PARTENERIATE ÎN DOMENII PRIORITARE Proiecte Colaborative de Cercetare Aplicativă (PCCA)

Transcription

1 PARTENERIATE ÎN DOMENII PRIORITARE Proiecte Colaborative de Cercetare Aplicativă (PCCA) Proiect PN-II-PCCA Nr. 39/2012 Sistem de generare a energiei electrice utilizând turbina eoliană cu dublu efect, pentru asigurarea autonomiei energetice în aplicaţii specifice. Acronim: DOUBLE T-VAX Consorțiu: Coordonator: Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Inginerie Electrica INCDIE ICPE-CA Director Proiect: Dr. ing. Sergiu NICOLAIE Partener 1: Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iași Responsabil Proiect: Conf. dr. ing. Dan SCURTU Partener 2: S.C. Q SRL IAȘI Responsabil Proiect: Ing. Dumitru CUCIUREANU Partener 3: S.C. ICPEST SRL Responsabil Proiect: Ing. Dorin OPREA Partener 4: S.C. ELDA MEC SRL Responsabil Proiect: Dr. ing. Elena CONDREA Rezumatul proiectului Pornind de la experiența teoretică și practică în proiectarea și fabricarea de microturbine eoliene a partenerilor din cadrul consorțiului format, se dorește dezvoltarea unui sistem destinat autonomiei energetice bazat pe o turbină eoliană cu dublu efect. În primul rând, proiectul propune dezvoltarea până la stadiul de prototip, a unui nou tip de turbina eoliană cu puterea nominală în intervalul de kw, ceea ce va aduce un câștig de energie semnificativ față de cele clasice, bazat pe aspecte inovatoare, care vor fi abordate în cadrul activităților proiectului. Tehnologia care stă la baza proiectului va fi asigurată de către partenerul P3, care are o dotare importantă de producție de materiale pentru activitățile de profil electric și mecanic ale proiectului, precum și o experiență considerabilă în asimilarea de produse și servicii rezultate din activități de cercetare complexe. Ca elemente principale de noutate ale turbinei principale, ne propunem utilizarea celor două rotoare eoliene coaxial poziționate pe aceeași direcție (soluție care, de asemenea, se află pe plan mondial, în etapa de început sub forma unui studiu sau unei soluții experimentale). Aceste două rotoare vor acționa simultan un generator electric, realizat special în acest scop. Al doilea aspect relevant pentru actuala propunere de proiect este aceea de a obține, pe baza acestei turbine, un sistem de producere a energiei electrice, care să ofere o siguranță sporită în furnizarea de energie electrică pentru o unitate specială. În acest sens, partenerul P4, care desfășoară activități de producție în industria alimentară, va prelua prototipul într-una din unitățile lor de producție, asigurând astfel un grad sporit de autonomie energetică și protecția față de întreruperile accidentale provocate de rețeaua locală de distribuție a energiei electrice.

