UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTIFacultatea de Energetica

Producerea de energie electrica cu ajutorul turbinelor eoliene si

turbinelor folosite in microhidrocentrale.

2009

Producerea de energie electrica cu ajutorul turbinelor eoliene si turbinelor folosite in microhidrocentrale

Inca din antichitate forta vantului a fost folosita pentru navigatie sau pe uscat pentrupomparea apei si macinarea granelor .

Primele mori de vant au fost atestate in Asia Mica , apoi in China inca din secolul al II-lea I.e.n , patrunzand in nordul Africii si apoi in Europa in secolul al XI-lea .la mijlocul secolulul XVII in SUA aparae “roata fermierului “ o roata multipla de mici dimensiuni , care initial era utilizata pentru pompaj , apoi incepe sa fie utilizata fiind cuplata cu un generator electric , pentru producerea de energie electrica .

Odata cu prima criza a energiei din deceniul al saptelea , se “reescopera” acesta sursa de energie .Multe dintarile lumii – si in special cele mai dezvoltate –lanseaza programe vizand realizarea , pe baza celor mai noi tehnoligii , a unor turbine de vant generatoare de energie electrica , de puteri semnificative /200-600-1000kW/ .Incepe epoca moderna a utilizarii energiei vantului .

Gruparile energetice aerogeneratoare prezinta unele paricularitati functionale fat de grupurile enrgetice clasice , cea mai importanta fiind marea variabilitate in timp a parametrilor agentului motor : vant .Sub acest ultim aspect , se poate face o asemanare directa cu functionarea mictrohidrocentralelor pe firul apei , care si ele lucreaza intermitent , daca nu au nici o regularizare .

Energia electrica poate fi produsa cu diverse echipamente bazate pe diverse surse de energie printre care energia eoliana si energia solara.

Cartea Alba a ISES din 2003 prognozeaza procentele pentru sursele de energie regenerabilă eoliana si solara în producerea de energie în lume (situaţie dată pentru anul 2003) astfel:Energia eoliană: capacitatea globală a energiei eoliene va ajunge la peste32000MW, iar procentul de creştere este de 32% / an. Ţinta de 12% din cererea mondială de electricitate produsă din energie eoliană până în 2020 pare a fi deja atinsă.Energie solară: energia solară a avut o rată de creştere din 1971 până în 2000 de circa 32.6%.

Caracteristicile energetice ale vantului Energia cinetica a vantului se transforma in aeromotor in energie mecanica , care

apoi se utilizeaza nemijlocit pentru efectuarea lucrului mecanic, se transforma in energie electrica ,pneumatica sau de alt tip.

Energia cinetica E a unui curent de a er cu aria sectiunii transversal A se calculeaza cu formula :

Masa aerului care trece prin sectiunea A intr-o secunda calculata cu formula

Unde ρ reprezinta densitatea aerului , egala cu 1.23 in conditiile normale de temperatura (t=15 o C) si presiunea (ρ=101.3 kPa ) si foarte putin putin depinde de variatia factorilormeteorologoci .

Se observa ca energia specifica a curentului de aer este proportionala cu calcului vitezei V a acestui curent si la un metru patrat al sectiunii transversale se constituie in urmatorul tabel:

V,m/s 3 4 6 8 10 14 18

P,w.m2 17 40 132 314 615 1670 3600

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

Vantul reprezinta un fenomen geofizic foarte compicat , viteza si marimea acestuia sunt marimi permanent variabile si pot fi apreciate doar cu o anumita probabilitate , folosind date statistice acumulate pe parcursul unei perioade indelungate de timp.

Diverse echipamente de producere a energiei electrice :

Panouri Solare si sisteme solare pentru incalzirea apei utilitare si a spatiilor de locuit

Turbine EolieneTurbine eoliene pentru producerea energiei electrice cu ajutorul fortei vantului.

