Pagina documente » Politehnica » Proiectarea unei instalatii eoliene de putere mica

Despre lucrare

lucrare-licenta-proiectarea-unei-instalatii-eoliene-de-putere-mica
Aceasta lucrare poate fi descarcata doar daca ai statut PREMIUM si are scop consultativ. Pentru a descarca aceasta lucrare trebuie sa fii utilizator inregistrat.
lucrare-licenta-proiectarea-unei-instalatii-eoliene-de-putere-mica


Cuprins

CUPRINS
1. Capitolul 1 ......... 2
1.1. Evolutia turbinelor eoliene in timp ... 2
1.2. Tendinte actuale in proiectarea palelor pentru turbine eoliene
de putere mica 8
1.2.1.Consideratii Aerodinamice ......... 9
1.2.2.Consideratii privind structura palelor ............ 13
1.2.3.Materiale utilizate la constructia palelor ......... 14
1.2.4. Metode de fabricatie a palelor ..... 15
2. Capitolul 2 - Toria Elicei ......... 17
2.1. Caracteristici geometrice ale elicelor .... 17
2.2. Principiul de functionare aerodinamica a elicei ....... 18
2.3. Regimul de functionare ..... 20
2.4. Modelul discului activ (actuator) ......... 21
2.5.Momentul aerodinamic al elementului pala ............ 23
2.6. Modelul cu virtejuri (Teoria turbionara) 25
2.7. Metode bazate pe forma precisa a direi 27
3. Capitolul 3 - Calculul Si Proiectarea Unei Elicii Eoliene 31
3.1. Calculul elicei 31
4. Capitolul 4 - Testarea palelor ... 36
5. Capitolul 5 - Programul de Calcul ............ 38
6. Capitolul 6 - Rezultate .......... 39
Bibliografie .
ANEXA 1 .........
ANEXA 2 .........
1
- 3 -

EXTRAS DIN DOCUMENT

?{p}

{p}

?Capitolul 1

1.1 Evolutia turbinelor eoliene in timp

Denumirea de turbina se utilizeaza pentru orice dispozitiv dotat cu pale care transforma energia cinetica a unui fluid in lucru mecanic. Daca este utilizata energia cinetica a vantului pentru obtinerea de lucru mecanic atunci, turbina capata denumirea de turbina eoliana sau de vant. Cel mai raspandit tip de turbina eoliana este cea dotata cu pale. Desi caracterul neconstant al vintului implica timp scurt de folosire a turbinelor eoliene, totusi, timp de milenii vintul a fost intens folosit de oameni. In urma cu aproximativ 4000 de ani, oamenii au inceput sa foloseasca energia vintului constuind pompe eoliene folosite la extragerea apei pentru irigatii, in scopul usurarii efortului propriu. Aceste pompe eoliene au fost denumite generic “mori de vint”. Primele mori de vint, de la care au ramas doar zidurile, se presupune ca au fost construite in Alexandria, pe malul Mediteranei, in urma cu 3000 de ani. Se presupune ca au existat si constructii mai vechi (in Persia, de exemplu) , dar datorita utilizarii lemnului ca material de constructie, nu au rezistat trecerii timpului.

Se pare ca aceste mori aveau intre 6 si 8 pale dreptunghiulare, acoperite cu pinza, avind o turatie la axul elicii de aproximativ 20 rot/min,iar axul elicei nu se putea roti dupa vint si nici nu era nevoie deoarece vintul avea o directie constanta. In insulele Mallorca, pentru a capta vintul ce avea diferite directii, se instalau serii de mori, fiecare avind axul dirijat intr-o alta directie, asigurindu-se astfel un randament mai uniform. In 115 Heron a construit o orga pusa in miscare de o pompa avind aerul furnizat de o elice cu un numar foarte mare de pale, asemanatoare turbinelor americane care se pun in miscare la cea mai usoara adiere de vint, dar avind un numar scazut de rotatii. Citeva secole mai tirziu apar primele roti de vint chinezesti. Chinezii foloseau turbine eoliene cu pinze de catarg pentru pomparea apei de mare in vederea obtinerii sarii. Pentru prima data apare la ei o turbina eoliana cu ax vertical, independenta de directia vintului, dar din pacate, avea randament mic.

