UNIVERSITATEA „ŞTEFAN CEL MARE” SUCEAVA FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ŞI ŞTIINŢA CALCULATOARELOR SPECIALIZAREA: ENERGETICĂ INDUSTRIALĂ PROIECT DE LICENŢĂ Coordonator ştiinţific: Candidat: Şef. lucrări dr. ing. Constantin UNGUREANU Alexandru Dumitru LEVIŢCHI
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
UNIVERSITATEA „ŞTEFAN CEL MARE” SUCEAVAFACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICĂ ŞI ŞTIINŢA CALCULATOARELOR
SPECIALIZAREA: ENERGETICĂ INDUSTRIALĂ
PROIECT DE LICENŢĂ
Coordonator ştiinţific: Candidat:Şef. lucrări dr. ing. Constantin UNGUREANU Alexandru Dumitru LEVIŢCHI
-SUCEAVA 2012-
STUDIUL ŞI REALIZAREA UNUI SISTEM DE CONVERSIE A ENERGIEI
EOLIENE
4
CUPRINS
INTRODUCERE
CAPITOLUL I
NOŢIUNI PRIVIND CONVERSIA ENERGIEI CINETICE A FLUXURILOR DE AER
IN ENERGIE MECANICĂ
1.1.Energia vântului
1.2. Limita lui Betz
1.3. Efectul numărului de pale şi al diametrului rotorului
1.4. Controlul puterii furnizate de turbina eoliană
1.5. Materiale utilizate în construcţia palelor
CAPITOLUL II
PREZENTAREA STANDULUI EXPERIMENTAL
2.1. Prezentare generală a standului experimental
2.2. Părţi componente ale standului experimental
CAPITOLUL III
REZULTATE OBŢINUTE ŞI CONCLUZII
CAPITOLUL IV
NORME DE TEHNICĂ ŞI SECURITATE A MUNCII
4.1.Efectele trecerii curentului electric prin corpul uman
4.2. Atingerile directe
4.3. Atingeri indirecte
4.4. Măsuri de protecţie a muncii specifice laboratorului de energetică
generală şi conversia energiei
REFERINŢE BIBLIOGRAFICE
5
INTRODUCERE
Energia eoliană este folosită de om încă din cele mai vechi timpuri. Morile de vânt
sunt folosite pentru pomparea apei folosită în irigaţii agricole şi pentru măcinarea boabelor de
porumb şi astăzi, în secolul informaticii, al energiei nucleare şi electricităţii, sunt construite
mori de vânt pe de-a lungul globului folosite în diverse aplicaţii cum ar fi(pompare de petrol
şi apă, pentru irigare, etc.).
Energia electrică poate fi obţinută prin mai multe metode, dar toate metodele constau
în consumul de combustibili în special cel fosil(cărbune, gaze naturale, uraniu, etc.). Prin
ardere sau prin realizarea fisiunii nucleare, energia primară înmagazinată în combustibil se
transformă în energie termică. Proiectată pentru aproape fiecare tip de combustibil, turbina
antrenează generatorul ce produce energie electrică. Electricitatea produsă de energia vântului
are mai multe avantaje(nu poluează, nu costă bani şi este o sursă de energie regenerativă).
Astăzi, utilizarea energiei eoliene, pe lângă faptul ca este o energie verde, este produsă
la o scară largă de către “morile de vânt” (denumire veche) sau turbine eoliene în prezent.
Istoria ne spune că încercările de a folosi forţa vântului datează de peste 100 ani. Cu toate
acestea un pas important în acest domeniu se poate evidenţia în anul 1973 în urma crizei
petrolului. Deoarece în aceea perioadă preţul petrolului a crescut foarte mult guvernele ţărilor
au început sa sponsorizeze sume impresionante de fonduri pentru certarea şi dezvoltarea
sistemelor eoliene. În următorii 20 de ani s-a putut observa o impresionantă dezvoltare a
acestor sisteme nonpoluante.
În zilele noastre dezvoltarea sistemelor eoliene nu se mai datorează crizei petrolului
sau lipsa altei resurse neregenerabilă, ci faptului că aceasta este o resursă inepuizabilă şi
nepoluantă.
