua electrica exista optiunea inmagazinarii curentului suplimenta in baterii pentru utilizarea ulterioara. Bateriile (de 12V, 24V, 48V etc) sunt conectate la un inversor care transforma curentul la voltajul electronicelor si electrocasnicelor din casa, adica 220V. In functie de complexitatea sistemului mai putem adauga un controller, un contor (pentru a vedea productia instantanee de curent sau productia pe o perioada predefinita) si un circuit ce intrerupe transferul de curent de la turbina cand bateriile sunt pline si nu exista consum in locuinta. In zonele cu vanturi puternice este necesar si un sistem de oprire a turbinei, pentru a preveni deteriorarea acesteia.

10

Puterea turbinei in Wati este data formula:

-randamentul turbinei (functie de design ,maxim 0,59 data de legea Betz)

- 3.14

-raza turbinei

-densitatea aerului

-viteza vantului

Viteza medie a vantului:

11

12

Schema de conectare a unei turbine eoliene

Figura 2.1

Figura 2.2

Capitolul 3

13

Avantajele si dezavantajele unei turbine eolieneAvantaje:

Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substante poluante si gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili.

Nu se produc deseuri. Producerea de energie eoliană nu implică producerea nici unui fel de deseuri.

Costuri reduse pe unitate de energie produsă. Costul energiei electrice produse în centralele eoliene moderne a scăzut substantial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalitățile negative inerente utilizării combustibililor clasici

Costuri reduse de scoatere din functiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din functiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din functiune, la capătul perioadei normale de functionare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.

Dezavantaje:

Principalele dezavantaje sunt resursa energetică relativ limitată, inconstanta datorită variatiei vitezei vântului si numărului redus de amplasamente posibile. Putine locuri pe Pământ oferă posibilitatea producerii a suficientă electricitate folosind energia vântului

La început, un important dezavantaj al productiei de energie eoliană a fost pretul destul de mare de producere a energiei si fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii 25 de ani, eficacitatea energetică s-a dublat, costul unui kWh produs scăzând de la 0,7 euro la circa 0,32 euro în prezent

Un alt dezavantaj este si "poluarea vizuală" - adică, au o aparitie neplăcută - și de asemenea produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul si ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări si necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor. Argumente împotriva acestora sunt că turbinele moderne de vânt au o apariție atractivă stilizată, că masinile omoară mai multe păsări pe an decât turbinele.și că alte surse de energie, precum generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu, deoarece creează poluare si duc la efectul de seră

Un alt dezavantaj este riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depăseste limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depăsită

Concluzii

Fiindca nu arde combustibili, nu polueaza, nu produce deseuri si factura la curent se reduce extrem de mult, spre 100%. Costul scoaterii din functiune al turbinei este foarte mic, iar aceasta poate fi reciclata in totalitate. In plus, turbinele produc energie, in medie, peste un sfert din timp, cel mai mult

14

iarna, cand sunt vanturi mai puternice. S-a vorbit si despre dezavantaje: ca ar polua sonor, ca ar ucide pasari, prinzandu-le in elice si ca ar necesita spatii foarte intinse pentru instalare Cert este ca energia eoliana se afla in topul surselor de energie cu un ritm de crestere fulminant. Potrivit Ministerului Mediului si Dezvoltarii Durabile, locurile perfecte pentru instalarea turbinelor se afla in Carpati, in Dobrogea si chiar in Marea Neagra, pana la o adancime de 20 de metri. Unul dintre putinele orase care vrea sa dezvolte acest sistem este Sulina. Desi se afla in Rezervatia Deltei Dunarii, primaria a pus la dispozitia investitorilor terenuri pe care se pot ridica centrale eoliene. Potentialul eolian al intregului Glob poate asigura de cinci ori mai multa energie decat cea consumata acum. La sfarsitul anului trecut, generatoarele eoliene au produs peste 1% din necesarul mondial de energie electrica.

In concluzie turbinele eoliene au o importanta foarte mare in industria electrica,iar pe viitor se vor dezvolta si mai puternic si vor fi printre cele mai importante surse de energie electrica.

Bibliografie

http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/6_3.pdf (16.11.2011 http://www.adevarul.ro/actualitate/Forta-vantului-castiga-energiei-

regenerabile_0_37796665.html (16.11.2011)

http://www.revista-informare.ro/showart.php?id=221&rev=8 (16.11.2011

http://ro.wikipedia.org/wiki/Energie_eolian%C4%83 (16.11.2011)

http://www.romania-eoliene.ro/ (16.11.2011)

http://www.altalgroup.ro/wind.htm (16.11.2011)

http://www.energeia.ro/energie-eoliana/turbine-eoliene/turbine-eoliene-definitie-si- principiu-de-functionare-81/ (17.11.2011)

15