Panouri Fotovoltaice

Panouri fotovoltaice pentru producerea energiei electrice cu ajutorul energiei

Micro-hidrocentrale pentru producerea energiei electrice cu ajutorul fortei apeiInvertoareBaterii stationare solareRegulatoare de incarcare

Sisteme hibride de producere a energiei electrice (fotovoltaic + eolian).

Tehnologii si echipamente pentru microhidrocentrale

Microhidrocentrala capteaza energia cinetica a apei in cadere pentru a genera electricitate.

Turbina converteste energia apei de cadere in energie mecanica de rotatie si apoi alternatorul o transforma in energie electrica. Cantitatea de energie produsa depinde de doi factori:

1. Inaltimea de cadere a apei pe verticala. Cu cat este mai mare, cu atat este mai mare puterea generata.

2. Debitul de apa ce trece prin turbina. Si in acest caz puterea produsa este proportionala cu volumul de apa ce trece prin turbina.

Sistemele de microhidrocentrale se impart in doua categorii importante de turbine:

Turbine pentru inaltimi mari de apa si debite mici, turbinele de impuls. Turbinele pentru inaltimi mici de apa si debite mari, turbinele de

reactiune.

Aranjament turbina de impulsAranjament turbina cu reactiune

Turbinele de reactiune sunt rotite de forta de reactiune a apei lovind paletele rotorului. Pot functiona la inaltimi de apa foarte mici de pana la 0,6 m, dar au nevoie de o mult mai mare cantitate de apa comparativ cu turbinele de impuls.

Turbine de reactiune

Microturbina NautilusFunctioneaza la inaltimi mici de apa de pana la 1,2 m. Apa este canalizata spre turbina via unui canal sau a unei tevi de diametru mare. Conceptia este unica folosind atat coloana de apa cat si tub de evacuare a apei producand inaltime de

suctiune.

Turbina Nautilus are o durata de viata de peste 50 ani. Toate componentele sunt construite din otel inoxidabil, rulmentii si etansarile avand si ele o viata de peste 7 – 10 ani.Se poate demonta si transporta cu usurinta deoarece nu are nici o componenta mai grea de 44 kg. Turbina intreaga fara alternator cantareste 105 kg.Turbina cu rotorul de 264 mm diametru poate produce 360 – 3400 W cu inaltimea de apa intre 1,2 m si 5,4 m.Turbina cu rotorul de diametru 330 mm poate produce de la 550 – 2200 W cu inaltimea de apa de la 1,2 m pana la 3 m.

Turbina de impuls cu doua duze din bronz

Acest tip de turbina este unic printre turbinele microhidrocentrale.Poate sa produca energie la fel de bine atat in locatiile cu inaltime mica de apa pana la 1,5 m cat si in siturile inalte. Se poate obtine aproximativ aceeasi putere la un sit cu o cadere de apa de 1,8 m si debit de apa de 25 l/sec ca si la alt sit cu o inaltime de apa de 120 m si un debit de 0,4 l/sec.Are un alternator cu magneti permanenti actionat de o turbina cu rotor din bronz tip Turgo. Modelele din bronz, au si carcasa din bronz pentru marirea duratei de viata in medii corozive.Turbina tip Turgo se comporta mai bine decat turbina Pelton la instalatii cu debit mare, deoarece apa poate fi evacuata mai eficient, reducandu-se pierderile de presiune datorate contrapresiunii sau a frictiunii apei. Turbinele cu 2 duze se preteaza mai bine pentru instalatiile montate la parte cea mai de jos a hartei de debite. Se pot comanda extra duze, ce se pot modifica conform cu variatia sezonala a debitelor.

O astfel de turbina montata optimal poate produce o putere de peste 1 kW si si poate functiona eficient la inaltimi mici de apa de pana la 1,5 m.Este inclus un redresor de tensiune, turbina producand astfel o tensiune continua de 12, 24, 48 sau 120 volti curent continuu.Optiunile de turbine cu tensiuni inalte de 240V sau 480V, implica bobinaj special la fabrica si sunt utilizate numai in aplicatii speciale.