2 Plan de realizare Etapa I - Studiu/Cercetări experimentale/ Proiectare turbina eoliană cu dublu efect ( ) Activitate I.1 - Studiul turbinelor cu două sau mai multe rotoare eoliene CO (ICPE-CA): Studiu tipuri constructive de generatoare electrice pretabile turbinelor eoliene cu dublu efect. Tipuri de turbine eoliene cu două sau mai multe rotoare eoliene. Variante constructive. Calcule de predimensionare generatoare electrice specifice; Cercetări experimentale, fenomenologice, asupra generatoarelor electrice cu armăturile acționate în sens contrar. P1 (UTI): Studiu tipuri de rotoare eoliene pretabile turbinelor eoliene cu dublu efect. Elemente de predimensionare rotoare eoliene pentru turbine eoliene cu două sau mai multe rotoare eoliene. Calcule de predimensionare variante constructive. P2 (Q-SRL): Studiu privind analiza posibilităților de realizare pentru diferite tipuri de rotoare eoliene. Studiu privind analiza posibilităților de stocare a energiei sau de racordare la reţeaua electrică. Instalare echipament de monitorizare viteze vânt în amplasament pentru o aplicaţie specifică industriei alimentare. Activitate I.2 - Proiectare model experimental (ME) de turbină eoliană cu dublu efect CO (ICPE-CA): Proiectare ME de variantă constructivă - generator electric pentru turbina cu dublu efect. Proiectare ansamblu turbină eoliană cu dublu efect. P1 (UTI): Proiectare ME de varianta constructivă de rotor(e) eolian(e) pentru turbina eoliană cu dublu efect. P3 (ICPEST): Participare la proiectare ME de variantă constructivă - generator electric pentru turbina eoliană cu dublu efect. Proiectare sistem de poziționare pe direcția vântului. Etapa II - Realizare / Experimentare ME (model experimental) ( ) Activitatea II.1 - Realizare ME de turbina eoliana cu dublu efect CO (ICPE-CA): Realizare ME de varianta constructivă. Realizare generator electric pentru turbina cu dublu efect. Testare generator electric pe stand specializat. Realizare palete eoliene pentru rotor 1. Realizare sistem acționare și monitorizare a poziționării nacelei (echipamente electrice). P1 (UTI): Modelare numerică rotoare de turbină eoliană cu dublu efect - ME. P2 (Q-SRL): Realizare ME pentru rotoare eoliene pentru turbina cu dublu efect. Realizare stâlp cu sistem de ancorare și sistem ridicare/coborâre. Realizare/achiziție redresor - charger - acumulatori electrici, necesare stocării energiei produse pentru ME. P3 (ICPEST): Participare realizare ME generator electric pentru turbina eoliană cu dublu efect. Realizare sistem acționare și monitorizare a poziționării nacelei (echipamente mecanice). Realizare constructie mecanică nacelă. Realizare corp lagăr și piese de legatură. Realizare fundație amplasament turbină. Etapa III - Testare model experimental (ME) de turbina eoliana cu dublu efect. Proiectare Prototip (P) de turbina eoliana cu dublu efect ( ) Activitatea III.1 - Testare model experimental (ME) de turbină eoliană cu dublu efect CO (ICPE-CA): Proiectare model experimental turbină eoliană cu dublu efect cu ax vertical. Modelare numerică și simulări pe subansambluri (rotor eolian + generator electric) pentru turbina eoliană cu dublu efect. P2 (Q-SRL): Cercetări experimentale. Simulări rotor eolian de turbină eoliană cu dublu efect - ME. Participare testare model experimental pentru turbina eoliană cu dublu efect cu ax orizontal. P3 (ICPEST): Realizare model experimental de turbină eoliană cu dublu efect cu ax vertical. Participare testare model experimental pentru turbina eoliană cu dublu efect cu ax orizontal. Activitatea III.2 - Proiectare prototip de turbină eoliană cu dublu efect

3 CO (ICPE-CA): Proiectare generator (generatoare) electric (e) pt. turbina cu dublu efect. Proiectare ansamblu turbina eoliană cu dublu efect - prototip. Proiectare instalaţie de racord la reţeaua electrică. P1 (UTI): Modelare și simulări numerice pentru rotor eolian. Proiectare rotor eolian pentru prototip de turbina eoliană cu dublu efect. Etapa IV - Realizare nacelă de turbină eoliană cu dublu efect ( ) Activitatea IV.1 - Realizare nacelă pentru prototip de turbină eoliană cu dublu efect. CO (ICPE-CA): Realizarea generatorului electric pentru prototipul turbinei cu dublu efect. Teste preliminare pe stand ale generatorului electric. Realizare dispozitiv de poziționare pe direcția vântului. P2 (Q-SRL): Participă la realizarea dispozitivului de poziționare pe direcția vântului, pentru prototipul turbinei cu dublu efect. Proiectează și realizează programul pentru poziționare pe direcția vântului, pentru prototipul turbinei cu dublu efect. Continuă monitorizarea și testarea modelului experimental de turbină cu dublu efect. Achizitionează senzorii pentru caracteristicile eoliene (viteză, direcție vânt). P3 (ICPEST): Participare la realizarea generatorului electric sincron pentru prototipul turbinei cu dublu efect. Realizare nacelă, carenaj nacelă și suport nacelă. Realizare sistem de transmisie a mișcării de la generatorul electric la rotoarele eoliene. P4 (ELDA MEC): Pregătire infrastructura necesară amplasării turbinei. Pregătește/elaborează documentația tehnică în vederea conectării la rețeaua electrică de interes public pentru amplasamentul ales. Proiectează împreuna și sub îndrumarea P2 (Q SRL), echipamentul de racord la rețeaua electrică. Etapa V - Finalizare realizare prototip turbină eoliană cu dublu efect. Instalare și testare prototip ( ) Activitatea V.1 - Finalizare realizare prototip turbină eoliană cu dublu efect. Instalare și testare prototip. CO (ICPE-CA): Finalizare realizare prototip turbina eoliană cu dublu efect. Instalare și experimentare prototip de centrală eoliana cu dublu efect. P2 (Q-SRL): Finalizare realizare prototip turbina eoliană cu dublu efect. Instalare și experimentare prototip de centrala eoliană cu dublu efect. P3 (ICPEST): Finalizare realizare prototip turbina eoliană cu dublu efect. Instalare și experimentare prototip de centrala eoliană cu dublu efect. P4 (ELDA MEC): Instalare și experimentare prototip de centrală eoliană cu dublu efect (infrastructura și urmărire teste). Realizare documentație tehnica și infrastructură de racord la rețeaua electrică. Activitatea V.2 - Elaborare specificaţie tehnica in vederea certificării prototipului. CO (ICPE-CA): Elaborare specificaţie tehnica in vederea certificării prototipului. P2 (UTI): Participare elaborare specificatie tehnica în vederea elaborării prototipului. P3 (ICPEST): Elaborare specificaţie tehnica in vederea certificării prototipului.

