UNIVERSITATEA „POLITEHNICA” DIN BUCUREŞTIFACULTATEA DE INGINERIE MECANICĂ ŞI MECATRONICĂ

DEZVOLTARE DE PRODUS

TURBINE EOLIENE DE MICĂ PUTERE PENTRU UZ CASNIC

Student: Marinela ANDREIU

Bucuresti

2011

INTRODUCERE

În contextul noii ere energetice şi a noilor tehnologii, care au cunoscut o tot mai maredezvoltare, a crescut interesul pentru reducerea, prin intermediul surselor de energii regenerabile, a consumului de combustibili fosili şi implicit a poluării. O direcţie reprezentativă în cadrul domeniului utilizării surselor de energie regenerabilă sereferă la conversia energiei eoliene în energie electrică, bazată pe utilizarea de turbine eoliene;dezvoltarea acestor sisteme de conversie a condus la identificarea de noi soluţii inovativecaracterizate prin eficienţă ridicată, costuri reduse, fiabilitate şi adaptabilitate la condiţiile deimplementare. Lucrarea de faţă are ca principal obiectiv conceperea, realizarea şi optimizarea unui rotorde turbină eoliană de mică putere care să pornească la viteze reduse ale vântului (sub 3 m/s),specific zonelor de implementare cu potenţial eolian redus, caracterizat prin tehnologie simplă, preţ de cost scăzut şi o întreţinere uşoară.

1. Stadiul actual în dezvoltarea turbinelor eoliene şi identificarea obiectivelor referitoare la turbinele eoliene de mică putere

În acest capitol se prezintă stadiul actual privind dezvoltarea turbinelor eoliene destinate producerii de electricitate.

1.1 Istoricul eolienelor Moara de vânt este stramosul generatoarelor eoliene (Fig. 1). Ea a aparut în Evul Mediu

în Europa. Ea a functionat la început cu ax vertical.

Fig.1: Imagine a doua mori de vânt (Sursa: http ://www.sizilien-sicily-sicilia.de/Energie-uk.htm)

Mai târziu, morile se orientau dupa directia vântului si au fost puse pânze pentru a capta mai bine energia vântului. (Fig. 2)

Fig. 2: Imagine a unei mori de vânt cu pânze (Sursa: http://www.olympia.nl/home1-5/griekenland/kos/pages-kos/atmz/beziensw-

antimachiakos.html)

Prima moara de vânt cu pale profilate a aparut în secolul doisprezece. Chiar daca era foarte simpla, este totusi vorba de prima cercetare aerodinamica a palelor. Acestea au fost utilizate în principal pentru pomparea apei sau pentru macinarea grâului. În perioada Renasterii, inventatori celebrii ca Leonardo da Vinci s-au interesat foarte intens de morile de vânt, ceea ce a condus la numeroase inovatii, uneori inutile. De atunci, morile s-au înmultit în Europa. Revolutia industriala a oferit un nou început pentru morile de vânt, prin aparitia de noi materiale. În consecinta_, utilizarea metalului a permis modificarea formei turnului si cresterea considerabila a masinilor pe care le numim pe scurt "eoliene". (Fig. 3)

Fig. 3: Moara de vânt (Germania de Nord)(Sursa: http://www.jbengs.de/galerie/pages/bild279.htm)

Evolutia electricitatii în secolul XX a determinat aparitia primelor eoliene moderne (Fig. 4). Este studiat profilul palelor, iar inginerii se inspira dupa profilul aripilor de avion.

Fig. 4: Eoliana moderna(Sursa: http://gruppen.greenpeace.de/aachen/energie-windrad.jpg

copyright: Langrock/Greenpeace) În prezent, eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu exceptia modelelor cu ax vertical ca cele cu rotor Savonius si Darrieus, care sunt înca utilizate, dar sunt pe cale de disparitie. Ultimele inovatii permit functionarea eolienelor cu viteza variabila, respectiv reglarea vitezei turbine eoliene în functie de viteza vântului.

