Generatorul sincron utilizat la conversia energiei eoliene

GENERATORUL    SINCRON UTILIZAT LA CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE

1. GENERALITATI DESPRE CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE

Energia eoliana

Energia vantului este o sursa reinnoibila de energie utilizata din cele mai vechi timpuri de catre om.

Potentialul tehnic mondial al energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energie decat este consumata acum.

Vantul este o miscare a maselor de aer datorata incalzirii neuniforme a suprafetei pamantului de catre soare. Din timp ce suprafata pamantului este alcatuita din diferite tipuri de sol si apa, absoarbe caldura soarelui in proportii diferite.

In timpul zilei, aerul de deasupra pamantului se incalzeste mai tare decat cel de de-asupra apei. Aerul mai cald se ridica , iar cel rece, fiind mai greu, tinde sa-i ia locul, creand vantul, dupa cum se poate vedea in figuara alaturata.

In acelasi fel, masele atmosferice mari de aer sunt puse in miscare din cauza ca Pamantul este mai cald la ecuator, si mult mai rece la poli.

Scurt istoric al utilizarii energiei eoliene

Energia eoliana e folosita de om de foarte mult timp. Acum 4000 de ani, chinezii si babilonienii foloseau energia eoliana pentru a pompa apa pentru irigatii, iar navigatia cu barci cu panze se practica cu mult timp inainte.

In Europa, in epoca medievala, energia eoliana era folosita pentru a pune in functiune mori pentru macinatul porumbului, de unde a si ramas denumirea de "mori de vant".

Se presupune ca prima moara de vant(turbina eoliana) cu sistemul de control electric complet automatizat a fost construita de Charles F. Brush, in anul 1888.Principiul sau bazat pe folosirea solenoizilor a fost folosit , fara prea multe modificari pana in jurul anului 1980, cand sistemul de control al turbinelor a fost echipat cu computere.

In ciuda dimensiunilor gigantice :  diametrul rotorului avea 17m, avea 144 pale rotorice facute in lemn de cedru, avea puterea de doar 12kW. Aceasta turbina a functioanat timp de douazeci de ani.

Cel care,mai tarziu a descoperit ca sunt mai eficiente turbinele cu viteza mai mare de rotatie si cu putine rotor blades, a fost Dane Poul la Cour.

2. TURBINA EOLIANA

O turbina eoliana isi obtine puterea de intrare prin conversia fortei vantului in cuplu actionand asupra palelor rotorului. . Cantitatea de energie pe care o transfera vantul la rotor depinde de viteza vantului, densitatea aerului si suprafata rotorului.

Elemente constructive

1. Pale

-forma si conceptia lor este esentiala pentru a asigura forta de rotatie necesara.

Acest design este propriu fiecarui tip de generator electric. La o turbina moderna de 1000kWfiecare pala masoara in jur de 27m in lungime si are forma asemanatoare cu a unei aripi de aeroplan.

2.Nacela

Contine generatorul electric asigurand si o protectie mecanica

3.Pilonul

-asigura structura de sustinere si rezistenta a ansamblului superior. In general este un avantaj sa fie inalt, fiindca vitezele vanturilor tind sa creasca cu cat ne indepartam de pamant. Turbina de 1000kW amintita anterior are un turn de 50-80 metrii. Pot avea o forma tubulara sau lattice, cele tubulare fiind mai sigure pentru personalul care se ocupa de intretzinerea turbinei pentru ca pot o scara interioara pentru a ajunge in varf. Cele lattice au avantajul ca sunt mai ieftine

4. Fundatia

-asigura rezistenta mecanica a sistemului eolian

Rolul si locul generatorului electric in sistem

Generatorul turbinei eoliene face conversia energiei mecanice in energie electrica. Cand se alege generatorul trebuie sa se tina cont de faptul ca acesta va trebui sa lucreze cu o sursa de putere mecanica(rotorul turbinei) care genereaza un cuplu cu variatii mari, din cauza vitezei instabile a vantului.

Generatorul este asezat in nacela.

3. MASINA    SINCRONA TRIFAZATA

Constructia

Partile constructive principale ale masinii sincrone sunt:

Staorul-fix in raport cu platforma pe care este pozitionata masina. La constructia normala are rol de indus. Are infasurare polifazata simetrica, uzual trifazata.