4 Etapa I - Studiu/Cercetări experimentale/ Proiectare turbina eoliană cu dublu efect ( ) În cadrul acestei etape s-au realizat studii privind turbinele eoliene cu două sau mai multe rotoare şi a elementelor componente (precum generatoarele electrice şi rotoarele eoliene), materiale şi tehnici de fabricaţie ale paletelor, echipamente de monitorizare a vitezei vântului şi a condiţiilor meteorologice relevante. De asemenea s-au efectuat calcule de predimensionare a rotoarelor eoliene şi generatoarelor electrice, precum şi cercetări experimentale, fenomenologice, asupra generatoarelor electrice cu armăturile acţionare în sens contrar. Studiul privind rotoarele eoliene a tratat tipurile existente de turbine cu dublu efect (variante constructive, în tandem sau contrarotitoare), efectul numărului de pale şi a diametrului rotorului asupra performanţei turbinei, dependenţa puterii turbinei cu diametrul rotorului, metode de control a puterii furnizate de turbina eoliană în reţea. S-au studiat generatoarele pretabile utilizării în sistemele de conversie cu turbine contrarotitoare, care pot fi de construcţie specială (de tipul cu ambele armături mobile, cu axa arborelui orizontală sau verticală) sau generatoare clasice (caz în care este necesar un sistem complex de transmisie a mişcării). Utilizarea magneţilor permanenţi simplifică considerabil construcţia maşinii electrice. Utilizând echipamente din dotarea laboratorului de dinamica maşinilor electrice a ICPE-CA s-au realizat cercetări experimentale asupra generatoarelor cu armături acţionate în sens contrar. S-a constatat că, în lungul axului (virtual), cuplul mecanic rămâne constant. În vederea selectării amplasamentului turbinei eoliene cu dublu efect, s-a achiziţionat şi montat un sistem de monitorizare parametrii meteorologici pentru care s-a efectuat în prealabil un studiu privind sistemele disponibile pe piaţă şi performanţele acestora. În urma analizei proprietăţii viitorului beneficiar, S.C. ELDA MEC SRL TOPRAISAR, a rezultat că instalaţia nu se poate amplasa decât pe colţurile proprietăţii, singurele care nu sunt ocupate de clădiri sau alte instalaţii. În această locaţie s-a amplasat sistemul de monitorizare şi s-au efectuat măsurători. S-a proiectat un model experimental de turbină eoliană cu dublu efect stabilindu-se profilele palelor pentru cele două rotoare (NACA4412 pentru rotorul frontal şi Göttingen 450 pentru rotorul aval) şi s-au calculat performanţele energetice pentru fiecare. Pe baza rezultatelor obţinute s-a proiectat un model experimental de generator electric cu armături contrarotitoare cu puterea nominală de 1,5 kw la 1450 rpm ce utilizează componente aflate în fabricaţie la SC Electroprecizia Săcele. S-a proiectat ansamblul turbină eoliană cu dublu efect ce conţine cele două rotoare eoliene şi generatorul electric cu armături contrarotitoare.