1.2. Sisteme de conversie a energiei eoliene

În fig. 5 se prezintă schema privind conversia energiei eoliene în energie mecanică şielectrică, cu evidenţierea unor aplicaţii reprezentative. Energia eoliană s-a folosit de mii de ani; la început energia mecanică preluată de la vânt erafolosită de vasele de navigaţie, pentru pomparea apei, pentru irigaţii şi de morile de vânt pentrumăcinarea grânelor, [BOD2007]. Mai târziu această energie mecanică s-a transformat în energie electrică cu ajutorulturbinelor eoliene (morile de vânt moderne) care puteau fi legate la reţeaua de curent electric.

Fig. 5 Schema conversiei energiei

1.3 . Clasificarea sistemelor de conversie a energiei eoliene

Sistemele care realizează conversia energiei eoliane în energie electrică sunt turbinele eoliene.Ele se clasifică în funcţie de poziţia axului, astfel: 1) Turbine eoliene cu ax orizontal, au axul rotorului aşezat pe orizontală. În prezent sunt cele mai variate din punct de vedere constructiv şi cele mai răspândite. Acestea pot avea de la 1 până la 18 pale, cele cu una, două şi trei pale sunt – turbine rapide şi cu pale multiple, (mai mult de 3 pale) sunt – turbine lente (fig. 6).

Fig. 6 Clasificarea turbinelor eoliene cu ax orizontal: a – o pală, b – două pale, c – trei pale, d – cu pale multiple

Functionarea eolienelor cu ax orizontal se bazeaza pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obtine un bun compromis între coeficientul de putere, cost si viteza de rotatie a captorului eolian, ca si o ameliorare a aspectului estetic, fata de rotorul cu doua pale. Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superiorcelui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai putin supuse unor solicitari mecanice importante si au un cost mai scazut.

Exista doua categorii de eoliene cu ax orizontal:

• Amonte: vântul sufla pe fata palelor, fata de directia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul esteorientat, cu ajutorul unui dispozitiv, dupa directia vântului.

Fig. 7 Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte

• Aval: vântul sufla pe spatele palelor, fata de nacela. Rotorul este flexibil si se auto-orienteaza.

Fig. 8 Schema unei eoliene cu ax orizontal aval

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizata, deoarece este mai simpla si da cele mai bunerezultate la puteri mari: nu are suprafete de directionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse si are o stabilitate mai buna. Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în functie de directia si forta vântului. Pentru aceasta, exista dispozitive de orientare a nacelei pe directia vântului si de orientare a palelor, în functie de intensitatea acestuia.În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezinta cel mai ridicat interes pentruproducerea de energie electrica la scara industriala.

2) Turbine eoliene cu ax vertical, au axul rotorului aşezat pe verticală. Cele mai răspândite sunt turbinele Darrieus, Savonius, Musgrove, Evence – cu două sau trei pale subţiri aerodinamice încastrate de un ax vertical, şi Savonius – cu două pale cu profil aerodinamic fixate de axul vertical. Avantajul lor este în principal acela că rotorul acestora nu trebuie orientat după vânt (fig. 1.30). Dezavantajul lor este că nu pot fi amplasate pe stâlpi la înălţime, ca urmare beneficiază de vântul de la nivelul solului până la 50m înălţime.

Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mica, având înltimea de 0,1 - 0,5 din înaltimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operatiunile de întretinere. În plus, nu este necesara utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totusi, vântul are intensitate redusa la nivelul solului, ceea ce determina un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusa si turbulentelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitari mecanice importante. Din aceste motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precadere catre eolienele cu ax orizontal.Cele mai raspândite doua structuri de eoliene cu ax vertical se bazeaza pe principiul tractiuniidiferentiale sau a variatiei periodice a incidentei:Rotorul lui Savonius în cazul caruia, functionarea se bazeaza pe principiul tractiunii diferentiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecareia din fetele unui corp curbat au intensitati diferite. Rezulta un cuplu care determina rotirea ansamblului.

