Studiul aplicat al unei eoliene

Transcription

1 Studiul aplicat al unei eoliene Tematica: Energii regenerabile Capitol: Filiera eolian Seciunea: Noiuni generale Tip resurs: Expunere Laborator virtual / Exerciiu CVR În acest curs ne propunem s prezentm ecuaiile i cunotinele necesare pentru studiul unui generator eolian, pentru a putea aborda exerciiile. cunotine anterioare necesare: nivel: durata estimat: autori: Diane Brizon, Nathalie Schild realizare: Diane Brizon, Nathalie Schild traducere: Sergiu Ivanov Resurs realizat cu sprijin financiar din partea Comunitii Europene. Documentul de fa nu angajeaz decât responsabilitatea autorului( rilor) lui. Comisia î'i declin orice responsabilitate ce ar putea decurge din utilizarea lui.

2 1. Puterea unei eoliene Eolienele pot fi clasificate în funcie de puterea lor: Diametrul palelor Puterea nominal Mic putere <12 m < 40 kw Medie putere 12 la 45 m 40kW la 1 MW Mare putere > 46 m > 1 MW Ca ordin de mrime, 1 MW reprezint necesarul de putere a aproximativ 900 de locuine de 3 persoane, fr înclzirea electric. 2. Prezentarea studiului Se are în vedere studiul unei eoliene cu generator asincron (MAS), fiind maina cea mai utilizat pentru astfel de aplicaii. În studiul eolienei, trebuiesc urmrite valorile cuplurilor M L, M E i a vitezelor arborelui primar 7 L i a celui secundar 7. Arborele primar, numit i arborele lent, este arborele rotorului turbinei eoliene. Acesta se rotete cu viteza 7 L i transmite cuplul M L. Arborele secundar, numit i arborele rapid, este cel al generatorului. Acesta are viteza 7, fiind caracterizat de cuplul electromagnetic M E. Arborele primar (arborele lent) Arborele secundar (al MAS) Reea 7 L, M L 7, M E, s, I R P M, Q M, 7 S, I S, cos 9 Pentru optimizarea puterii electrice debitate în reea, se regleaz viteza de rotaie a eolienei 7 L în funcie de viteza vântului. Punctul de funcionare se determin pe baza caracteristicii eolienei P(7), astfel încât puterea P M s fie maxim. Punctul de funcionare poate fi definit i prin puterile activ P M, reactiv Q M, tensiunea de faz V S, factorul de putere cos 9. P M i Q M vor depinde de viteza vântului. 3. Noiuni despre aeromotor Variaia vitezei vântului v, în funcie de înlimea h - viteza [m/s] la nivelul solului (h = - coeficient caracteristic = 0,1 0,4 Coeficientul de putere (de performan) C p Energia vântului este în fapt, energia cinetic recuperabil a aerului, ce traverseaz suprafaa S. Puterea asociat acestei energii cinetice este:

3 în care B este densitatea aerului. Totui, aceast putere nu poate fi recuperat în totalitate, deoarece o parte este necesar pentru evacuarea aerului care a efectuat lucru mecanic asupra palelor turbinei. Se introduce coeficientul de putere (de performan) al turbine C p, rezultând puterea mecanic la arborele turbinei:, în care v - viteza vântului [m/s]; B E 1,25 kg/m³, densitatea aerului, în condiii normale de temperatur i presiune, la nivelul mrii; S: suprafaa [m²] acoperit de palele turbinei. Coeficientul C p caracterizeaz randamentul turbinei eoliene. El poate fi exprimat i ca:, Cuplul M L produs de turbin Se definete coeficientul de cuplu C H : vezi Exerciiul 6: Cuplul mecanic Limita lui Betz Coeficientul de putere a fost introdus în cadrul teoriei lui Betz. Limita lui Betz indic energia maxim ce poate fi recuperat, chiar i de cele mai performante eoliene - bipale sau tripale, cu ax orizontal. Aceasta nu poate fi decât 59% din energia vântului, ceea ce înseamn c C p max (teoretic) este 0,59. Pentru o eolian real, C p este cel mult 0,3 0,4. Teoria lui Betz modeleaz trecerea aerului prin palele turbine, printr-un tub de flux de aer cu vitezele:

4 V 1 - viteza vântului înainte de turbin; V - viteza vântului în dreptul palelor eolienei; este de ordinul a câiva m/s (~ 10 m/s); V 2 - viteza vântului dup preluarea energiei cinetice de ctre palele eolienei. Se consider c vitezele sunt paralele cu axul turbinei eoliene, existând relaiile V 1 > V > V 2. Observaie: Se poate determina valoarea lui C p max, printr-o analiz a puterilor, tiind c: - pe de o parte, puterea recuperabil de ctre o eolian este o consecin a variaei energie cinetice a vântului: - pe de alt parte, efortul care se exercit asupra eolienei, determin puterea P efort. Cunoscând fora exercitat de vânt fora vântului, rezult:, exprimând puterea în funcie de lucrul mecanic efectuat de P efort corespunde puterii absorbite de rotorul turbinei, respectiv puterea mecanic furnizat de aeromotor. vezi Exerciiul 4: Identificarea limitei lui Betz: Probleme de curs Raportul de v itez - Se definete N - raportul de avans, sau parametrul de rapiditate sau viteza specific, sau raport de vitez la captul palei (în englez "tip-speed ratio") - ca fiind raportul dintre viteza tangenial a captului palelor i viteza vântului: în care R - raza palelor [m]; - viteza unghiular a rotorului turbinei eoliene [rad-sec]; V - viteza vântului [m/s]. Pentru a avea o imagine asupra ordinului de mrime: dac N < 3, eoliana se consider ca fiind lent, dac N > 3, eoliana se consider ca fiind rapid. Curba, specific fiecrei eoliene, permite clasificarea diferitelor tipuri de eoliene.,

5 În afara eforturilor aerodinamice datorate vântului, trebuie s se mai in seama de eforturile ineriale i elastice datorate micrii palelor: btaie, flexiune, torsiune. Mai exist, de asemenea, efecte ale vitezei vântului, ale scurgerii acestuia, ale gradientului de vânt. Toate aceste eforturi sunt exercitate asupra palelor i transmise apoi butucului i pilonului. Parametrii ce caracterizeaz rotorul unei turbine eoliene sunt: - randamentul aeromotorului; - densitatea aerului [kg/m³]; - numrul de pale; - diametrul palelor [m]; - pasul elicei; - suprafaa acoperit [m²]; - înclinarea palelor; - înlimea pilonului [m]; - viteza nominal a vântului [m/s]; - turaia nominal a rotorului [rot/min]. Bilanul de puteri: P aero-motor = P turbin P max mecanic furnizat aero-motorul ui P electric Vezi: Exe r ciiul 1: Lungimea unei pale Exerciiul 5: Parametrii unei eoliene de 300 kw cu vitez fix 4. Multiplicatorul Multiplicatorul de vitez este caracterizat de raportul de transmisie i de randamentul su. Calculul raportului de transmisie k 7 MAS = 7 L. k 7 MAS - viteza arborelui generatorului (asincron MAS) Calculul randamentului 4 m P MAS = P mec a. P m P MAS - puterea mecanic la arborele generatorului (asincron MAS) P mec a - puterea mecanic furnizat de turbina eolian Vezi: Exerciiul 2: Viteza de rotaie 5i puterea electric a unei eoliene