5 Etapa II - Realizare / Experimentare ME (model experimental) ( ) In urma activitatii de proiectare a modelului experimental de turbina eoliana cu dublu efect, prevazuta cu doua rotoare eoliene (frontal, N şi aval G) si generator electric cu armaturi contrarotitoare, s-a considerat urmatoarea varianta constructiva: - Rotor amonte (N): tipul profilului din constructia palei NACA Rotor aval (G): tipul de profil din constructia paletei NACA Puterea utila totala in regim de functionare contrarotitor al armaturilor generatorului electric este egala cu 1kW. Varianta constructiva a turbinei eoliene are la baza modelul experimental de generator electric cu armaturi contrarotitoare cu puterea nominală de 1 kw pentru o viteza de rotatie egala cu 750 rpm. Schema bloc a intregului ansamblu este reprezentata in Fig. 1. Fig. 1. Schema bloc a modelului experimental. Schema bloc contine urmatoarele componente: - Doua rotoare eoliene, unul frontal si altul aval in raport cu generatorul electric, cu sensuri opuse de rotatie; - Generatorul electric contrarotitor trifazat, cu inele colectoare, ambele armaturi mobile, fiecare cuplata la unul din rotoarele eoliene; - Platforma mobila pentru subansamblul generator electric - rotoare eoliene, pozitionata in partea superioara a stalpului; - Sistem de automatizare destinat reglarii pozitiei platformei relativ la directia vantului. Aceasta este constituita dintr-un automat programabil, senzori pentru directia si viteza vantului, senzori pentru vitezele de rotatie ale celor doua rotoare si un actuator de pozitionare (servomotor). - Regulator de incărcare pentru sistemul de stocare. - Sistem de stocare a energiei produse: baterie de acumulatori 24 V. - Sarcina. Constructia aerogeneratorului este redata în Fig. 2.

6 Fig. 2. Desenul de ansamblu al aerogeneratorului prevazut cu sistem de giratie. Modelul experimental al instalatiei eoliene cu dublu efect realizate (rotoarele eoliene si generatorul electric contrarotitor) este prezentat in Fig. 2: Fig. 2. Modelul experimental al instalatiei eoliene cu dublu efect.

7 Etapa III. Testarea modelului experimental pentru instalatia eoliana cu dublu efect. Proiectarea prototipului de turbina eoliana cu dublu efect ( ) Obiectivele proiectului aferente anului 2014 au constat în testarea modelului experimental cu puterea nominală de 1 kw pentru o viteză a vântului de 10 m/s și, respectiv proiectarea prototipului de turbină eoliană cu dublu efect care să furnizeze o putere electrică nominală, definită în intervalul 10-15kW, în aceleași condiții. Planul de realizare a proiectului în anul 2014 a inclus următoarele activități: 1. Testarea modelului experimental (ME) de turbină eoliană cu dublu efect. Proiectarea și realizarea ME de turbină eoliană cu dublu efect, cu ax vertical; Testarea ME de turbină eoliană cu dublu efect, cu ax orizontal; Simulări ale rotorului eolian de turbină eoliană cu dublu efect, cu ax vertical. 2. Proiectarea prototipului de turbină eoliană cu dublu efect. Stabilirea temei tehnice și elaborarea soluției constructive; Proiectarea generatorului electric pentru turbina cu dublu efect; Proiectarea ansamblului de turbină eoliană cu dublu efect; Proiectarea instalației de racord la rețeaua electrică de interes public; Proiectarea rotorului eolian pentru prototipul de turbină eoliană cu dublu efect; Modelări și simulări numerice pentru rotorul eolian. Pe lângă obiectivul principal al proiectului de dezvoltare a modelului experimental și, respectiv a prototipului de turbină eoliană cu dublu efect cu ax orizontal, s-a luat în considerare și analiza posibilităților de extindere a soluției cu două rotoare eoliene contrarotitoare la construcții cu ax vertical. Ca urmare, s-a propus prin planul de realizare elaborarea proiectului și realizarea unui model experimental la scară foarte redusă de astfel de microcentrală cu ax vertical. Astfel, tema de proiectare a vizat obținerea unei puteri electrice de ordinul a 30 W, pentru o viteză a vântului de 10 m/s. Pentru aceasta, s-au avut în vedere două microturbine cu ax vertical cu câte trei pale, fiecare compatibilă cu conversia unei puteri disponibile la arbore de cca. 20 W, generatorul electric dimensionandu-se astfel in consecinta. Soluția constructivă elaborată pentru structura de ansamblu în condițiile temei tehnice menționate este prezentată în figurile 1 și 2. Fig. 1. Secțiune transversală a unui sistem de turbină eoliană cu dublu efect cu ax vertical. Fig. 2. Schema explodată a unei untități generator electric al turbinei eoliene cu dublu efect cu ax vertical. Modelul experimental de turbină eoliană cu dublu efect, cu ax orizontal s-a testat pe standul specializat de la INCDIE INCAS. Determinările experimentale s-au efectuat în diferite condiții, după cum urmează: a) rotor amonte în funcționare, rotor aval blocat; b) rotor aval în funcționare, rotorul amonte blocat; c) ambele rotoare în funcționare (regim contrarotitor). Testările