Rotorul-de obicei in interiorul statorului, concentric cu acesta. Are rolul de inductor. Constructia lui este heteropolara si este echipat cu o infasurare de excitatie alimentata in curent continuu. Alimentarea infasurarii poate fi facuta prin inele fixate pe arbore, la care sunt fixate capetele acesteia si pe care calca perii colectoare fixate pe carcasa, conectate la cutia de borne, sau prin intermediul unei punti redresoare solidare cu rotorul si alimentata de la un generator de curent alernativ, tot printr-un sistem de inele si perii.

Principii de functionare

Tote masinile trifazare folosesc un camp magnetic invartitor.

In poza alaturata avem trei electromagneti in jurul unui cerc, defazati cu 120 grade unul fata de altul. Fiecare dintre cei trei electromagneti este conectat la una dintre fazele retelei de alimentare trifazata.

Fiecare dintre cei trei electromagneti alterneaza intre a produce un pol sud(S) sau un pol nord(N) spre centru. Variatia intensitatii campului corespunde exact variatiei tensiunii fiecarei faze.

Cand una dintre faze are amplitudinea tensiunii maxima, prin celelalte doua circula curenti de sens opus, iar valoarea tensiunii este la jumatate din valoarea maxima.

Astfel, in figura de mai sus se poate observa cum se formeaza cei doi poli ai masinii :

consideram faza de sus ca fiind la tensiune maxima, deci ea genereaza un pol sud puternic, celelate doua faze generand impreuna un pol nord puternic.

Magnetul din centru(rotorul) se va roti cu o viteza egala cu cea a campului magnetic invartitor, de unde si denumirea de masina sincrona.

Daca incepem sa imprimam cu o forta din exterior o miscare de rotatie magnetului, se observa ca functioneaza ca generator,introducand curent alternativ in retea. Cu cat cuplul este mai mare, cu atat mai multa electricitate este trimisa in retea, dar generatorul inca functioneaza la aceeasi viteza dictata de frecventa retelei electrice trifazate.

Se pote deconecta generatorul de la retea si astfel, pe baza fenomenului de inductie magnetica, capetele celor trei bobine de pe electromagneti vor deveni o retea trifazata. Pentru a produce curent alternativ cu frecventa constanta magnetul trebuie rotit cu o viteza constanta, ceea ce este greu de realizat fara alta retea electrica.

In practica, generatoarele sincrone cu magneti permanenti nu sunt folosite prea des pentru ca magnetii sunt supusi la campuri magnetice intense care duc la deteriorarea lor, si in plus cei obtinuti din pamanturi rare sunt foarte scumpi.

4. REGIMURILE DE FUNCTIONARE ALE MASINII SINCRONE

Regimul de motor

Pentru functionarea in regim de motor este necesara alimentarea infasurarii statorice cu un sistem de tensiuni trifazat, simetric, echilibrat, de frecventa f, astfel incat curentii care parcurg fazele sa produca un camp magnetic invartitor cu turtia n=f/p, unde p este numarul de poli.

Este deasemenea necesar ca rotorul (cu infasurarea de excitatie parcursa de curent continuu) sa se invarta la aceeasi turatie n. Cuplul elecromagnetic care se formeaza mentine sincronismul dintre campul invartitor statoric si cel rotoric(respectiv rotor) si permite transferul de putere activa mecanismului actionat.

De remarcat ca principiul de functionare al motorului sincron este conditionat de sincronismul dintre turatia rotorului si a campului, astfel ca motorul sincron nu poate functiona decat la turatia de sincronism(constanta cat timp frecventa f este constanta) si nu dezvolta cuplu la pornire, deci trebuie pornit indirect, pana la turatia de sincronism. Tot din acest motiv , masina sincrona nu poate functiona in regim de frana.

Regimul de generator

Principiul de functionare al masinii sincrone in regin de generator presupune antrenarea rotorului la o turatie n si existenta curentului continuu in infasurarea de excitatie.

Efectul consta in producerea unui camp magnetic constant in timp, repartizat in spatiu dupa alternanta polilor, sub forma unor pulsuri pozitive si negative, care se roteste cu aceeasi turatie cu rotorul, devenind astfel un camp invartitor cu turatie n. Indusul este parcurs de fluxul magnetic variabil in timp si in infasurarea polifazata(trifazata) statorica se induc tensiuni electromotoare, avand frecventa f=p*n.