Fig. 9 Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Fig. 10. Clasificarea turbinelor eoliene cu ax vertical, a – Darrieus, b – Savonius, c – Evence,d - Musgrove

Rotorul lui Darrieus se bazeaza pe principiul variatiei periodice a incidentei. Un profil plasat într-un curent de aer, în functie de diferitele unghiuri, este supus unor forte ale caror intensitate si directie sunt diferite. Rezultanta acestor forte determina aparitia unui cuplu motor care roteste dispozitivul.

Turbinele eoliene se clasifică si după puterea electrică furnizată, astfel:• Turbine de putere mică (sub 100kW) utilizate în general pentru uz casnic, agricol, etc.;• Turbine de putere medie şi mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în reţea

Turbine eoliene de mică putereTurbinele eoliene de mică putere au fost şi sunt folosite pentru necesităţile energetice propriiale consumatorilor. Datorită costului redus şi al modului de întreţinere uşor, comercializarea lor se extinde din ce în ce mai mult, fiind utilizate pentru alimentarea cu energie electrică a utilizatorilor izolaţi, care nu sunt conectaţi la reţeaua de energie electrică sau pentru funcţionalităţi diverse în mediul construit. O turbină eoliană de mică putere se defineşte ca un sistem de conversie al energieimecanice, preluată de la vânt, în energie electrică, cu putere de până la 100 de kW.

2. Analiza structurala a unei turbine eoliene de mica putere cu ax orizontal

Fig. 11 Partile componente ale unei turbine eoliene

In tabelul de mai jos sunt detaliate partile componente ale unei turbine eoliene de mica putere cu ax orizontal:Tabel 1Nr.crt. Parti componente Descriere

1. Rotor Rotorul este format din arborele principal şi pale. Palele sunt în general în număr de trei, sunt realizate din compozite armate cu fibră de sticlă, mase plastice, metal sau lemn şi sunt de formă aerodinamică. Suprafaţa acoperită de pale într-o rotaţie completă determină puterea generată de sistem. Arborele principal este poziţionat pe orizontală.

2. Generator/alternator

Generatorul/alternatorul este cuplat direct de arborele principal al turbinei şi, la rotirea rotorului produce energie electrică. Dacă sistemul este construit cu generator atunci curentul produs de turbină este continuu, dacă este echipat cu alternator curentul produs de turbină este alternativ.

3. Cutie de viteze Cutia de viteze este folosită la turbinele eoliene de mică putere cu puteri peste 10 kW. Are rolul de a regla viteza de rotaţie a rotorului.

4 Nacela Nacela este o carcasă care include generatorul şi cutia de viteze.

5. Sistem de orientare Are rolul de a orienta turbina pe direcţia vântului. Multe turbine de mică putere folosesc un sistem simplu, cu coadă tip giruetă, care se orienteză pe direcţia vântului. Dacă sistemul este poziţionat în aval, adică vântul suflă înspatele palelor, rotorul se auto orientează pe direcţia vântului.

6. Sistemul de control şi protecţie

Complexitatea acestui sistem depinde de tipul turbinei eoliene şi de capacitatea acesteia.

7. Turnul Turnul susţine sistemul de orientare, nacela şi rotorul turbinei eoliene. Trebuie proiectat şi realizat astfel încât să reziste la condiţiile climatice nefavorabile, ca vânturile extreme, grindina, vijelii, din oţel. Există câtevatipuri de soluţii constructive de turnuri, printre care: • Turn înclinat (conductă) – este utilizat pentru sisteme care produc sub 1kW. • Turnul ancorat – este mai ieftin, de obicei este de tipul turn înclinat. Acest turn are nevoie de o suprafaţă destul de mare de ancorare, pentru a fi cât mai bine fixat. • Turnul consolidat la bază prin fundaţie –este de obicei de formă cilindrică sau de tip grindă cu zăbrele. Sunt mult mai rezistente decât celelalte, însă au un cost mai ridicat şi pentru instalare au nevoie de macara.