8 in sarcină s-au realizat la diferite viteze ale vântului (3,5 10,5 m/s), prin conectarea unor rezistențe electrice la bornele generatorului electric cu armături contrarotitoare. Experimentele efectuate în tunelul aerodinamic au avut ca obiectiv principal determinarea puterii asigurate de rotorul aval, cu diametru relativ apropiat de diametrul rotorului amonte. S-a determinat o creștere de 39,4% a puterii furnizate de sistemul de turbine contrarotitoare față de cazul unei singure turbine. Pentru determinarea caracteristicilor cinematice dezvoltate de turbină (câmpul de viteze, spectrul liniilor de curent, câmpul de vârtejuri generat de turbină), s-a utilizat un soft CFD consacrat (Ansys). Integrarea în timp a sistemului de ecuaţii Navier-Stokes se face cu o schemă implicită de ordinul doi. Regimul de curgere fiind incompresibil, cuplajul presiune-viteză este rezolvat cu algoritmul SIMPLEC. Reţeaua de calcul cuprinde cca de noduri, fiind o reţea hibridă ce utilizează elemente triunghiulare şi patrulatere. Regimul de curgere s-a considerat a fi turbulent. În figurile următoare, se prezintă rezultatele simulării numerice a curgerii pentru o turbină la o rapiditate de 2,5, o soliditate de 27,778%, o viteză a vântului de 10 m/s și un număr Reynolds Fig. 3. Reţeaua de calcul conţinând zona palelor, mobilă cu viteză unghiulară constantă. Fig. 4. Câmpul de viteze după o rotatie completă. Fig. 5. Spectrul liniilor de curent. Fig. 6. Câmpul de vârtejuri generat de rotor.

9 Proiectul prevede în continuare realizarea unei microcentrale eoliene capabile să furnizeze o putere electrică cu puterea nominală definită în intervalul kw, la parametrii reţelei electrice publice de joasă tensiune, în condiţiile în care viteza vântului este 10m/s. Microcentrala va fi echipată cu două turbine eoliene contrarotitoare care acţionează direct cele două armături, inductor şi respectiv indus, ale generatorului electric de tip sincron cu magneţi permanenţi. Caracteristicile generatorului electric al prototipului de turbină eoliană cu dublu efect, cu ax orizontal au fost predeterminate prin utilizarea pachetului de programe FLUX 2D, realizat de firma CEDRAT. În urma calculelor de predimensionare s-a decis utilizarea unei tole stator (indus), existente, cu diametrul exterior de 390 mm, diametrul interior 285 mm, număr de crestături 36. S-a stabilit o lungime a pachetului rotor de 140 mm iar numărul de poli a fost definitivat la 26 (13 perechi). Pornind de la proiectarea rotorului eolian și de la proiectarea generatorului electric, formă, dimensiuni și caracteristici funcționale, s-a procedat la elaborarea proiectului mecanic de ansamblu pentru turbina eoliană prezentată în figura 7. Fig. 7. Ansamblul prototitpului de turbină eoliană cu dublu efect, cu ax orizontal. Având în vedere palele disponibile la producătorii de pe piața internă, s-a ales utilizarea unor pale cu profilul NACA 63(3)-618 modificat. Pentru obținerea unei puteri nominale a turbinei contrarotitoare, în intervalul kw, se consideră următoarele date geometrice: - turbina amonte cu diametrul D 1 = 5,5 m; - turbina aval cu diametrul D 2 = 8,5 m. Construcția de ansamblu a rotorului eolian cu dublu efect este prezentată în figura 8. Fig. 8. Soluție constructivă rotor eolian cu dublu efect, cu ax orizontal.