Daca infasurarea se inchide pe un circuit de sarcina, in infasurari se stabilesc curenti avand tot frecventa f. Sistemul trifazat, simetric, echilibrat de curenti produce un camp de reactie , tot invartitor si tot sincron cu cel inductor. Prin compunerea celor doua campuriinvartitoare ia nastere cuplul electromagnetic al generatorului sincron, care se opune cuplului de antrenare al rotorului.

5. UTILIZAREA GENERATORULUI SINCRON LA CONVERSIA ENERGIEI EOLIENE IN

ENERGIE ELECTRICA

Generatorul sincron este tipul dominant de generator folosit in sistemele de putere. Poate genera putere activa si reactiva independent si are un rol important in controlul tensiunii.

Turbinele eoliene nu folosesc in general generatoare sincrone cu magneti permanenti in rotor, ci cu electromagneti a caror bobine sunt alimente in curent continuu de la retea. Dat fiind faptul ca reteaua furnizeaza curent alternativ, turbiana trebuie sa includa convertoare cacc. Electromagnetii sunt conectati la curent cu sisteme de perii si inele pe axul generatorului.

Unele turbine sunt construite cu doua generatoare :unul mic pentru perioadele cu vant slab, si unul mare pentru perioadele cu vant puternic.

O metoda mult mai apreciata in ultimul timp este folosirea generatoarelor care pot functiona cu un numar diferit de poli, care depinde de cum sunt conectati magnetii din stator.

Schimbarea vitezei de rotatie a generatorului in functie de numarul de poli se explica astfel :

-consideram un generator sincron cu patru poli

Viteza generatorului, care este strict dependenta de frecventa retelei de alimentare, este constanta. Daca dublam numarul de magneti din stator, se poate asigura faptul ca viteza de rotatie a campului invartitor este injumatatita.

Deci va avea 25 rot/sec (1500rot/min) la o frecventa de 50Hz a retelei de alimentare Cand dublam numarul de poli din stator, trebuie dublat si numarul de magneti din rotor, dupa cum arata figura alaturata .Altfel polii nu se mai potrivesc.

Evident, putem repeta operatiunea, adaugand inca trei electromagneti in stator.

Cu noua magneti putem avea un generator cu sase poli care va avea turatia de 1000rot/min la o frecventa a retelei de 50Hz.

Cele mai multe turbine eoliene folosesc generatoare cu patru sau sase poli. Motivul folosirii acestor generatoare cu turatii relativ mari este bazat pe marime si pe cost. Cuplul maxim pe care il suporta un generator depinde de volumul rotorului, deci pentru o anumita putere dorita, putem alege intre un generator mare(scump) cu turatie joasa, sau unul mai ieftin dar care lucreaza la turatii mai ridicate.

Statorul generatorului sincron are o infasurare trifazata, infasuraile individuale ale celor trei faze fiind defazate cu 120 grade in spatiu una fata de cealalta. Rortorul are o infasurare de excitatiecare este magnetizarta de un curent continuu- curentul de excitatie.

Cand rotorul este pus in miscare(de catre turbina) fluxul campului magnetic invartitor induce tensiuni(tem) in infasurarile statorice. Aceste tensiuni sunt sinusoidale,cu amplitudine dependenta de valoarea curentului de magnetizare, defazate cu 120 grade si au frecventa determinata de turatie.

Explicatiile de mai sus sunt valabile pentru un generator cu 2 poli, care este cel mai usor de descris.

La turbinele eoliene de putere mare(peste 100-150W), tensiunea generata de turbina este de obicei 690V, in sistem trifazat alternativ. Curentul este trecut printr-un transformator, care poate fi lanaga turbina sau inauntrul pilonul, pentru a creste tensiunea pana la valori cuprinse intre 10 000-30 000V, in functie de standardele impuse de reteaua electrica locala.

Generatoarele au nevoie de un sistem de racire in timp ce functioneaza. La majoritatea turbinelor aceasta se face incapsuland generatorul si lasand o fanta pentru racirea cu aer, dar exista si posibilitatea de a asiguara racirea cu apa. Generatoarele la care se foloseste acest tip de racire sunt construite mai compact, aspect care aduce si unele avantaje din punct de vedere al eficientei electrice, dar au nevoie de un radiator in nacela, pentru a prelua caldura din lichidul de racire.