6
TURBINE EOLIENE. TENDINŢE ŞI OBIECTIVE
[1], [5]
Primele prototipuri de turbine eoliene cu puteri de 1000 kW au fost testate in anii ’80,
dar nici una dintre ele nu au fost comercializate. Deşi au funcţionat o perioadă scurtă (tabelul
1) ele sunt folosite ca platforme de cercetare experimentală, s-au asimilat cunoştinţele noi şi s-
a creat o tehnologie pentru un nou salt la sfârşitul sec. XX- începutul sec. XXI.
Tip Turbină/
ţară
Puterea
nominală,
MW
Diametrul
rotorului, m
Nr. ore de
funcţionare
Energia
generată,
GW/h
Anii
realizării
Smith-
Putnam, SUA1.25 53 695 0.2 1941- 1945
Mod- 1, SUA 2.0 60 - - 1979- 1983
Mod- 2, SUA 2.5 91 8658 15.0 1982- 1988
Growian,
Danemarca3.0 100 420 - 1981- 1987
WEG LS- 1,
Marea
Britanie
3.0 60 8441 6.0 1987- 1992
Mod- 5B,
SUA3.2 98 20561 27.0 1987- 1992
Ecole,
Canada3.6 64 19000 12.0 1987- 1993
WTS- 4,
SUA4.0 78 7200 16.0 1982- 1994
Tabelul 1.1. Performanţele primelor prototipuri de turbine eoliene cu puteri mai de 1MW[reprodus dupa 1]
După anul 2000, se pune accent pe turbinele cu puteri nominale mari, peste 1MW.
Diametrul rotorului ajunge pâna peste 100 metri. În tehnologia modernă viteza variabilă a
7
rotorului, controlul puterii prin modificarea unghiului de atac al palelor, cuplare directă,
materiale pe bază de fibre de carbon. În consecinţă, a crescut eficienţa de conversie a energiei
eoliene în energie mecanică, s-a îmbunatăţit calitatea energiei electrice furnizate în reţea, s-a
micşorat zgomotele şi vibraţiile, au fost excluse probleme ce ţin de multiplicator.
Fig. 1. Turbina Z72 cu cuplare directă şi generator sincron cu magneţi permanenţi [reprodus după 5]
POTENŢIALUL ENERGETIC EOLIAN ÎN ZONA DE NORD A ROMANIEI
În România producerea de energie electrică este produsă în diferite surse regenerabile
sau neregenerabile. Republica Moldova, în comparaţie cu România, singura sursă pentru
producerea energiei electrice este vântul. Potenţialul eolian este foarte ridicat în acea zonă şi
se presupune ca în următorii 5-10 ani nivelul de utilizare cât şi tehnologia în acest domeniu
vor cunoaşte o dezvoltare semnificativă.
La nivel mondial, cea mai dezvoltată zonă este Uniunea Europeană. Ea deţine 65% din
totalul de energie produsă folosind puterea vântului. Aceasta este urmată în clasament de
SUA cu 15.7% şi India cu 8.5% . La nivel naţional cea mai dezvoltată tehnologie în domeniul
eolian o deţine Germania care deţine 27.4% din ponderea pe piaţa eoliană. Ea este urmată de
Spania şi SUA, ambele cu câte 15% din ponderea pe piaţa eoliană.
Lucrarea de faţă prezintă studiul şi realizarea unui sistem de conversie a energiei
eoliene. Lucrarea este structurată pe cinci capitole, introducere, prezentarea standului
experimental, norme de securitate a muncii, concluzii şi bibliografie.
8
Capitolul I- Noţiuni privind conversia energiei cinetice a fluxului de aer în energie
mecanică. În acest capitol se discută despre energia vântului, efectul numărului de pale şi al
diametrului rotorului cât şi despre materiale utilizate în construcţia palelor.
Capitolul II- Prezentarea standului experimental. Aici se prezintă scheme bloc a
standului experimental, imagini exemplificative cât şi schema electrică.
Capitolul III- Rezultate obţinute şi concluzii. Aici vom prezenta rezultatele finale cât şi
concluziile standului experimental.
Capitolul IV- Norme de tehnică şi securitate a muncii în laboratorul de EGCE. În
acest capitol sunt prezentate norme de tehnică şi securitate a muncii.
Capitolul V- Referinţe bibliografice. În cest capitol vom trece referinţele bibliografice.