10 Etapa IV - Realizare nacelă de turbină eoliană cu dublu efect ( ) Obiectivele proiectului aferente anului 2015 au constat în realizarea nacelei de turbină eoliană cu dublu efect, corespunzătoare prototipului de turbină eoliană care să furnizeze o putere electrică nominală, definită în intervalul kw. Planul de realizare a proiectului în anul 2015 a inclus următoarele activități: Realizare nacelă de turbină eoliană cu dublu efect. Realizarea generatorului electric pentru prototipul turbinei cu dublu efect; Proiectarea și realizarea programului pentru poziționare pe direcția vântului a prototipului turbinei; Realizarea dispozitivului de poziționare pe direcția vântului; Monitorizarea și testarea modelului experimental de turbină cu dublu efect; Realizarea nacelei, carenajului nacelei și suportului de nacelă; Realizarea sistemului de transmisie a mișcării de la generatorul electric la rotoarele eoliene; Elaborarea documentației tehnice în vederea conectării la rețeaua electrică de interes public și proiectarea echipamentului de racord; Pregătirea infrastructurii necesare amplasării turbinei. În cadrul prezentei etape, în vederea realizării nacelei turbinei eoliene cu dublu efect, s-au desfășurat o serie de activități, după cum urmează: - INCDIE ICPE-CA: Realizarea generatorului electric pentru prototipul turbinei cu dublu efect, efectuarea testelor preliminare pe stand ale generatorului electric, realizarea dispozitivului de poziționare pe direcția vântului; - Q-SRL: Proiectarea și realizarea programului pentru poziționare pe direcția vântului a prototipului turbinei, monitorizarea și testarea modelului experimental de turbină cu dublu efect; - ICPEST: Realizarea nacelei, carenajului nacelei și suportului de nacelă, realizarea sistemului de transmisie a mișcării de la generatorul electric la rotoarele eoliene; - ELDA MEC: Elaborarea documentației tehnice în vederea conectării la rețeaua electrică de interes public, pregătirea infrastructurii necesare amplasării turbinei. În cadrul prezentei etape, s-a realizat execuţia generatorului electric cu magneţi permanenţi, ambele armături ale maşinii electrice (inductor și respectiv indus) având posibilitatea de a se roti independent. Ținând cont de modul în care va fi folosită instalația eoliană şi de echipamentele care urmează a fi alimentate cu energie electrică, se stabilesc parametrii nominali ai instalației: putere nominală min. 10 kw și tensiune nominală: 3 x 400V, în condiţiile unei viteze a vântului de 10 m/s, la care se estimează o turație relativă între cele două armături contrarotitoare de circa 300 rot/min. Instalația eoliană va fi echipată cu două turbine eoliene contrarotitoare, care acţionează direct cele două armături, inductorul, respectiv indusul generatorului electric de tip sincron cu magneţi permanenţi. Pentru o siguranţă funcţională sporită, se doreşte ca instalația eoliană să poată funcţiona conectată cu rețeaua electrică publică.

11 Fig.1- Ansamblu general generator eolian cu armaturi contrarotitoare. Soluția electromecanică utilizată, este cea folosită la realizarea modelului experimental (Fig.1). Acest lucru a fost impus de buna funcționare a acestuia, în condiții normale de exploatare. În urma calculelor efectuate, s-a propus utilizarea armăturilor existente în fabricația mașinilor electrice de uz general, gabarit Considerentul în baza căruia s-a luat această decizie a fost în primul rând reducerea cheltuielilor de producție. Astfel, nu mai este necesară proiectarea și execuția de noi dispozitive, verificatoare, scule etc. Fig. 2 - Carcasa și scuturile interioare ale generatorului electric contrarotitor. Fig. 3 - Indusul generatorului eolian, pregătit pentru a fi bobinat. Fig. 4 - Repere și subansamblul de inele colectoare. Fig. 5 - Subansamblele port periilor.

12 Fig. 6 - Cuplajele mecanice dintre rotoarele eoliene și generatorul electric sincron cu magneți permanenți. Fig. 7 - Elementele componente ale sistemului de lăgăruire. Fig. 8 - Scuturile carcasei exterioare a generatorului eolian contrarotitor. Fig. 9 - Rotorul generatorului sincron cu magneți permanenți lipiți. Fig Subansamblu stator bobinat. Dispozitivul de poziționare pe direcția vântului este compus dintr-un slewring ce are rolul de a prelua toate sarcinile care apar în timpul funcționării (axiale, radiale și de răsturnare) și care este acționat prin intermediul unui reductor roată melcată, încorporat. Astfel, a fost necesară introducerea unui reductor planetar suplimentar între reductorul melc roată melcată încorporat și servomotorul electric de curent continuu (24V CC) ales pentru acționarea mecanismului de poziționare în vânt a nacelei. Construcția conform documentației tehnice este prezentată în Fig. 11 și 12. Fig Slew drive cu reductorul melc roată melcată.