Pornirea si oprirea generatorului se face in baza urmatoarelor principii :

Daca conectam sau deconectam generatorul unei turbine de putere mare prin simpla actionare a unui contactor, se pot aduce stricaciuni generatorului, cutiei de viteze si retelei electrice. Se urmareste mentinerea stabilitatii tensiunii si frecventei si absenta zgomotelor (ex. armonici ) in reteaua electrica.Furnizorii    de energie electrica prefera un curent alternativ cu o forma sinusoidala, dupa cum se poate vedea in imaginea alaturata.

Aceste principii tin de calitatea energiei electrice.

Majoritate controlerelor folosite la turbine eoliene sunt programate sa lase turbina sa functioneze fara legatura la retea, cand viteza vantului este scazuta, pentru ca altfel ar functiona in regim de motor. Odata ce viteza vantului devine suficient de mare pentru a roti rotorul turbinei si al generatorului at their rated speed, este importanta alegerea momentului conectarii generatorului la retea, pentru ca altfel, se poate ajunge doar la rezistenta mecanica din partea cutiei de viteze si a generatorului, pentru a impiedica rotorul sa accelereze sau sa depasasca viteza de functionare.

6.PRINCIPII CARE STAU LA BAZA GENERARII ENERGIEI EOLIENE

* Energia disponibila in vant este proportionala cu cubul vitezei vantului, de unde rezulta ca cea mai mica variatie de viteza a vantului provoaca variatii foarte mari de curent, deci si de putere.

* Puterea disponibila la palete este proportionala cu patratul diametrului rotorului. Insa ideea e sa nu marim paletele foarte mult, ci sistemul sa fie cat mai bine proportionat ca sa reziste si sa fie functional.

* Mecanica trebuie sa fie cat mai simpla si mai robusta.

* Palele cu ax si generator trebuie urcate cat mai sus posibil pentru a evita turbulentele de aer provocate de obstacole precum garduri, case, copaci, stanci etc.

7.AVANTAJE SI DEZAVANTAJE

Energia eoliana este o sursa de energie reinnoibila generata din puterea vantului. Vanturile sunt formate din cauza ca soarele nu incalzeste Pamantul uniform, fapt care creeaza miscari de aer. Energia cinetica in vant poate fi folosita sa intoarca turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine sunt capabile de a produce 5 MW de energie, desi aceste necesita o viteza de vant de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 kilometri pe ora. Putine zone pe pamant au aceste viteze de vant, desi vanturi mai puternice se pot gasi la altitudine mai mare si in zone oceanice.

Energia eoliana este folosita destul de extensiv in ziua de astazi, si turbine noi de vant se construiesc in toata lumea, energia eoliana fiind sursa de energie cu cea mai rapida crestere in ultimii ani. Capacitatea totala mondiala a turbinelor de vant este 47.317 MW. Majoritatea turbinelor produc energie 25% din timp, acest numar crescand iarna, cand vanturile sunt mai puternice.

Se crede ca potentialul tehnic mondial a energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energie decat este consumata acum. Acest nivel de utilizare a acestei surse ar necesita 12,7% din suprafata Pamantul (excluzand oceanele) sa fie acoperite de parcuri de turbine, asumand ca terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vant pe kilometru patrat.

Principalul dezavantaj a productiei de energie eoliana este faptul ca turbinele produc 'poluare vizuala' - adica, au o aparitie neplacuta - si deasemenea produc 'poluare sonora' (sunt prea galagioase). Altii sustin ca turbinele afecteaza mediul si ecosistemele din imprejurimi, omorand pasari si necesitand terenuri mari virane pentru instalarea lor.

Argumente impotriva acestora sunt ca turbinele moderne de vant au o aparitie atractiva stilizata, ca masinile omoara mai multe pasari pe an decat turbinele si ca alte surse de energie, precum generarea de electricitate folosind carbunele, sunt cu mult mai daunatoare pentru mediu, fiind ca creeaza poluare si asista efectul de sera.