In Europa centrala medievala, au existat doua tipuri de mori de vint: moara germana, aparuta la inceputul sec. al XIV – lea, prevazuta cu o elice cu 6 pale dreptunghiulare drepte, acoperite cu pinza de catarg si moara olandeza, care a fost considerata superioara celei germane din punct de vedere al performantei. Imbunatatirea ei era o necesitate stringenta datorata problemei desecarilor din Olanda. Ecuatia lui Bernoulli a explicat multe procese din functionarea morilor de vint. In 1792 scotianul Meikle a inlocuit pinzele morii de vint olandeze cu jaluzele care se deschideau singure cind vintul era mai puternic si se inchideau la loc cind vintul slabea. Necesitatea ridicarii randamentului a condus la profilarea si rasucirea palelor, calculele exacte fiind furnizate de Bernoulli, Smeaton si Euler.

Moara de vint a preocupat mult oamenii din renastere si din perioada urmatoare, eliberarea elicei eoliene de directia vintului fiind unul din punctele esentiale ale studiilor si incercarilor lor. Leonardo da Vinci a desenat primul anemometru (aparat pentru masurarea vitezei vintului). De la el au ramas tablouri corecte de curgeri turbulente Ca aeromotor, elicea eoliana a fost folosita pentru scopuri foarte variate: la mori de vint, la pompe, la mecanizarea rugaciunii (in Tibet, Mongolia si China), la protectia plantelor impotriva maimutelor si pisicilor salbatice producind zgomote care sperie (in Sumatra) sau ca aerogenerator trasformind energia eoliana in energie electrica. La sfirsitul secolului al XIX – lea, au aparut, in Statele Unite ale Americii si in Europa, primele turbine eoliene generatoare de electricitate. Secolul al XIX – lea s-a caracterizat aproape exclusiv prin imbunatatirea formei palelor, rasucirea fiind deja bine inteleasa. Francezul Duvand a incercat sa rezolve problema curburii folosind pinze de forma aripilor de pasare. Tot el a avut ideea sa proiecteze pale care se roteau in jurul axei palei creind, astfel, premisele turbinei moderne. Desi aparitia masinii cu abur a revolutionat tehnica, roata de vint a continuat sa fie folosita si perfectionata. In 1890, danezul La Cour a abtinut, prin lucrarile sale in suflerii, valori constructive precise: inclinarea axei elicei trebuie sa fie de aproximativ 10o, suprafata totala a palelor sa nu depaseasca o treime din suprafata discului elicei.El recomanda 4 pale a caror latime sa fie 1/4 - 1/5 din lungimea palei. Profilul poligonal al palei trebuie sa aiba sageata maxima la distanta 1/4 - 1/6 din coarda fata de bordul de atac si ea trebuie sa fie doar de 3 – 4 % din coarda. Inclinarea palei fata de planul rotii era de 10o la virf, de 15o la 2/3 din raza, de 20o la 1/3 din raza si de 25o la butuc. Butucul elicei trebuia sa aiba o raza corespunzind unui sfert din lungimea palei. O astfel de elice se misca deja la o viteza a vintului de 1,8 m/s si functiona la randament maxim de la 3 000 la 5 000 de ore pe an.

Dupa cel de-al doilea razboi mondial a crescut interesul fata de turbinele eoliene infiintindu-se institute specializate pentru cercetari in domeniul energiei eoliene si dispunind de diferite tipuri de turbine eoline folosite pentru cercetare. S-au construit astfel multe alte turbine pentru scopuri practice. Mentionam, astfel, institutul de la Weimar, din Germania, infiintat in 1930, unde s-au realizat turbine cu un randament de 47% incluzind pierderile de energie ale pompelor de apa. Din 1975 exista la Stuttgart un institut de cercetari pentru tehnica energiei eoliene. Tot in Germania, in 1955 s-a construit o turbina eoliana de 100 kW instalata pe un turn de 22 m inaltime, iar Hüter a avut contributii importante privind analiza,proiectarea, constructia, incercarea, operarea si economia turbinelor eoliene. El a fost primul care a folosit materiale compozite la confectionarea palelor.