9
CAPITOLUL I
NOŢIUNI PRIVIND CONVERSIA ENERGIEI CINETICE A
FLUXULUI DE AER ÎN ENRGIE MECANICĂ
[1], [4]
1.1. Energia şi puterea vântului
Energia unui flux de aer care se mişcă cu o viteză liniară V se determină cu expresia
energiei cinetice:
(1.1)
unde m este masa aerului în mişcare, determinată de densitatea aerului ρ şi volumul care
străbate o suprafaţă oarecare S într-o unitate de timp:
(1.2)
Unitatea de măsura a masei din expresia (4.7) este kg/s şi substituind în (1.1.), vom
obţine puterea fluxului de aer în waţi:
(1.3)
Putere specifică sau densitatea de putere eoliană ce revine la un metru pătrat de suprafaţă:
(1.4)
10
Fig. 1.1. Variaţia puterii specifice a unui flux de aer [reprodus după 1]
La presiunea atmosferică normală şi la temperatura de C, densitatea aerului este
1,225 kg/ . Dacă înălţimea deasupra nivelului mării viteza între 0 şi 100 m (turnurile
turbinelor moderne de putere mare cu înălţimi de 60-120 m) variaţia densităţii nu depăşeşte
5% şi în prima aproximaţie, o considerăm constantă. În figura 1.1. este reprezentată variaţia
puterii specifice a unui flux de aer în funcţie de viteză. Viteza nominală de calcul a vântului
pentru turbine moderne de mare putere variază intre 12,0 şi 15,0 m/s.
Pe baza expresiilor (1.3.) şi (1.4.) pot fi trase următoarele concluzii:
1. Formulele (1.4.) şi (1.5.) prezintă potenţialul energetic al unui flux de aer care
străbate suprafaţa S sau un metru pătrat de suprafaţă.
2. Majorarea de două ori a diametrului rotorului turbinei va conduce la majorarea de
patru ori a puterii fluxului de aer care străbate suprafaţa rotorului.
3. Majorarea de două ori a vitezei vântului, conduce la majorarea de opt ori a puterii
fluxului de aer sau a puterii specifice.
4. Este foarte important să cunoaştem valoarea vitezei vântului şi cum variază în timp
pentru a prezice cât mai exact potenţialul energetic eolian într-o localitate oarecare.
5. Se cer eforturi considerabile pentru a obţine certitudinea că centrala eoliană va fi
amplasată într-o localitate cu cele mai mari viteze ale vântului. În unele ţări se utilizează
turnuri
11
aproximativ înalte (mai mari de 60-80 m), pentru a valorifica avantajele ce ţin la creşterea
vitezei odată cu creşterea înălţimii.
1.1.1. TURBINA EOLIANĂ ÎN FLUXUL DE AER
Fig. 1.2. Turbină eoliană in flux de aer[reprodus după 1]
Turbina eoliană în flux de aer transformă energia cinetică a fluxului de aer ce
traversează ara baleiată de rotor în energie mecanică şi după aceea cu ajutorul generatorului
electric în energie electrică. La amplasarea rotorului turbinei într-un flux de aer, este evident
că fluxul de aer cedează doar o parte din energia cinetică, restul de energie se consumă pentru
ca aerul sa părăsească zona de interacţiune flux-turbină. În figura de mai sus este prezentat un
flux de aer cu viteza iniţială , care străbate aria circulară şi interacţionează cu aria
baleiată a rotorului turbinei . În secţiunea fluxul de aer întâlneşte o rezistenţă, presiunea
creşte, iar viteza scade până la . Deoarece masa de aer care traversează secţiunile , şi
rămâne constantă, iar viteza s-a micşorat, rezultă că > > , astfel spus, are loc
efectul de deformare a fluxului de aer care trece prin turbină, folosindu-se o pâlnie. Fluxul de
aer care se formează imediat după elice poartă denumirea de jet de curent al elicei unde
presiunea statică este mai mică decât în zona liberă a atmosferei.
12
1.2. LIMITA LUI BETZ
În anul 1919 Albert Betz fizician german a formulat o lege prin care arată ce parte din
energia cinetică a unui flux de aer poate fi transformată în energie mecanică. Fizicianul a
analizat o turbină cu rotor idealizat. Se admite ca rotorul este alcătuit dintr-un număr infinit de
pale subţiri, se neglijează pierderile de energie în turbină, fluxul de aer curge prin secţiunile
imaginate ale figurii de mai sus.