Turbine submersibile

Generator submersibil tip Aquair UW

GGeneratorul este etans. Toate sistemele de etansare sunt dublate. Carcasa este

plina de ulei hidraulic pentru a elimina coroziunea si are o camera de expandare ce permite functionarea la diferite adancimi si temperaturi.Este un microhidrogenerator pentru incarcarea bateriilor de 12 V sau 24 V.Se utilizeaza pe mare sau in cazul raurilor montane repezi sau in sisteme de tubulatura de apa.. Incepe sa genereze energie la viteze mici ale apei incepand cu mai putin de 3, 6 km/h. Genereaza o putere de maximum 100 W, corespunzator a 8 A la 12 V.Este testa pana la adancimi de 10 m.

Conectarea electricaUn cablu de 4 m lungime cu 4 fire se conecteaza la doua punti redresoare fixate in exterior, la un loc uscat in apropierea bateriei. Intrerupatorul si sigurantele sunt pozitionate pe linia de curent continuu de la baterie. In mod normal este necesara si folosirea unui regulator de incarcare de 25 A pentru protejarea bateriei la suprasarcina.

ALTE TIPURI DE TURBINE

Turbine cu acţiune-Turbina Pelton constă dintr-o roata pe care sunt fixate mai multe cupe, în timp ce un jet de viteză mare acţionează tangenţial asupra roţii. Jetul loveşte fiecare cupă şi este împărţit în două, astfel încât fiecare jumătate este reflectată la aproape 180º. Aproape toată energia apei este utilizată în răsucirea cupelor, iar apa reflectată este colectată într-un canal.-Turbina Turgo este asemanătoare cu Pelton, dar jetul loveşte rotorul sub un unghi de 20º, astfel că apa intră pe o parte a rotorului şi iese pe cealaltă. De aceea debitul nu este limitat de cantitatea de apă evacuată (ca în cazul turbinei Pelton). În consecinţă, turbina Turgo poate avea un diametru mai mic decât Pelton, pentru aceeaşi putere produsă.

-Turbina Bánki constă din două discuri de tablă groasă pe care sunt sudate nişte pale. Jetul de apă intră prin partea superioară a rototului printre palele curbate, şi iese prin partea opusă, trecând astfel şi a doua oară printre pale. Palele au forma astfel încât la fiecare trecere prin periferia rotorului apa transferă o parte din momentul său, înainte de a cădea cu puţină energie reziduală.Turbine cu reacţiuneTurbinele cu reactiune utilizează debitul de apă care intră în rotor pentru a genera forţele hidrodinamice care acţionează asupra palelor rotorului punându-le în mişcare. Ele se diferenţiază de turbinele cu acţiune prin faptul că rotorul funcţionează întotdeauna într-o carcasă complet umplută cu apă.Toate turbinele cu reacţiune au un difuzor cunoscut ca „aspirator” sub rotor prin care apa se evacuează. Aspiratorul încetineşte apa evacuată şi reduce presiunea statică în zona de sub rotor, crescând astfel căderea netă.Turbinele de tip elice sunt asemănătoare, în principiu, cu elicele unui vapor, dar

functionand in mod invers .

d în.

Racordarea la reteaIn figura urmatoare se prezinta schema de racordare la retea a unei turbine eoliene de 300 kW.Sursa: ICEMENERG, 2005

Conform acestei scheme turbina WT se leaga direct prin intrerupator la un transformator (0,4/20 kV), iar conectarea la eventualii consumatori in 0,4 kV din zona se face in derivatie din racordul la generatorul electric al turbinei. Transformatorul de conectare la reteaua de MT (de 20kV) se amplasesza in zona turbinei sau in apropriere de retea.Pentru imbunatatirea factorului de calitate se utilizeaza baterii de condensatoare.

