Studiul privind exploatarea si mentenanta unui parc eolian

Studiul privind exploatarea si mentenanta unui parc eolian

1.Introducere

Energia verde este un termen care se refera la surse de energie regenerabila si nepoluanta. Electricitatea generata din surse regenerabile devine din ce in mai disponibila. Prin alegerea unor astfel de surse de energie regenerabila consumatorii pot sustine dezvoltarea unor energii curate care vor reduce impactul asupra mediului asociat generarii energiei conventionale si vor creste independenta energetica.

Energia regenerabila se refera la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vanturilor, a apelor curgatoare, a proceselor biologice si a caldurii geotermale pot fi captate de catre oameni utilizand diferite procedee. Sursele de energie ne-reinnoibile includ energia nucleara precum si energia generata prin arderea combustibililor fosili, asa cum ar fi titeiul, carbunele si gazele naturale. Aceste resurse sunt, in mod evident, limitate la existenta zacamintelor respective si sunt considerate ne-regenerabile.

Dintre sursele regenerabile de energie fac parte:

energia eoliana;

energia solara;

energia apei ( energia hidraulica, energia mareelor);

energia geotermica;

energia derivata din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz.

Energia eoliana este generata prin transferul energiei vantului unei turbine eoliene.Vanturile se formeaza datorita incalzirii neuniforme a suprafetei Pamantului de catre energia radiata de Soare care ajunge la suprafata planetei noastre. Aceasta incalzire variabila a straturilor de aer produce zone de aer de densitati diferite, fapt care creeaza diferite miscari ale aerului. Energia cinetica a vantului poate fi folosita la antrenarea elicelor turbinelor, care sunt capabile de a genera electricitate.

La inceputul anului 2007, capacitatea mondiala a generatoarelor eoliene era de 73904 MW, acestea producand ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrica.

Desi inca o sursa relativ minora pentru majoritatea tarilor, productia energiei eoliene a crescut practic de 7 ori intre anii 1999 si 2008, ajungandu-se ca, in unele tari, ponderea energiei eoliene in consumul total de energie sa fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania (6%).

Noile cerinte in domeniul dezvoltarii durabile au determinat statele lumii sa isi puna problema metodelor de producere a energiei si sa creasca cota de energie produsa pe baza energiilor regenerabile.

Trei factori au determinat ca solutia eolienelor sa devina mai competitiva:

noile cunostinte si dezvoltarea electronicii de putere;

ameliorarea performantelor aerodinamice in conceperea turbinelor eoliene;

finantarea nationala pentru implementarea de noi eoliene.

In prezent, pe plan mondial, ponderea energiilor regenerabile in producerea energiei electrice este scazuta. Se poate spune ca potentialul diferitelor filiere de energii regenerabile este sub-exploatat. Totusi, ameliorarile tehnologice au favorizat instalarea de generatoare eoliene, intr-un ritm permanent crescator in ultimii ani, cu o evolutie exponentiala, avand o rata de crestere impresionanta dupa cum se poate observa mai jos in fig.1.

Fig.1 Evolutia puterii eoliene instalate pe plan mondial si predictii pe 1997-2010 (MW)

Filiera eoliana este destul de dezvoltata in Europa, detinand pozitia de lider in topul energiilor regenerabile. Acest tip de energie regenerabila asigura necesarul de energie electrica pentru 20 milioane de locuitori. De altfel, 90% din producatorii de eoliene de medie si mare putere se afla in Europa. Europa nu are decat 9% din potentialul eolian disponibil in lume, dar are 60% din puterea instalata in 2008. Ea a produs 70 TWh electricitate de origine eoliana in 2008, productia mondiala fiind de 120 TWh. Potentialul eolian tehnic disponibil in Europa este de 5000 TWh pe an.

Repartitia puterii eoliene pe plan mondial este reprezentata in graficul de mai jos (fig.2).