13 Fig Slew drive cu reductorul planetar și motorul electric. Dispozitivul de orientare a turbinei eoliene realizează poziționarea nacelei pe direcția vântului cu cea mai mare intensitate, pentru a extrage cât mai mult posibil din energia cinetică a vantului, maximizând puterea produsă de generatorul electric. După stabilirea poziției unde vântul are cea mai mare intensitate, turbina eoliană este rotită spre acea direcție si menținută acolo până când vântul prezintă schimbări semnificative ale direcției, fapt ce va conduce la o noua orientare a turbinei. Informaţia privind direcţia vântului este oferită de giruetă. Semnalul furnizat de aceasta comandă alinierea axului turbinei eoliene pe direcţia vântului. La schimbarea direcţiei vântului, se dă o nouă comandă de intrare în funcţiune a dispozitivului de orientare a turbinei eoliene. Informaţia privind viteza vântului este oferită de anemometru și este folosită la pornirea mişcării nacelei pe direcţia vântului şi la declanşarea protecţiei când viteza vântului trece de o anumită valoare. Astfel, la o viteză a vântului sub 3m/s, nacela nu se poziționează pe direcţia vântului deoarece turbina nu pornește la astfel de viteze. De asemenea, la viteze foarte mari ale vântului (20m/s), pentru securitatea mecanică a turbinei, este necesară scoaterea acesteia de pe direcţia vântului. Mai exista şi un al treilea caz în care viteza vântului depăşeşte valoarea la care se obţine puterea nominală (la bornele generatorului electric), în speţă 12m/s, situaţie în care logica de control a dispozitivului de orientare va dezaxa nacela de pe direcţia predominantă a vântului, cu scopul de a limita valoarea puterii electrice la bornele generatorului electric. Gradul de dezaxare al axului turbinei față de direcţia vântului va fi reglat în buclă închisă pentru a menţine puterea între valoarea nominală (corespunzătoare unei anumite viteze, 12 m/s) şi valoarea maximă admisibilă. În final, dacă viteza vântului continua să crească, rotirea nacelei se va opri la situaţia în care axul turbinei se va afla perpendicular pe direcţia vântului. Pentru a evita rotirea nacelei numai într-un singur sens (situaţie ce va pune în pericol securitatea cablurilor ce trec prin interiorul stâlpului de susţinere), nacela este prevăzută cu un encoder inductiv. Semnalul oferit de acesta furnizează informaţia precisă de poziţionare absolută a nacelei, informaţie utilizată la orientarea turbinei pe direcţia vântului. De asemenea informaţia ajuta şi la protecţia cablurilor ce coboară prin interiorul stâlpului prin urmărirea paşilor ce au fost făcuţi de nacela într-o direcţie sau în cealaltă, nepermiţând depăşirea unei rotaţii complete. În paralel, pentru protecţia generatorului electric, automatul programabil preia informaţii privind puterea debitată de generator (curent, tensiune) şi decide scoaterea din vânt la depăşirea unor valori critice ale acesteia (puterea debitată de generator să nu depăşească 10kW). Structura ansamblului de orientare pe direcţia vântului conţine următoarele componente: traductori meteo (girueta şi anemometrul), encoder inductiv, controller logic, element execuţie, motor.

14 Fig Schema logică a funcției de comandă a turbinei eoliene. În figura 14, sunt prezentate ansamblul și lanțul cinematic al părților componente ale nacelei turbinei (generatorul electric, corpurile de lăgăruire pentru cele două rotoare eoliene, axurile de transmisie și structura de rezistență a nacelei Fig ). Fig Ansamblu nacelă turbină eoliană contrarotitoare 10 kw. Fig Ansamblu generator contrarotitor 10 kw. Fig Ansamblu lăgăruire pală față 10 kw. Fig Ansamblu lăgăruire pală spate 10 kw.

