Centralele Eoliene Popa Justin

  • View
    45

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

Universitatea Valahia

Functionarea Centralelor Eoliene

Profesor: Matei Magdalena Student: Popa Justin Gabriel Specializare: Energetica Industriala Anul I

CuprinsCentralele Eoliene11.Introducere.32.LIMITELE DE PUTERE A CAPTOARELOR EOLIENE42.1 Puterea vantului se poate determina plecand de la energie cinetica a unui curent de aer cu viteza constanta:42.2 Cazul captatorului eolian cu ax orizontal52.3 Cazul captatoarelor cu ax vertical63. Tipuri constructive de captatoare eoliene93.1 Captatoare cu ax orizontal93.2 Captatoare eoliene cu ax vertical93.2.1 Captatoarele eoliene cu rezistenta simpla93.2.2 Captatoare cu diferenta de rezistenta104. Instalatia electrica a centralelor electrice eoliene124.1 Producerea de energie electrica de curent continuu124.2 Producere de curent alternativ cu generatoare sincorne.134.3 Producerea de curent aleternativ cu generatoare asincrone sau de inductie.134.4 Racordarea la sistemul energetic a generatoarelor eoliene144.5 Contructia unei centrale electrice eoliene15

1.Introducere.Ideea folosirii potentialului energetic al vantului se pierde in negura preistoriei, cand navele au fost construite navele cu vele. Egiptenii, chinezii si grecii foloseau astfel de ambarcatiuni inca inainte de era noastra. Ulterior, vikingii si spaniolii dezvolta aceasta tehnica.In evul mediu incepe sa fie utilizat vantul si pe uscat: sunt cunoscute morile de vant olandeze care se utilizeaza si in prezent. Si la noi in tara se utilizau mori de vant, mai ales in zona Moldovei si a Dobrogei.Utilizarea energiei eoliene pentru producerea energiei electrice apare ca o solutie, demna de luat in seama, la criza energetica declansata in anii `70. Se demareaza programe pentru cercetarea acestui potential energetic in multe tari ale globului. Astfel, Danemarca, puternic lovita de criza petrolului, trece laboratorul guvernamental de cercetare energetica de la Riso, de la cercetari nucleare la cercetari eoliene. Pornind de la o experienta anterioara (in 1891 inginerul danez Paul La Cour realiza prima turbina generatoare de electricitate din lume, cu o putere de 8kW), in cativa ani au dezvoltat o tehnologie cu care azi domina industria generatoarelor eoliene din intreaga lume. Guvernul danez a subventionat realizarea de centrale eoliene cu 30% din costurile de investitii si impunand societatilor de distributie sa cumpere electricitatea generata la un pret convenabil. Rezultatele sunt vizibile pe tot teritoriul Danemarcei. Izolate sau in grupuri mici, mii de turbine suple si albe, oriznontale cu trei pale, de 20-30m diamentru, se inalta pe vondul verde ondula al peisajului. In total, Danemarca avea aproximativ 3600 de turbine eoliene in 1994, cu o capacitate de 500 MW. Aceasta face ca Danemarca sa fie a doua mare utilizatoare de energie eoliana din lume, producant 3% din energia electrica a tarii si prima exportatoare de echipament eolian. La inceputul anilor `80 aceasta sursa de energie primeste un nou avant in California (SUA). Si aici a intervenit statul cu facilitati de creditare si prin impunerea uzinelor electrice sa cumpere energia electrica produsa din surse refolosibile la preturi preferentiale fata de cea generata conventional. Intre 1982 si 1992 s-au instalat in California aproape de 15000 de turbine eoliene, cu o putere instalata de 1600 MW. Multe nu au rezistat si s-au mai importat 7500 din Danemarca. S-au incercat , cu ajutorul companiilor Westinghouse si Boeing, realizarea unor turbine gigant, dar fara rezultate. In general costul unui kWh produs pe cale eoliana este in prezent 7 centi, aproape dublu fata de 4 centi la centralele electrice noi pe carbune sau gaz natural, dar nu mai este mult pana va deveni competitiv. Un al treilea val al energiei eoliene afecteaza din anii `90 si Europa. Danemarca va fi depasita in curand de Germania, Olanda si Marea Britanie in utilizarea energiei eoliene. Astfel la nivelul anului 1995 puterea instalata in centralele eoliene din Europa era de 2170 MW, din care: 900 MW in Germania, 592 MW in Danemarca, 200 MW in Olanda, 190 MW in Anglia si 123 MW in Spania.Goana dupa vant s-a extins si in alte parti ale globului: Mexic, Argentina, China si Noua Zeelanda. La nivelul anului 1996 erau instalati in lume 5000MW eolieni, din care 2500MW in Europa si de atunci puterea eoliana instalata a tot crescut cu aproximativ 1000MW anual.Energia vanturilor isi are originea tot in energia solara, datorita deiferentelor de presiune si temperatura din atmosfera, diferente create prin incalzirea neuniforma a aerului. Sunt cunoscute alizeele care bat inspre ecuator (si dinspre nord si dinspre sud) deoarece aerul de aici, fiind mai cald se ridica si locul lui este luat de aerul de la tropice. Dar datorita inertiei mecanice a aerului la rotatia globului in jurul axei sale, aceste alizee vor avea o directie inclinata fata de meridian. Aceasta inclinatie diferita deasupra si sub ecuator i-au permis lui Columb sa ajunga cu vase cu vele de pe coastele Europei si Africii pe coastele Americii si sa gaseasca si vanturi de intors. De asemenea la granita dintre apa marilor si uscat apar brizele marine, care noapte bat dinspre uscat spre mare si ziua dinspre mare spre uscat, datorita variatiei temperaturii solului dintre zi si noapte, tot din cauza radiatiei solare.Se apreciaza ca tarmurile marilor si oceanelor poseda cele mai mare rezerve de energie eoliana. O alta zona cu potential eolian ridicat este zona defileurilor si trecatorilor din munti.Rezervele anuale potentiale ale energiei eoliene la nivelul globului, sunt estimate de catre specialisti la 2.6xkWh. Aceste rezerve depasesc de multe ori consumul mondial anual de energie electrica, dar ele nu pot fi exploatate decat in proportie redusa din cauza a numeroase constrangeri, determinate de caracteristicile vantului: concentrarea relativ mica a energiei si inconstanta vitezei vantului (puterea dezvoltata variaza proportional cu cubul vitezei).Comparativ cu potentialul energetic solar, cel eolian este mai favorabil, deoarece vanturile bat si noaptea, desi el reprezinta numai circa 2% din cel care ne vine de la soare pe pamant.