În urma analizei acestor soluţii de turbine eoliene s-a constatat că: Turbinele eoliene lente cu multe pale - sunt adaptate pentru vânturi de viteză mică,

pornesc la viteze ale vântului de 2-3 m/s. Momentul motor este relativ mare. Turbinele eoliene rapide cu două sau trei pale – funcţionează de la viteze ale vântului de

5 m/s. Curbele de variaţie a coeficienţilor de moment şi de putere, obţinute experimental, evidenţiază valoarea mică a momentului motor şi un CP maxim egal cu 0,4. Cu aceste soluţii noi s-au îmbunătăţit: • pornirea turbinei eoliene de mică putere de la viteze mici ale vântului; • mărirea numărului de pale, la mai mult de trei, pentru creşterea coeficientului de putere al turbinei; • modificarea formei aerodinamice a palelor pentru a se mării captarea energiei vântului. Pentru a se putea realiza toate aceste îmbunătăţiri ale turbinei s-a mărit gradul decomplexitate al profilelor de pală şi al părţilor componente ale sistemului, ducând la un cost mărit şi o rezistenţă mecanică cât mai scăzută a turbinelor.

3. Lista de cerinte. Solutii constructive

Primul pas in stabilirea listei de cerinte este descrierea scopului produsului. Aceasta descriere se face in mod neutru in ceea ce priveste solutia constructive pentru a pastra caracterul de generalitate a expunerii.Tabel 2

Produsul Scopul produsului

Turbina eoliana de mica putereSa functioneze la viteze mici ale vantului specific zonelor din Romania;Sa produca energie electrica fara fluctuatii / cu fluctuatii mici;

O lista initiala de cerinte ar putea fi formulata astfel:1. Putere nominala mica;2. Pozitionare precisa;3. Montaj facil;4. Solutie constructiva simpla;5. Costuri mici;6. Materiale uzuale;

Aceasta lista contine cerinte calitative vagi; pentru a putea gasi 2-3 variante constructive trebuie realizata o extindere a acestei liste initiale.

Intrucat produsul final este unul complex, s-a ales ca obiectivul principal al proiectului sa-l reprezinte conceperea şi optimizarea soluţiei constructive a rotorului pentru o turbină eolienă de mică putere cu ax orizontal care să pornească de la viteze mici ale vântului (v < 3 m/s) şi să conducă la un preţ de cost scăzut al întregului sistem eolian. Se vor dezvolta cercetări teoretice pentru identificarea, selectarea şi optimizarea soluţiei constructive a rotorului, numărul palelor, forma şi dimensiunile acestora, materialul din care se execută.

3.1 Conceperea rotorului turbinei eoliene de mică putere. Lista de cerinte

Rotorul turbinei este conceput pe baza următorului set de cerinţe iniţiale:1. ax orizontal, a carei eficienţă energetică în condiţiile date de potenţialul eolian este mai

mare decât a turbinelor cu ax vertical;

2. număr mare de pale, pentru creşterea momentului de pornire şi asigurarea funcţionalităţii turbinei eoliene în condiţiile de potenţial eolian scăzut (viteze mici ale vântului);

3. profilul palelor, simplu tehnologic, pentru asigurarea unui preţ de cost scăzut şi a posibilităţii de reglare pe rotor; 4. materialul: rezistenţă necesară şi preţ de cost scăzut; 5. posibilitatea adaptării teoriei la structura potenţialului eolian prin număr de pale şi unghi de poziţionare.

Tabel 3 Caracteristicile principale ale subansamblului analizat prezentate centralizatNr.Crt.