In ultimii 30-40 ani au inceput sa apara turbine eoliene de mare putere ca de exemplu cea de la Analborg (Danemarca) cu diametrul de 17,5 m, 100 rot/min si putere de 60 kW la o viteza a vintului de 11,6 m/s. La virful palelor viteza aerului este de 325 km/h, de aceea palele trebuie proiectate cu aceeasi grija ca aripile avioanelor ca pe ele sa nu se formeze virtejuri. Viteza unghiulara mare conduce la pale foarte inguste; in

plus acesta turbina functioneaza la vinturi foarte puternice. O alta turbina eoliana de 200 kW si cu diametrul de 24 m a fost instalata la in Danemarca in1957, la Gedser, iar in 1977 o alta a fost instalata la Trind-Skolerne avind o putere de 2 MW. Sunt doua motive principale pentru aceasta atentie tot mai mare data energiei eoliene. Primul ar fi ca majoritatea formelor de energie generate astazi folosesc ca materie prima carbunele, petrolul sau gazul. Acestea elibereaza cantitati uriase de dioxid de carbon in atmosfera, ceea ce duce la accentuarea efectului de sera si implicit la o incalzire a atmosferei Pamintului. Al doilea motiv ar fi ca multe din descoperirile din domeniul energiei vintului, precum si al tehnologiei de fabricatie a elicelor eoliene au permis aducerea costului energiei eoliene la un punct care o face competitiva cu celelalte surse de energie. Marele potential al turbinelor eoliene este dat de faptul ca puterea generata de o elice eoliana creste rapid o data cu cresterea vintului: o dublare a vitezei vintului genereaza o crestere de aproape opt ori a puterii. De asemenea, lungimea palei elicei este importanta: o dublare a diametrului elicei genereaza o crestere de patru ori a puterii. Elicea trebuie sa fie rezistenta, usoara si durabila. O data cu noile descoperiri asupra fibrei de sticla si a fibrei de carbon, a fost posibila crearea unor pale de elice foarte usoare avind intre 20 – 30 m lungime. Aceste tipuri de pale pot functiona multi ani in conditii dintre cele mai vitrege in unele zone din lume cu vinturi foarte puternice. Indelungata utilizare a elicelor eoliene a avut drept rezultat o mare varietate de forme contructive ale lor. Astfel, elicele eoliene au forme diferite dupa cum sunt montate (in avalul sau in amontele instalatiei) , dupa viteza specifica (lente sau rapide) , dupa numarul de pale, dupa puterea produsa, dupa soliditate etc. Axa elicelor eoliene este paralela cu directia vintului, elicea putind fi montata in amontele sau in avalul instalatiei eoliene. Configuratia cu elicea in aval se utilizeaza de obicei pentru puteri mai mari de 100 kW. Exista instalatii cu mai multe elice montate pe acelasi suport; fie pe axe diferite, fie pe acelasi ax si cu sensuri de rotatie diferite. Acest ultim sistem, utilizat in instalatia Noah, permite sa se obtina o viteza de rotatie relativa a rotorului generatorului (solidar cu o elice) fata de stator (solidar cu cealalta elice) de doua ori mai mare decit viteza de rotatie a elicelor, suprimindu-se, astfel, multiplicatorul de turatie.

In momentul de fata se folosesc doua tipuri de elici eoliene: cu axa verticala si cu axa orizontala. Elicile cu axa verticala sunt, la rindul lor, de doua tipuri: pe baza de rezistenta la inaintare si pe baza de portanta. Cele pe baza de rezistenta la inaintare lucreaza pe principiul paletei folosite la propulsia hidrobicicletelor (daca paleta folosita la propulsie nu are alunecari, atunci viteza maxima a hidrobicicletei va fi aceeasi cu viteza de pedalare). Cele mai frecvente elici cu axa verticala sunt anemometrele.