15 Fig Structura sudată a nacelei turbinei eoliene contrarotitoare de 10 kw.

16 Indicatori de proces și de rezultat obținuți: 1. M. Popescu, S. Nicolaie, G. Oprina, A. Nedelcu, I. Chiriţă, Utilizarea maşinilor electrice speciale la microhidrocentrale şi modalităţi de stocare a energiei, A V-a Conferinţă internaţională Microhidrocentralele în România, 22 noiembrie 2012, Bucureşti, în cadrul RENEXPO South-East Europe. 2. M. Popescu, G. Oprina, S. Nicolaie, L.A. Mituleţ, R.A. Chihaia, ICPE-CA (ECCE), Realizări şi direcţii de dezvoltare în domeniul conversiei energiei, Simpozionul de maşini electrice SME 12, Noiembrie, M. Popescu, G. Oprina, L.A. Mituleț, S. Nicolaie ș.a., Aspects Regarding the Application of Electric Generators to Wind Energy Conversion Using Counter Rotating Turbines, The 8th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering, May 23-25, 2013, Bucharest, ISSN: , ISBN: , IEEE Catalog Number CFP1314P-CDR. 4. Memorandum de colaborare incheiat intre Universitatea Texas A&M Corpus Christy (TAMUCC) si INCDIE ICPE-CA in vederea desfasurarii unor actvitati comune de cercetare. 5. G. Oprina, S. Nicolaie, Research on New Conversion Method of Wind Energy, 5th International Seminar on Engineering Education and Professional Realization of Young Engineers, , Varna, Bulgaria. 6. A. Mituleț, M. Popescu, S. Nicolaie, G. Oprina, R. Chihaia, Studiu privind implementarea unor metode de eficientizare a instalatiilor eoliene, The 12 th WEC Central & Eastern Europe Regional Energy Forum - FOREN 2014, USB ISSN-L , Iunie 2014, București, România. 7. M. Popescu, S. Nicolaie, G. Oprina, R. Cîrnaru, A. Mituleț, R. Chihaia, R. Mirea, Improving the Energy Conversion Efficiency of Counter Rotating Wind Turbines by Using Innovative Generators, Proceedings of 21 st edition of International Conference of Hydraulics, Pneumatics, Tools, Sealing elements, fine mechanics, specific electronic equipment & mechatronics - HERVEX 2014, 5-7 noiembrie, Călimănești-Căciulata, ISSN , pp A. Mituleț, G. Oprina, R. A. Chihaia, S. Nicolaie, A. Nedelcu, M. Popescu, Wind tunnel testing for a new experimental model of counter-rotating wind turbine, Annals of DAAAM International for 2014, volume 25, no. 1 & Collection of Working Papers for 25th DAAAM International Symposium, ISBN , ISSN , CDROM version, Editor B. Katalinic, Published by DAAAM International, Vienna, Austria, EU, F. Frunzulica, S. Nicolaie, M. Stoia-Djeska, G. Oprina, A. Nedelcu, Analysis of counterrotating wind turbine using Blade Element-Momentum Method, Journal of Physics: Conference Series (JPCS) (în curs de publicare). 10. G. Oprina, A. Mituleț, S. Nicolaie, R. Cîrnaru, D. Cuciureanu, Comparative analysis of a counter rotating wind turbine testing results, International Multidisciplinary Scientific Geoconferences, Albena, iunie 2015, Book4, pp , ISBN , ISSN , DOI: /sgem2015B S. Nicolaie, Turbina eoliană românească, cu 40% mai eficientă, Revista Infomediu Europa, Anul 10, nr. 2 (112), 25 februarie - 24 martie L. A. El-Leathey, S. Nicolaie, R. A. Chihaia, G. Oprina, Technical Economic Analysis of a Small-Scale Microgrid for a Specific Location, Electrotehnică, Electronică, Automatică (EEA), nr. 3/2016, pp , ISSN L. Pîslaru-Dănescu, L. C. Lipan, L. A. El-Leathey, Microgrids Smart Structures Used for Back-up Power Supply, Electrotehnică, Electronică, Automatică (EEA), nr. 3/2016, pp , ISSN L. A. El-Leathey, L. Pîslaru-Dănescu, S. Nicolaie, R. A. Chihaia, A. Nedelcu, Assessment of Wind Energy Density Probability by Using the Weibull Distribution Function. A Study Case, 16 th International Multidisciplinary Scientific Geo Conference & Expo SGEM 2016, 28 iunie - 6 iulie 2016, Albena, Bulgaria, pp , ISBN , ISSN (în curs de indexare).