Caracteristica principala Caracteristica secundara Precizari

1. Geometrice

Viteza unghiulara a rotorului

Diametrul rotoruluiTipul butucului

Profilul de pala

Diametrul palei

Lungimea palei

Unghiul de incidenta

Unghiul de pozitionare a palelor

Numarul de pale

2. Cinematice

Viteza minima a vantului pentru functionareViteza maxima de supravietuire

Viteza vant pentru putere nominala

3.Forte

Forta portanta

Forta de rezistenta la inaintareGreutateaDeplasarile din pala

4.

Material

Proprietatile materialelor din care sunt confictionate palele

Sa confere rezistenta si pret de cost scazut

Raport optim de duritate Greutate specifica

Longevitate la solicitari de oboseala si flexibilitate

Aliaj usor si spuma poliuretan Aliaj usor si polistiren armat cu fibra de sticlaLemn si metal

5.Montaj

Prescriptii speciale de montaj Rotorul se monteaza pe arborele principal prin intermediu butucului

Montaj facil in amplasament

6.

Energie

Putere nominala

Randamentul turbinei

Transformarea de energie

7. Siguranta Protejarea mediului ambient

Sisteme de protectie si siguranta in exploatare

8. Executie

Procedeele de executie a palelor sunt aceleasi ca tehnologiile utilizate si in industria aeronautica

9.Control

Sisteme de masurare a vitezei vantului

Anemometru

Sisteme de masurare a zgomotului Sonometru

10. Utilizare

Silentiozitate Utilizarea in diverse zone ale Romaniei, unde viteza vantului este redusa

Functionarea in zone izolate

11 Intretinere Inspectii periodice

Inlocuire/reparare usoara a elementelor componente

12. Reciclare Reutilizarea materialelor constituente

13.

Costuri

Costuri materii prime

Costuri de prelucrare

Investitii

Amortizarea investitiilor

14.

Termene

Termen proiectare

Termen dezvoltare si testare

Termen livrare

Tabel 4 Lista de cerinte preliminaraNr. Cerinta Observatii

Crt.1. Ax orizontal Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva si calculul de rezistenta2. Pozitionarea arborelui principal pe orizontala Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva si calculul de rezistenta3. Puterea nominala mica Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva 4. Montaj facil Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

5. Solutie simpla Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

6. Costuri mici Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

7. Materiale uzuale Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

8. Diametrul palelor Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva si calculul de rezistenta

9. Profilul palelor Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva si calculul de rezistenta

10. Numarul de pale Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva

11. Valoarea maxima a deplasarilor in pala Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva si calculul de rezistenta

12. Tipul butucului Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva

13. Viteza minima a vantului pentru functionare Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva

14. Viteza maxima de supravietuire Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva

15. Viteza vant pentru putere nominala Obligatorie. Vizeaza solutia constructiva

16. Silentiozitate Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

17. Unghiul de pozitionare a palelor Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

18. Greutatea Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

19. Protejarea mediului ambiant Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

Tabel 5 Lista de cerinte finalaNr. Cerinta Observatii

Crt.1. Ax orizontal Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva si calculul de rezistenta2. Pozitionarea arborelui principal pe orizontala Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva si calculul de rezistenta3. Puterea nominala mica Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva8. Diametrul palelor Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva si calculul de rezistenta9. Profilul palelor Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva si calculul de rezistenta10. Numarul de pale Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva 11. Valoarea maxima a deplasarilor in pala Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva si calculul de rezistenta12. Tipul butucului Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva 13. Viteza minima a vantului pentru functionare Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva14. Viteza maxima de supravietuire Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva15. Viteza vant pentru putere nominala Obligatorie. Vizeaza solutia

constructiva4. Montaj facil Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

5. Solutie simpla Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

6. Costuri mici Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

7. Materiale uzuale Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

16. Silentiozitate Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

17. Unghiul de pozitionare a palelor Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

18. Greutatea Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

19. Protejarea mediului ambiant Dorinta. Vizeaza solutia constructiva

Pasul urmator realizarii listei de cerinte este stabilirea functiilor. In acest scop, se parcurge lista de cerinte finale si se evidentiaza acele cerinte care impun clar realizarea de functii.