Centrale eoliene

Astfel de sisteme injecteaza energia produsa de turbinele de vant (grupate in mari ferme eoliene) in reteaua de distributie din zona.Asa cum apare centrala este racordata la reteaua publica de 20– 110-220 kV sieste preluata in sistemul energetic national .

Imagine a unei ferme eoliene

Centrale eoliene Putere nominala

Cod produs

Dimensiuni Greutatekg

Caracteristici

Specifice

1000 W BWC XL.1

Diametrul rotorului: -2.5 m

Lungimea turbinei: -2.1 m

Inaltimea de montaj: -9, 13, 20, 26, 32

34Turbina BWC XL 1 are tensiunea de iesire 24 V DC, ax orizontal si rotor cu trei paleti atasati la un alternator de foarte joasa turatie cu magmeti permanenti. Paletii sunt din fibra de sticla pultrudata, un material de 2 ori mai tare decat otelul la dimensiuni similare. Turbina contine si un controler de incarcare care poate sustine panouri fotovoltaice pana la 30A.

7500 W BWCExcel-

R

Diametrul rotorului: -7 m

Lungimea turbinei: -4.8 m

Inaltimea de montaj: -13, 20, 26, 32

473Turina de vant BVC Excel este o turbine moderna , proiectata pentru fiabilitate mare, intretinere usoara si functionare automata in conditii dificile de clima. Este disponibila in doua configuratii: cuplata la grup de baterii si conectata la retea.

10000 W BWCExcel-

S

Diametrul rotorului: -7 m

Lungimea turbinei: -4.8 m

Inaltimea de montaj: -13, 20, 26, 32

473iesire de 48, 120 sau 240V curent continuu. Sunt potrivite pentru aplicatii rezidentiale rurale mari , sau independente, zone de eco-turism cat si situri de telecomunicatii mari.Se pot conecta la retea cu ajutorul unui invertor .

2,2 kW HV2,2 Diametrul rotorului: 2 m

70Turn > 6 mTensiune 400 V, trifazat sau 240 V, monofazatPoate functiona independent sau cuplat la reteaua nationala.Franare automata pt vant > 20 m/sPaletele se rotesc la turatie anormal de mare.Cand este conectata la retea se opreste automat la lipsa tensiune pentru a evita accidente pe retea.

5,5 kW HV5,5 Diametrul rotorului: 4 - 5 m

Turn > 12 mTensiune 400 V, trifazat Poate functiona independent sau cuplat la reteaua nationala.Franare automata pt vant > 20 m/sPaletele se rotesc la turatie anormal de mare.Cand este conectata la retea se opreste automat la lipsa tensiune pentru a evita accidente pe retea.

11 kW HV11 Diametrul rotorului: 6 – 10 m

Turn > 12 mTensiune 400 V, trifazat Poate functiona independent sau cuplat la reteaua nationala.Franare automata pt vant > 20 m/sPaletele se rotesc la turatie anormal de mare.Cand este conectata la retea se opreste automat la lipsa tensiune pentru a evita accidente pe retea.

Centrale eoliene mici . Tipuri de instalări O eoliană ocupă o suprafaţă mică pe sol. Acesta este un foarte mare avantaj, deoarece perturbă puţin locaţia unde este instalată, permiţând menţinerea activităţilor industriale sau agricole din apropiere. Se pot întâlni eoliene numite individuale, instalate în locaţii izolate. Eoliana nu este racordată la reţea, nu este conectată cu alte eoliene.În caz contrar, eolienele sunt grupate sub forma unor ferme eoliene. Instalările se pot face pe sol, sau, din ce în ce mai mult, în largul mărilor, sub forma unor ferme eoliene offshore, în cazul cărora prezenţa vântului este mai regulată. Acest tip de instalare reduce dezavantajul sonor şi ameliorează estetica.Ferma eoliană offshore de la Middelgrunden (Danemarca)

Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii: eoliane cu ax vertical şi eoliene cu ax orizontal.Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru a antrena generatorul.