Fig.2 Repartitia puterii eoliene pe plan mondial

Piata de energie

1.1.1 Scurt istoric

Piata energiei electrice este un concept economic avand un continut complex si care exprima totalitatea tranzactiilor de vanzare-cumparare perfectate intr-un spatiu geografic determinat. Ea are ca functie principala corelarea, (prin intermediul cererii si al ofertei) cu concretizarea contractelor de vanzare – cumparare, a productiei cu consumul.

Principalele momente ale dezvoltarii pietei de energie electrica din Romania

- HG 365/1998 – ruperea monopolului integrat vertical RENEL prin constituirea unei societati distincte de distributie si furnizare a energieie electrice ( SC Electrica SA) si a unora de producere a energiei electrice (SC Transelectrica SA si SC Hidroelectrica SA), in cadrul nou infiintatei companii nationale CONEL SA; constituirea SN Nuclearelectrica SA si RAAN – producatori de energie electrica;

- Organizarea distincta, in cadrul CONEL, a activitatilor de transport, sistem si administrare pietei de energie electrica si contractualizarea relatiilor dintre operatorii din sector;

- HG 122/2000 – deschiderea pietei la 10%;

- HG 627/2000 – se desfiinteaza CONEL, filialele sale devenind proprietatea directa a statului, reprezentat de Ministerul Industriei si Comertului; se infiinteaza CN Transelectrica SA – operator de transport si sistem, iar prin filiala sa OPCOM SA – operator de administrare a pietei de energie electrica;

-Septembrie 2000 – lansarea pietei spot obligatorii de energie electrica din Romania, administrata de OPCOM, filiala a CN Transelectrica SA, organizata pe principiul pool-ului;

HG 1342/2001 – SC Electrica SA se imparte in 8 filiale de distributie si furnizare;

- HG 1524/2002 – SC Termoelectrica SA se reorganizeaza in entitati legale separate de producere a energiei electrice;

Iulie 2005 – lansarea noului model de piata, bazat pe existenta:

-Pietei spot voluntare, cu ofertare de ambele parti si decontare bilaterala;

-Pietei de echilibrare obligatorii, avand operatorul de sistem ca singuracontraparte;

-Repartizarea responsabilitatilor financiare ale echilibrarii catre partile responsabile cu echilibrarea.

- HG 644/2005 – deschiderea pietei la 83.5%;

- Noiembrie 2005 – introducerea pietei de certificate verzi;

- Decembrie 2005 – introducerea pietei centralizate a contractelor bilaterale;

- Martie 2007 – introducerea pietei centralizate a contractelor bilaterale partial standardizate cu negociere continua;

- HG 638/2007 – deschiderea integrala a pietei de energie electrica si gaze naturale.

Noua piata de energie din Romania a inregistrat progrese importante, garantand, pe de o parte, consumatorilor libertatea de a-si alege furnizorul de energie electrica intr-un mod transparent si nediscriminatoriu, iar, pe de alta parte, libertatea producatorilor si furnizorilor de a stabili tranzactii cu energie electrica in conformitate cu regulile pietei libere. Mai mult, noul concept al pietei de energie asigura neutralitatea operatorilor, prin separarea activitatilor de operare de cele de natura pur comerciala pe care producatorii si furnizorii le dezvolta.

In tabelul 1 sunt prezentate gradele de deschidere si plafonurile de consum anual stabilite prin hotararile guvernamentale.

Tabel 1. Etapele parcurse in procesul de deschidere a pietei de energie electrica

Actualul mecanism al pietei de energie electrica din Romania indeplineste cerintele de aderare la Uniunea Europeana, negociate, fiind chiar mai avansate decat cele existente in cadrul unor state membre. Este, de asemenea, un mecanism flexibil care permite dezvoltarea oricaror noi solutii de tranzactionare si contractare a energiei electrice, in functie de solicitarile pietei, si care transmite la randul lui semnale utile actorilor din piata.