În conformitate cu legea a doua a lui Newton, variaţia cantităţii de mişcare este egală
cu forţa care acţionează asupra corpului:
(1.5)
Variaţia vitezei curentului de aer pentru modelul de mai sus pe parcursul unei secunde
va fi, , deci:
(1.6)
Introducem noţiunea de factor de frânare a fluxului de aer în turbină şi în
ipoteza că viteza vântului variază liniar, determinăm viteza fluxului de aer în aria a
turbinei:
(1.7)
În conformitate cu (1.2.) masa de aer traversează aria într-o secundă
(1.8)
Substituim în (1.6.) viteza şi masa m în conformitate cu (1.7.) şi (1.8.)
(1.9)
13
Puterea dezvoltată de turbină este produsul dintre forţă şi viteză:
(1.10)
În conformitate cu (1.3. ), puterea fluxului de aer cu viteza :
sau (1.11)
Substituim în (1.10.) şi obţinem
(1.12)
unde:
(1.13)
Cp se numeşte factor de putere sau limita lui Betz. [1]
Fluxul de aer va ceda turbinei nu mai mult de 59,3% din puterea şi aceasta se va
realiza doar daca frânarea e=2/3 şi viteza vântului după turbină va fi . Cele mai
performante turbine eoliene cu un număr de 3 pale au factorul lui Betz egal cu 0,45-0,50.
1.3. EFECTUL NUMĂRULUI DE PALE ŞI A DIAMETRULUI
ROTORULUI
14
În cele ce urmează vom analiza din punct de vedere calitativ a regimurilor de
funcţionare a efectului numărului de pale a turbinei cât şi al factorului de soliditate asupra
valorii factorului de putere. Se mai analizează şi dependenţa puterii nominale de diametrul
rotorului.
Conversia energiei vântului în energie mecanică va fi mai mică decât valoarea optimă
dacă:
1. Dacă rotorul turbinei are un număr mare de pale (factor de soliditate mare) sau
rotorul se roteşte cu o viteză mai mare şi fiecare pală se mişcă intr-un flux de aer turbulent de
către pala din fată.
2. Dacă rotorul turbinei are un număr mic de pale (factorul de soliditate mic) sau
rotorul se roteşte cu o viteză mică şi fluxul de aer traversează suprafaţa rotorului fără a
interacţiona cu aceasta.
Pentru a obţine un randament cât mai mare la turbina eoliană, viteza rotorului trebuie
corelată cu viteza fluxului de aer. Pentru a caracteriza turbinele cu diferite caracteristici
aerodinamice se foloseşte parametrul numit rapiditatea turbinei, un parametru adimensional.
Rapiditatea este caracterizată într-o singură formulă de către trei variabile importante
ale turbinelor:
• viteza de rotaţie ω;
• raza rotorului(diametrul);
• viteza vântului;
Rapiditatea se defineşte ca raportul dintre viteza liniară a vârfului polei U şi viteza vântului
(1.14)[1]
O turbină eoliană poate funcţiona într-o variaţie mare a rapidităţii dar va avea o
eficientă maximă Cp, numai pentru o valoare optimă a rapidităţii. cu alte cuvinte, viteza
liniară U va fi aceeaşi cu viteza fluxului de aer înmulţită cu valoarea optimă a rapidităţii.
15
Fig. 1.3. Caracteristicele aerodinamice ale diferitelor turbine [reprodus după 1]
În figura de mai sus se prezintă caracteristicele Cp- preluate din [1],[2] pentru
turbine cu un număr diferit de pale. Din urma analizelor a acestor caracteristici putem trage
următoarele concluzii:
1. Cu cât numărul de pale este mai mic, cu atât este mai mare este rapiditatea optimă,
unde factorul de putere sau conversia este maximă.
2. Două turbine eoliene cu puteri egale, da cu numărul de pale diferit sunt diferite prin
faptul că, turbina cu un număr mai mare de pale va dezvolta un moment mai mare şi va avea o
viteză de rotaţie mai mică şi invers. Turbina eoliană cu un număr mic de pale va dezvolta un
moment mai mic, dar va avea o viteză mai mare de rotaţie.