Eoliene cu ax vertical

Pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălţimea de 0,1 - 0,5 din înălţimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operaţiunile de întreţinere. În plus, nu este necesară utilizae unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuşi, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă şi turbulenţelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu

precădere către eolienele cu ax orizontal. Cele mai răspândite două structuri de eoliene cu ax vertical se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale sau a variaţiei periodice a incidenţei:

Rotorul lui Savonius în cazul căruia, funcţionarea se bazează pe principiul tracţiunii diferenţiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din feţele uni corp curbat au intensităţi diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Schema rotorului lui Savonius

  Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variaţiei periodice a incidenţei. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcţie de diferitele unghiuri, este supus unor forţe ale căror intensitate şi direcţie sunt diferite. Rezultanta acestor forţe determină apariţia unui cuplu motor care roteşte dispozitivul.

Eoliene cu ax orizontal

Funcţionarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obţine un bun compromis între coeficientul de

putere, cost şi viteza de rotaţie a captorului eolian, ca şi o ameliorare a aspectului estetic, faţă de rotorul cu două pale.Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sut mai puţin supuse unor solicitări mecanice importante şi au un cost mai scăzut.

Există două categorii de eoliene cu ax orizontal:

  Amonte: vântul suflă pe faţa palelor, faţă de direcţia nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcţia vântului.

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă şi dă cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafeţe de direcţionare, eforturile de manevrare sunt mai reduse şi are o stabilitate mai bună.

Palele eolienelor cu ax orizontal trebuiesc totdeauna, orientate în funcţie de direcţia şi forţa văntului. Pentru aceasta, există dipozitive de orientare a nacelei pe direcţia vântului şi de orientare a palelor, în funcţie de intensitatea acestuia.

În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezintă cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară industrială.

Energia eoliană este considerată ca una din opţiunile cele mai durabile dintre variantele viitorului, resursele vântului fiind imense. Se estimează că energia eoliană recuperabilă la nivel mondial se situează la aproximativ 53 000 TWh (TerraWattoră), ceea ce reprezintă de 4 ori mai mult decât consumul mondial actual de electricitate. În Europa, potenţialul este suficient pentru asigurarea a cel puţin 20% din

necesarul de energie electrică până în 2020, mai ales dacă se ia în considerare noul potenţial offshore. Pentru ca toată resursa de energie eoliană să fie folosită la maxim, măsurările de vânt devin din ce in ce mai importante.Din considerente materiale şi de recuperare a investiţiei, toate proiectele eoliene sunt insoţite de studii de fezabilitate şi de siguranţă.

Tipuri principale de solutii constructive pentru turbine eolieneAproape toate instalatiile eoline pentru producerea energiei electrice instalate până în ultimul deceniu s-au bazat pe unul dintre cele trei tipuri principale :a) Turaţie fixă cu generatorul electric asincron, cu rotorul acestuia în scurt-circuit, cuplat direct la reţeaua de forţă;b) Turaţie variabilă cu generator electric asincron cu dublă excitaţie;c) Turaţie variabilă bazată pe generator sincron cuplat direct la rotorul eolian.

Potentialul energetic in Romania

Potential solar-termalSistemele solar-termale sunt realizate, in principal, cu captatoare solare plane sau cu tuburi vidate, in special pentru zonele cu radiatia solara mai redusa din Europa.In evaluarile de potential energetic au fost luate in considerare aplicatiile care privescincalzirea apei sau a incintelor/piscinelor (apa calda menajera, incalzire etc.)