Tabel 6 Stabilirea functiilor necesare indeplinirii cerintelorNr. Cerinta Functii asociate cerintelor

Crt.1. Ax orizontal Lagaruirea arborelui

2. Pozitionarea arborelui principal pe orizontala Nu

3. Puterea nominala mica Nu

Modificarea pasului elicei

8. Diametrul palei Nu

9. Functionare prin modificarea directiei de curgere a aerului

Devierea directiei vantului pentru transformarea curgerii rectilinii a vantului in miscare de rotatie a rotorului

10. Cresterea momentului motor(prin numarul de pale)

Nu

11. Valoarea maxima a deplasarilor in pala Nu

12. Butucul sa sustina palele fara deteriorare Fixarea palelor pe butuc 13. Viteza minima a vantului pentru functionare Adaptarea elicei la fluctuatiile vantului14. Viteza maxima de supravietuire Adaptarea elicei la fluctuatiile vantului15. Viteza vant pentru putere nominala Adaptarea elicei la fluctuatiile vantului4. Montaj facil Nu

5. Solutie simpla Nu

6. Costuri mici Nu

7. Materiale uzuale Nu

16. Silentiozitate Impiedicarea poluarii sonice

18. Greutate minima Nu

19. Protejarea mediului ambiant Nu

Tabel 7 Tabelul morfologic preliminarNr. Functii Solutii constructive

Crt.1. Lagaruirea arborelui Rulmenti, lagar de alunecare hidrodinamic,

hidrostatic, gazostatic, gazo-dinamic, cu frecare limita sau mixta, lagar magnetic

2. Modificarea pasului elicei Cu bieleta de pas (mecanism biela-manivela), prin fixare elastica cu arc de reglare a pasului, cu motor hidraulic, pneumatic, pas cu pas

3. Devierea directiei vantului pentru transformarea curgerii rectilinii a vantului in miscare de rotatie a rotorului

Pala verticala, pala tip elice de avion, pale simple mori de vant

4. Fixarea palelor pe butuc Rulmenti, lagare de alunecare cu frecare limita sau mixta (bucse sinteriate), lagare hidrostatice

5. Adaptarea elicei la fluctuatiile vantului

Frana mecanica, frana hidraulica, frana comandata electric multidisc

6. Impiedicarea poluarii sonice Nervuri de laminarizare, fasi de material textil

Curs 7 !!!!!!!! pag 12

Solutii constructive:

Variantele constructive difera de la producator la producator, existand in momentul de fata doua variante majore de actionare a generatorului: clasica ( prin intermediul unui sistem cu doi arbori cu viteze diferite) si directa, caz in care rotorul antreneaza direct un generator electric cu un numar mai ridicat de poli. In momentul de fata, varianta clasica este cea mai respandita.

Exista de asemenea doua variante principale de control asupra vitezei de rotatie a rotorului: "stall control" folosind modelul aerodinamic al palelor sau "pitch" rasucind palele in intregime aproape la 90 de grade. Se mai utilizeaza controlul prin "active stall" ca varianta de mijloc, dar pe scara mai redusa deoarece implica sisteme de mai mari dimensiuni.

Parerile sunt impartite asupra eficientei fiecarui sistem. In cazul primului sunt implicate variante constructive mai simple si deci mai fiabile, pe cand al doilea sistem necesita siteme mai complexe si de dimensiuni mai mari. Totusi, tinand cont de progresul tehnologic in momentul actual, este greu de spus care din sisteme este mai bun, desi tendinta actuala este sa se foloseasca mai mult controlul "pitch" . In alegerea unei turbine, de cele mai multe ori predomina criteriile legate de productivitate, fiabilitate si costuri.