2.LIMITELE DE PUTERE A CAPTOARELOR EOLIENE

2.1 Puterea vantului se poate determina plecand de la energie cinetica a unui curent de aer cu viteza constanta:E= (1.1)In aceasta relatie m reprezinta masa de aer care trece prin suprafata unui captator eolian intr-un interval t, m=Svt=qt (1.2) , unde q=Sv este debitul masic de aer prin suprafata captatorului.Puterea curentului de aer se obtine divizand cu t energia vantului (1.1), obtinand relatia:P== (1.3)Daca S=1 . stiind ca =1.226 kg/, rezulta o relatie de calcul rapid a puterii:P=0.613[kw/]. (1.4)Aceasta putere totala a unui curent de aer. Nici unul din captatoarele eoliene cunoscute nu poate utiliza integral puterea curentului de aer care il strabate. Daca aceasta ar fi utilizata integral, atunci aerul la iesirea din turbina ar trebui sa ramana nemiscat, ori este inadmisibila acumularea unei mase mari de aer in apropierea rotorului turbinei eoliene. Deci este clar ca aerul care strabate o turbina eoliana, pentru ca aceasta sa poata functiona, trebuie sa mai posede la iesirea din turbina o anumita energie cinetica. Puterea maxima preluata se poate determina in principiu, luand in considerare numai modificarea vitezei vantului la trecerea prin turbina eoliana. Calcului se efectueaza pornind de la ipodezea simplificatoare a incompresibilitatii aerului la trecerea prin captator.

2.2 Cazul captatorului eolian cu ax orizontalCaptatoarele eoliene cu ax orizontal au o elice asemanatoare cu elicile de avion, fiind necesara orientarea lor dupa directia vantului. Se considera un tub de curent de aer avand sectiunea egala cu suprafata descrisa de captatorul eolian de rotatie(fig 1.1). In amonte de captator, viteza vantului este , iar in aval devine, in dreptl captatorului viteza fiind .

a) b)Fig. 1.1 Captatorul cu ax orizontal in tubul de curent.Puterea preluata de captator poate fi considerata ca diferenta puterilor ca diferenta puterilor curentului inainte de captator. = (1.5) si dupa captator = (1.6), considerand acelasi debit masic de aer: q==S. (1.7)Rezulta expresia puterii captate: P=. (1.8)Pe de alta parte, se poate calcula aceasi putere ca produsul dintre variatia impulsului curentului de aer la trecerea prin captator si viteza acestuia in dreptul captatorului: P=. (1.9)Deoarece =q(-)=S(-) (1.10), se obtine o alta expresie a puterii preluate:P=S(-). (1.11)Egaland cele doua expresii, rezulta pentru viteza vantului in dreptul captatorului:=, (1.12) ceea ce corespunde unei variatii liniare a vitezei. Introducand aceasta expresie a vitezei in expresia puterii (1.11) si scotand factor comun viteza din amonte de captator, se obtine P=, (1.13) ceea ce inseamna ca puterea preluata depinde de raportul x=. (1.14)Introducant aceasta necunoscuta in (1.13), valoarea lui x pentru care puterea preluata este maxima se obtine prin punerea conditiei: =0 (1.15)Rezulta, pentru conditia de maxim, solutia x=1/3, pentru care puterea preluata este =S. (1.16)Asadar, puterea maxima preluata se ridica la circa 0.592 din puterea curentului de aer si se obtine cand viteza vantului la iesirea din turbina eoliana are o valoare de o treime din valoare initiala. Acesta valoare este cunoscuta sub numele de limite lui Betz.Daca corectam calculul anterior tinand cont de ecuatia de continuitate a curgerii aerului: (1.17)

pentru acelasi raport =1/3, se obtine viteza vantului in sectiune captatorului:== (1.18) iar sectiunea curentului de aer in dreptul captatorului (fig 1.1 b), S= (1.19)Ca urmare , puterea preluata de captator va fi:=S. (1