POTENTIAL ENERGETIC SOLAR-TERMAL

Potential solar-fotovoltaicS-au avut in vedere atit aplicatiile fotovoltaice cu cuplare la retea, cat si cele autonome (neracordate la retea) pentru consumatori izolati.POTENTIAL ENERGETIC SOLAR-FOTOVOLTAIC

Potentialul eolian

In strategia de valorificare a surselor regenerabile de energie, potenţialul eolian declarat este de 14.000 MW (putere instalată), care poate furniza o cantitate de energie de aproximativ 23.000 GWh/an. Aceste valori reprezintă o estimare a potenţialului teoretic, şi rebuie nuanţate în funcţie de posibilităţile de exploatare tehnică şi economică. Pornind de la potenţialul eolian teoretic, ceea ce interesează însă prognozele de dezvoltareenergetică este potenţialul de valorificare practică în aplicaţii eoliene, potenţial care este mult mai mic decât cel teoretic, depinzând de posibilităţile de folosire a terenului şi decondiţiile pe piaţa energiei. De aceea potenţialul eolian valorificabil economic poate fi apreciat numai pe termen mediu, pe baza datelor tehnologice şi economice cunoscute astăzi şi considerate şi ele valabile pe termen mediu. S-a ales calea de evaluare a potenţialului valorificabil al ţării noastre cea macroeconomică, de tip top-down, pornind de la următoarele premise macroeconomice:- condiţiile de potenţial eolian tehnic (viteza vântului) în România care sunt apropiate de media condiţiilor eoliene în ansamblul teritoriului Europei;- politica energetică şi piaţa energiei în România vor fi integrate în politica europeană şi piaţa europeană a energieisi in concluzie indicatorii de corelare macroeconomică a potenţialul eolian valorificabil pe termen mediu si lung (2030-2050) trebuie să fie apropiaţi de indicatorii medii europeni.Ca indicatori macroecomici s-au considerat:- Puterea instalată (sau energia produsă) în instalaţii eoliene în corelaţie cu PIB pe cap de locuitor –indicatorul Peol/PIB/loc sau Eeol/PIB/loc- Energia electrică produsă în instalaţii eoliene în corelaţie cu consumul brut deenergie electrică- indicatorul (cota) Eeol/ Eel

POTENTIAL ENERGETIC EOLIAN

Potentialul microhidroenergetic

Resursele de apă datorate râurilor interioare sunt evaluate la aproximativ 42 miliarde m3/an, dar în regim neamenajat se poate conta numai pe aproximativ 19 milioane m3/an, din cauza fluctuaţiilor de debite ale râurilor.Resursele de apă din interiorul ţării se caracterizează printr-o mare variabilitate, atât în spaţiu, cât şi în timp. Astfel, zone mari şi importante, cum ar fi Câmpia Română, podişul Moldovei şi Dobrogea, sunt sărace în apă. De asemenea apar variaţii mari în timp a debitelor, atât în cursul unui an, cât şi de la an la an. În

lunile de primăvară (martie-iunie) se scurge peste 50% din stocul anual, atingându-se debite maxime de sute de ori mai mari decât cele minime. Toate acestea impun concluzia necesităţii realizării compensării debitelor cu ajutorul acumulărilor artificiale. În tabelul de mai jos se indică valorile potenţialului hidroenergetic de precipitaţii Ep, de scurgere, teoretic liniar considerat la debitul mediu şi tehnic amenajabil, pentru câteva din bazinele cursurilor de apă mai importante din ţara noastră .

POTENTIALUL MICROHIDROENERGETIC

Asadar energia eoliana si energia solara se incadreaza in “Energie verde” referindu-se la surse de energie regenerabila şi nepoluantă. Electricitatea generată din surse regenerabile devine din ce în mai disponibilă. Prin alegerea unor astfel de surse de energie regenerabila consumatorii pot susţine dezvoltarea unor energii curate care vor reduce impactul asupra mediului asociat generării energiei convenţionale şi vor creşte independenţa energetică.

Bibliografie

Ambros T., Arion V. , Gutu A.,Sobor I.,Todos P., Ungureanu D. -“Surse Regenerabile De Energie “ , Editura “Tehnica-Info” 1999 Iliana M., Bandrabur C., Oancea N. – “Energii neconventionale utilizate in intalatiile din constructii” , Editura “Tehnica “ 1987 Goggle