3. Turbina cu trei pale este turbina cea mai folosită şi cea mai eficientă. Diferenţele de
eficienţă dintre turbinele cu 2-5 pale nu sunt semnificativ, chiar apropiate. Avantajele
turbinelor cu una sau două pale este ca ele pot funcţiona în spectrul larg al rapidităţii, unde
factorul de putere este maxim sau apropiat de maxim.
4. Factorul maxim de eficienţă ( Betz ) al turbinei cu un număr ridicat de pale( 12-18 )
este mai mic ca la turbinele cu trei pale şi nu depăşeşte o valoare de 0,35.
16
1.3.1 DEPENDENŢA PUTERII TURBINEI DE DIAMETRUL
ROTORULUI.
Turbinele de mică putere au turnuri de înălţimi mai mari faţă de turbinele cu puteri
mai mari deoarece necesită excluderea influenţei negative ale stratului de suprafaţă a solului şi
a obstacolelor asupra vitezei vântului. Pentru valori ale diametrului rotorului cuprinse între 5
şi 10 metri, raportul din înălţimea turnului şi diametrul rotorului este egală cu 6-2. Începând
cu diametre egale sau mai mari de 30 de metri, acest raport asociază în jurul cifrei 1.[1]Puterea mecanică produsă de către turbina eoliană este proporţională cu pătratul
diametrului rotorului. Odată cu creştere înălţimii turnului respectiv creşterea diametrului
rotorului turbinei va creşte şi viteza vântului. De obicei, creşterea vitezei vântului este
considerată proporţională cu raportul înălţimilor la puterea 1/7 .[1]Astfel puterea turbinei este proporţională cu diametrul rotorului la puterea (
). Pentru turbinele comercializate in prezent o bună aproximare o oferă
expresia:
(1.15)
unde D- este diametrul rotorului, in metri; P- este puterea, în kW. [1]
17
Fig. 1.4. Creşterea diametrului rotorului şi puterii turbinelor comercializate [reprodus din 1]
În figurile (1.3.) şi (1.4.) se prezintă evoluţiile cantitative şi calitative ale turbinelor
eoliene de ultimă generaţie. Linia continuă din figura (4.22) corespunde expresiei analitice
(4.22) [1].
Fig. 1.5. Puterea nominală a turbinelor comercializate faţă de diametrul rotorului [reprodus dupa 1]
18
La nivel mondial se constată o creştere a diametrului rotorului turbinei, chiar dacă
puterea nominală a turbinei rămâne nemodificată. Turbinele care erau construite in anul 1997
aveau dimensiunile rotorului de pană la aproximativ 65 de metri, după anul 2000 dimensiunile
rotorului au ajuns pană la 73,6 metri. Creşterea diametrului rotorului conduce la creşterea
puterii extrase din forţa vântului. Dacă puterea generată de turbină rămâne neschimbată, poate
fi micşorată viteza de calcul al vântului. Astfel creşte aria de folosire a turbinelor, care includ
noi zone cu un potenţial energetic mic şi mediu. Această tendinţă se reflectă si asupra
expresiei empirice(4.20): pentru turbinele eoliene confecţionate după anul 2003, puterea lor in
MW, se poate calcula cu ajutorul relaţiei:
(1.16) [1]
Viteza liniară a vârfului palei este produsul dintre viteza de rotaţie şi raza rotorului.
Pentru turbinele cu puteri nominale cuprinse între 0,6-3,6 MW, viteza liniară este cuprinsă
intre 43-90 de m/s (155-325 km/h). Astfel de viteze liniare impun o proiectare riguroasă a
profilului palelor, asigurarea bunei calităţii şi o balansare excelentă a rotorului turbinei. Toate
aceste măsuri duc la scăderea zgomotelor produse de turbină şi permit amplasarea lor prin
zone populate.
1.4. PRINCIPII DE CONTROL AL PUTERII FURNIZATE DE
TURBINA EOLIANĂ ÎN REŢEA
Turbina va furniza in reţea puterea nominală, daca viteza vântului va fi egala cu
valoarea calculată, de aproximativ 11-15 m/s. Pentru viteze mari ale fluxului de aer trebuie
limitată puterea mecanică, respectiv suprasolicitările asupra palelor, multiplicatorului,
generatorului, turnului turbinei eoliene, astfel apare necesitatea controlului puterii turbinei.
Cele mai răspândite metode de control sunt următoarele [1]: • frânarea aerodinamică pasivă (passive stall control);
• reglarea unghiului de atac (active pitch control);