Fig. 12 Solutie constructiva tip “roata de bicicleta”

Fig. 13 Solutie constructiva cu 3 pale

Noi soluţii constructive de turbine eoliene de mică putere s-au realizat ca brevet de invenţie şi nu numai. In figura 12 sunt prezentate cateva solutii constructive de turbine eoliene de mica putere.

Fig. 14 Soluţii constructive de turbine eoliene de mică putere

3.2 Conceptul palelor Designul rotoarelor cu pale individuale este determinat de numărul palelor, de geometriaexterioară a lor şi de materialele din care sunt realizate. Rapiditatea sistemului depinde de formapalelor, de numărul acestora şi de material.

Materialele din care sunt realizate profilele de pală

Materialele folosite în dezvoltarea, construcţia palelor sunt esenţiale pentru buna funcţionare a turbinei eoliene. Aceste pale trebuie să fie cu greutate redusă, rezistente la coroziune şi oboseală. Materialul ideal pentru pale ar trebui să combine următoarele proprietăţi structurale: • Raport optim de duritate – greutate specifică; • Longevitate la solicitări de oboseală şi flexibilitate; • Cost mic şi prelucrarea materialelor pentru a obţine forma aerodinamică dorită. • Aliaj uşor şi spumă poliuretan; • Aliaj uşor şi polistiren armat cu fibră de sticlă; • Lemn şi metal.

Definirea profilelor de pală propuse

În sinteza conceptuală a palelor se utilizează o definire a profilelor în funcţie de doi coeficienţi importanţi: coeficientul de asimetrie şi coeficientul de lăţime, care depind de forma şi de dispunerea suprafeţei active a palei faţă de axa acesteia. Aceşti coeficienţi au valori cuprinse în intervalul 0,...,1 şi modelează forma palei şi poziţiaacesteia faţă de axa de rotaţie, fiind notaţi astfel: CAv = coeficient de asimetrie la vârf ; CAa = coeficient de asimetrie la ax; Cv = coeficient de lăţime la vârf; Ca = coeficient de lăţime la ax.

Conform acestor simbolizări grafice se disting o varietate însemnată de profile de pală dediferite forme şi dimensiuni, care pot fi utilizate în construcţia rotorului turbinei eoliene. Pentru conceptul propus, aceste profile de pale, diferite ca formă (triunghi, trapez,dreptunghi, romb şi de formă ovală) şi având aceleaşi dimensiuni radiale, sunt realizate din materiale diferite:

Fig. 15 Profile 2D, de forme si grosimi diferite

Pentru o captare cât mai eficientă a energiei vântului, profilele de pală sunt realizate cu colţurile ascuţite (fig. 13 a, b, c, d, e, g, h, j, k) şi rotunjite (fig. 13 f, i şi l). Pentru palele dinmaterial textil se utilizează un cadru pe care este fixată pânza, conform fig. 13 m. Palele sunt fixate într-o obadă, numărul palelor putând fi de la 2 pană la 12. Un număr marede pale şi dimensiunile radiale mărite ale acestora induc rotorului un moment motor mare şi ocaptare a energiei vântului mai ridicată.

3.3 Analiza 3D a rotorului si a palelor. ExempleIn continuare se vor analiza cele 2 solutii constructive, turbina eoliana cu rotorul tip “roata de bicicleta” si turbina eoliana cu 3 pale, din punct de vedere tehnico-economic si se va alege solutia optima.Intr-o prima faza se face o analiza a profilului de pala. Se propune spre analiza o pala fixa de rotor turbina eoliana.

Analiza structurala a rotorului tip “roata de bicicleta” folosind programul ANSYS.