Un exemplu de elice cu axa verticala pe baza de portanta este “batatorul de oua” Darrieus din Franta (patentata pentru prima oara in 1927). Pe fiecare pala se atinge portanta maxima doar de doua ori la o revolutie ceea ce genereaza un cuplu (si o putere) mare de tip sinusoidal (lucru ce nu se intilneste in cazul unei elici cu ax orizontal). Unul din dezavantajele unei astfel de turbine este ca palele sale au un numar de frecvente care trebuie sarite. Marele avantaj al acestui tip de turbina este ca poate functiona indiferent de directia vintului. Celelalte tipuri de turbine eoliene sunt dotate cu cite un “creier” electronic propriu, care ia toate deciziile: cupleaza generatorul cind viteza vintului este optima sau il decupleaza cind viteza devine prea mare sau cind apare o problema. Cele mai multe turbine eoliene se orienteaza dupa directia vintului. Elicile cu ax vertical sunt greu de montat pe turnurile inalte pentru a prinde vinturile de la inatimi mari si sunt fortate sa accepte vinturile joase, mai turbulente, care produc mai putina energie si sunt mai periculoase. De aceea, elicile cu axa verticala nu au avut succes pe piata comerciala a turbinelor eoliene.

Cea mai raspindita, precum si cea mai performanta din punct de vedere al generarii de electricitate, ramine elicea eoliana cu ax orizontal.

Pe scurt, principiul de functionare al acestui tip de elice este urmatorul: vintul ataca pala elicei, care este profilata aerodinamic, creind pe extradosul profilului portanta. Fortele de portanta si rezistenta la inaintare se reduc la axul elicei, formind forta de tractiun esi cuplu la ax. Un prim obiectiv in proiectarea palelor este acela de a avea finete maxima la Cz mare. Finetea poate varia in lungul palei pentru a optimiza energia generata de turbina la diferite viteze ale vintului.

Caracteristicile functionale ale unei turbine eoliene se exprima, de obicei, in functie de raportul dintre viteza la virful palei si viteza vintului (TSR- tip speed ratio), cunoscut in lucrarile de specialitate ca viteza specifica, fiind adimensionala, si de parametrul de soliditate definit ca raportul dintre aria totala a palelor si aria discului elicei.

In cazul anemo- metrelor valoarea vitezei specifice va fi subunitara. In functie de viteza specifica, in practica se va adopta urmatorul numar de pale:

8 – 24 pale pentru TSR=1; 6 –12 pale pentru TSR=2; 3 –6 pale pentru TSR=3; 2 –4 pale pentru TSR=4; 2 – 3 pale pentru TSR?5.

Teoria elicelor eoliene se poate obtine din cea a elicelor propulsive, tinind insa seama de deosebirea dintre miscarea aerului din jurul elicei. Astfel, in cazul elicei propulsive sursa motoare (motorul) creaza moment necesar mentinerii unei anumite turatii, curentul din jurul elicei este generat de deplasarea avionului in mediul imobil si forta de tractiune care se obtine prin compunerea, pe directia de deplasare a avionului, a portantei si a rezistentei la inaintare este o forta (avind acelasi sens cu viteza de inaintare) produsa prin reactiunea fluidului asupra palelor in rotatie. In schimb, la elicea eoliana aerul se misca (vintul) in jurul elicei fixe, fortele care apar fiind rezultatul actiunii directe a fluidului asupra palelor.

1.2. Tendinte actuale in proiectarea palelor

pentru turbine eoliene de putere mica

Ca in orice proces de proiectare si la turbinele eoliene exista anumite criterii de design care trebuie luate in considerare. Printre acestea, cele mai importante sunt: alegerea numarului de pale, alegerea profilului, alegerea corzii si a rotatiei palei, alegerea materialului. Deciziile finale dupa anumite criterii se fac deasemenea in oridinea prioritatilor survenite din caietul de sarcini emis pentru proiectarea unei turbine eoliene. . De exemplu, profilele subtiri sunt dorite datorita raportului Cz/Cx mare si a comportarii lor bune in conditii dure; pe cind profilele mai groase sacrifica unele calitati pentru a obtine o rigiditate mai buna a palei, conditie ceruta pentru turbinele de mari dimensiuni. Unele proiecte pentru pale rezultate din cresterea dimensiunilor elicelor include o scadere a rezistentei palelor impreuna cu o crestere a grosimii profilelor si a coeficientului de portanta, precum si o crestere majora a vitezei la virf.

Bazata pe aceste criterii, configuratia de baza, in ultimii ani, pentru acest tip de turbine a fost: elice in vint cu trei sau mai multe pale profilate aerodinamic similare elicei de avion.