Un dezavantaj practic este variatia in viteza vantului. Multe locuri pe pamant nu pot produce destula electricitate folosind puterea eoliana, si din cauza asta, aceasta forma de energie nu este viabila in orice locatie.

8.ALTE TIPURI DE GENERATOARE UTILIZABILE

8.1 Alternatoare de masina

Nu sunt indicate pentru generatoare eoliene sau hidraulice deoarece incep sa produca energie la viteze mari, de minim 600 rpm. Sunt totusi indicate pentru generatoare cu combustibil. Aceste tip de generator este unul electromagnetic (fara magnet permanent). Campul magnetic e generat tot de energia produsa. Aceasta inseamna randament scazut si pierderi mari de energie. Avantajul acestui sistem este ca puterea generata poate fi usor controlata. O varianta de utilizare a acestui tip de generator in sistemele eoliene este cu ajutorul unui sistem de roti pentru amplificarea turatiei, dar implica pierderi foarte mari de energie prin frecare. In cazuri extreme, un alternator auto poate fi adaptat sa produca energie la turatie mai mica, rebobinand-ul cu mai multe spire din conductor mai subtire.

Produc curent alternativ.

8.2 Motoare electromagnetice cu inductie adaptate

Adaptarea motoarelor electromagnetice pentru generatoare eoliene se face prin modificarea rotorului. Rotorul unui astfel de motor este format din placi de metal si de aluminiu intercalate. Trebuie inlocuite aceste placi cu magneti permanenti, preferabil neodymium, pentru a transforma motorul intr-un generator cu magnet permanent. Inlocuirea placilor se poate face perforand sau taind placile rotorului cat sa incapa magnetii. Sunt de greu de procurat magneti care sa se potriveasca ca dimensiune.

In practica, acest tip de generatoare poate produce maxim 10-20 amperi la viteze de 30mph cu o elice de aproximativ 2m spre deosebire de generatoarele facute din motare pas-cu-pas adaptate care pot produce in aceleasi conditii pana la 50-60 amperi. Sunt indicate pentru puteri mici la viteze mari de vant.

Produc curent alternativ.

8.3 Generatoare cu magneti permanenti, constructie proprie

Pot genera la viteze mici dar rezista remarcabil si la viteze extrem de mari producand energie corespunzator, nu plafonandu-se ca celelalte generatoare. Sunt ideale pentru constructii serioase. In practica, un generator de dimensiune medie poate produce in jur de 700W. Generatoarele trifazice au randament mai bun dar sunt mai greu de construit. Materialele folosite se gasesc usor in comert, (lemn, discuri, rulmenti, adeziv epoxy, suruburi, conductor-lita, magneti) magnetii mult mai puternici (neodymium) fiind mai greu de obtinut. Daca lipiciul este prea scump se poate improviza din lac si rasina dar elementele esentiale trebuie lipite cu adeziv de cea mai inalta calitate. Un avantaj major este ca generatorul poate fi contruit in forma si accesoriile de prindere dorite, fara a mai fi necesara improvizarea unui sistem de prindere.

Produc curent alternativ.

8.4 Motoare curent continuu

Aceste motoare functioneaza in curent continuu, in special de la baterie, deci nu sunt de dimensiuni mari. Inauntru exista un sistem foarte fin din perii metalice sau carbuni care se degradeaza in timp si nu rezista la turatii ridicate. Functionaza bine la viteze mici si pot fi folositi pentru generatoare miniaturale-mici. Genereaza puteri de pana la 100-200W.

8.5 Servo-motoare curent continuu fara perii

Aceste motoare se gasesc in componente electronice de inalta calitate (CD-ROM, computere, imprimante) si sunt realizate cu o precizie deosebita. Unele folosesc magneti deosebiti de puternici (Nd-Fe-B). Turatia este controlata de un sistem electronic de obicei extern motorului, altfel trebuie adaptat (scos). Desi sunt facute cu rulmenti (unele) pentru a suporta greutatea elicei le mai trebuie un sistem de sustinere al rotorului, format din rulmenti suplimentari preferabil de dimensiuni mai mari, adaptati. Dezavantajul major este ca nu se gasesc motoare de acest gen de dimensiuni mari si cu bobinaj gros, deci puterea rezultata este limitata. Sunt eficiente in generatoare mici.