Fig. 16 Modelarea 3D a rotorului

Fig. 17 Geometria modelului

Fig. 18 Distributia deplasarilor in rotor

Fig. 19 Tensiunea creata de forta centrifuga

Fig. 20 Tensiunea creata de forta gravitationala

Analiza structurala a unei pale fixe de rotor generator eolian cu urmatoarele configuratii:lama este încastrată la ambele capete şi poate avea una din următoarele configuraţii: platformă de

oţel ( , , ) de 3 mm grosime, material sandwich format din trei straturi, cu feţele laterale din răşini poliesterice armate cu fibre de sticlă (

, , ) şi miez din spumă ( ,

, ).

Grosimile celor trei straturi sunt următoarele: strat răşină 1,5 mm, strat spumă 3 mm, strat răşină 1,5 mm. Încărcarea lamei este creată de un vânt ce loveşte lama cu viteza de: ( i ) = 10 m/s, ( ii ) =30 m/s cu incidenţa de 0o şi 20o pentru fiecare caz.

Determinarea distribuţiei de presiuni pe suprafaţă palei s-a efectuat cu ajutorului platformei JavaFoil. JavaFoil este un program simplu care utilizează metode simple de analiză a curgerii . Metodele care se află la baza acestui program sunt: potential flow analysis (calculează viteza locală de-a lungul suprafeţei pentru orice unghi de atac), boundary layer analysis (rezolvă un set de ecuaţii diferenţiale pentru a determina comportamentul straturilor la interfaţă). Datorită simplităţii sale, utilizarea sa este condiţionată de precizia dorită.

Pentru a obţine distribuţia de presiuni pe suprafaţa palei am utilizat un fişier Notepad care conţine coordonatele punctelor ce alcătuiesc profilul palei cu structură de oţel şi structură sandwich. Utilizând profilul generat, şi impunând condiţii privind unghiul de incidenţă al curentului de aer, JavaFoil este capabil să furnizeze valorile coeficientului de presiune de-a lungul profilului. Utilizând valorile adimensionale ale coeficientului de presiune, a fost determinată distribuţia presiunii de-a lungul profilului pentru toate cazurile prezentate mai sus. Mai jos (Fig.3, Fig.4) este prezentată distribuţia de presiuni pentru două cazuri.

Distributia presiunilor pentru pala Distributia presiunilor pentru pala otel la la la v=10 m/s şi θ=0o sandwich la v=10 m/s şi θ=0o

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-2.50E-01

-2.00E-01

-1.50E-01

-1.00E-01

-5.00E-02

0.00E+00

5.00E-02

1.00E-01

1.50E-01

distributia deplasarilor pala otel

otel_v10_t0

otel_v10_1t0

otel_v10_t20

otel_v30_t0

otel_v10_t10

otel_v30_t20

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-3.50E-01

-3.00E-01

-2.50E-01

-2.00E-01

-1.50E-01

-1.00E-01

-5.00E-02

0.00E+00

5.00E-02

distributia deplasarilor pala sandwich

s_v10_t0

s_v10_t10

s_v10_t20

s_v30_t0

s_v30_t10

s_v30_t20

v10_θ0 v10_θ10 v10_θ20 v30_θ0 v30_θ10 v30_θ20 v10_θ0 v10_θ10 v10_θ20 v30_θ0 v30_θ10 v30_θ20

Oţel Sandwich

Figura 21 Stress Diagram

Analiza structurala pentru o pala mobila profil RAF6 cu sectiunea de mai jos. Pala se consideră a avea o structură cu un înveliş din tablă de aluminiu cu grosimea de 1 mm şi un lonjeron din ţeavă de 1 ¼”

Fig. 22 Modelarea sarcinilor cu JavaFoil

Fig. 23 Modelarea deplasarilor in pala cu ANSYS

4. Calculul costurilorMaterialele utilizate sunt:

Aluminiu Duraluminiu Otel

- Costurile materialelor- Costurile de executie- Costuri de fabricatie- Costuri de amplasare- Costuri de intretinere- Completarea tabelelor

5. Evaluarea impactului asupra mediului inconjurator