6 5. Cuno5tine necesare despre MAS Bilanul de puteri: MAS P mec a P elec (P S ) P S = P mec a - Q pierderi Puterea mecanic P mec a este furnizat de maina primar, care aici este turbina eolian, prin intermediul multiplicatorului. Puterea este transformat apoi în energie electric. Parametrii ce caracterizeaz generatorul asincron (MAS) sunt: - numrul de poli ( de perechi de poli); - puterea nominal [kw] - turaia nominal [rot/min]; - randamentul nominal; - factorul de putere nominal cos 9 N ; - cuplul electromagnetic [Nm]; - curentul statoric [A]; - tensiunea rotoric [V], doar dac MAS este o MADA; - frecvena nominal [Hz]; - tensiunea nominal (de linie a statorului) [V]; - tipul de cuplare; Noiuni despre MAS În cadrul unei eoliene, MAS funcioneaz ca generator. Este necesar s se cunoasc: - noiunea de vitez de sincronism; - expresia alunecrii s; - pierderile la funcionare în regim de motor; - expresia cuplului electromagnetic; - bilanul de puteri; - ipoteza lui Kapp; - elementele schemei echivalente i modul de determinare a lor prin proba în gol, proba cu rotorul calat, proba în c.c.; - calculul puterilor active i reactive schimbate cu reeaua; - noiuni de saturare a circuitului magnetic.

7 Schema echivalent monofazat a mainii asincrone Vezi: Exerciiul 3: Studiul generatorului asincron al unei eoliene 6. Cuno5tine necesare despre MS Numrul de perechi de poli, p, determin turaia mainii: de exemplu: - pentru 50 Hz, 2 perechi de poli: 1500 rot/min - pentru 60 Hz, 1 pereche de poli: 3600 rot/min Gabaritul generatorului rezult în funcie de turaia necesar: - mic pentru viteze mari (numr mic de perechi de poli), - mare pentru viteze reduse (numr mare de perechi de poli). Pentru ma5ina sincron funcionând ca generator, trebuie s se cunoasc: - cuplare; - expresia vitezei în funcie de numrul de perechi de poli; - proba în gol i proba în scurtcircuit; - s se determine parametrii schemei echivalente.

8 Schema echivalent monofazat a ma inii sincrone 7. Cuno5tine necesare despre invertor Trebuie s se cunoasc: - s se calculeze pierderile în conducie; - s se dimensioneze elementele semiconductoare; - s se calculeze pierderile totale; - s se cunoasc schema echivalent termic (rezistene termice, temperatura jonciunii, alegerea radiatorului); - s se calculeze coninutul de armonici. Parametrii ce caracterizeaz un invertor: - curentul nominal; - frecvena de comutaie. 8. Caracteristicile reelei Parametrii reelei - puterea de scurt-circuit P sc Tipuri de reele - reea izolat (insular): generatorul este controlat astfel încât s furnizeze o tensiune de valoare eficace i frecven constante, pentru un anumit domeniu de variaie a vitezei. - reea infinit (reea puternic): aceasta impune valoarea eficace a tensiunii V i frecvena f. În cazul generatoarelor conectate direct la reea (eventual, prin intermediul unor transformatoare ridictoare), viteza câmpului învârtitor statoric este impus de reea. Când eoliana debiteaz energie în reea, se consider c impedana acesteia este nul. Înainte de cuplarea la reea îns, trebuie realizate condiiile de punere în paralel (valori eficace ale tensiunilor, frecven, faz). În funcionare, se controleaz puterile activ i reactiv schimbate cu reeaua. - reea cu impedan intern nenul: X L i R L. Puterea de scurtcircuit P sc este finit. 9. Bateria de condensatoare Ce trebuie cunoscut:

9 - Dimensionarea compensrii energie reactive - Expresia energiei reactive furnizat de un condensator Parametrii: - puterea reactiv furnizat [kvar]; - tensiunea nominal [V]. Vezi: Exerciiul 3: Studiul generatorului asincron al unei eoliene 10. Filtrele Filtrele se utilizeaz în cazul utilizrii convertoarelor statice pentru conectarea eolienelor la reea, sau pentru reglarea acestora. Ce trebuie cunoscut: - noiunea de armonici; - noiunea de factor de distorsiune; - dimensionarea filtrelor (L, C). 11. Transformatoarele Transformatoarele se utilizeaz pentru conectarea eolienelor la reea. Ce trebuie cunoscut: - proba în c.c., proba în gol, proba în scurtcircuit; - schema echivalent Schema echivalent monofazat a transformatorului

10 r1: rezistena înfurrii primare r2: rezistena înfurrii secundare l1: inductana de dispersie primar l2: inductana de dispersie secundar W: pulsaia mrimilor electrice cu:,