Structura tranzactiilor pe piata energiei

Fig. 4. Structura schematica a pietei angro de energie electrica

Structura include urmatoarele tipuri de contracte incheiate de producatori pe piata de energie electrica:

Contracte reglementate incheiate cu furnizorii impliciti pentru consumatorii alimentati in regim reglementat, de catre producatorii termo(inclusiv producatorii independenti/ autoproducatori), producatorul hidro, respectiv producatorul nuclear;

Contracte reglementate incheiate cu operatorii de distributie pentru acoperirea consumurilor proprii tehnologice ale retelelor de distributie , de catre producatorii termo (inclusiv producatorii independenti/autoproducatori), producatorul hidro, respectiv producatorul nuclear;

Contract reglementat incheiat cu operatorul de transport pentru acoperirea consumului propriu tehnologic al retelei de transport;

Contracte intre producatori la preturi reglementate, activitate la cererea cumparatorului in schimbul primei de optiune;

Contracte intre producatori la preturi reglementate, cu obligatia rascumpararii energiei in decursul unui an

Contracte negociate bilateral cu furnizorii impliciti;

Contracte negociate bilateral cu alti producatori;

- Contracte negociate bilateral cu furnizorii concurentiali;

- Contracte incheiate pe pietele centralizate de contracte cu diferiti participanti;

- Contracte de furnizare negociate bilateral cu consumatorii alimentati in regim concurential;

- Contracte negociate de vanzare la export

- Vanzari pe piata pentru ziua urmatoare catre diferiti participanti la aceasta piata .

1.1.3 Evolutia volumelor tranzactionate pe piata angro

Dimensiunea pietei angro este determinata de totalitatea tranzactiilor desfasurate pe aceasta de catre producatori si furnizori, depasind cantitatea transmisa fizic de la producere catre consum; totalitatea tranzactiilor include revanzarile realizate in scopul ajustarii pozitiei contractuale si obtinerii de beneficii financiare.

Astfel, pe piata angro sunt incheiate contracte reglementate si negociate bilateral intre producatori si furnizori, contracte reglementate pentru asigurarea consumului propriu tehnologic in retele, contracte negociate bilateral producatori - producatori sau furnizori - furnizori, precum si obligatii contractuale incheiate pe pietele centralizate: PCCB - piata centralizata a contractelor bilaterale, PCCB-NC - piata centralizata a contractelor bilaterale cu negociere continua, PZU - piata pentru ziua urmatoare, PE - piata de echilibrare.

Piata certificatelor verzi

Descriere generala

Pentru sustinerea producerii energiei electrice din resurse energetice regenerabile a fost stabilit un mecanism de promovare bazat pe certificate verzi, prin care furnizorii achizitioneaza cote obligatorii de certificate, proportional cu volumul de energie electrica vanduta consumatorilor.

OPCOM – Opѥratorul†Pieteѩ de ceòtificcte Verzi –ȠPersoana Ūuridica ce asigura tranzactionarea certifikátelor Verzi si care determina preturil聥 pe Piata centòalizata a Ce聲tificatelŲ Verzi, indepinind functiile prevazute de Regulamentul de organizare si functionare a Pietei de Certificate Verzi (Ord. ANRE nr. 15 / 2005).

Certificatul Verde este un document care atesta o cantitate de 1 MWh de energie electrica produs din surse regenerabile de energie.

Mecanismul de promovare a producerii de energie electrica din surse regenerabile de energie, prin achizitia de catre furnizori a unor cote obligatorii de energie electrica produsa din aceste surse in vederea vanzarii catre consumatorii deserviti se numeste sistem de cote obligatorii.

Functionarea sistemului de cote obligatorii pentru promovarea energiei electrice din surse regenerabile de energie, presupune parcurgerea urmatorilor pasi:

- Autoritatea de reglementare stabileste o cota fixa de energie electrica produsa din surse regenerabile de energie, pe care furnizorii sunt obligati sa o cumpere;

- Autoritatea de reglementare califica anual producatorii de energie electrica din surse regenerabile de energie, pentru a obtine Certificate Verzi;

- Producatorii primesc pentru fiecare unitate de energie electrica livrata in retea
(1 MWh), un Certificat Verde, care poate fi vandut separat de energia electrica, pe Piata de Certificate Verzi;

Pentru indeplinirea obligatiei, furnizorii trebuie sa detina un numar de Certificate Verzi egal cu cota de energie electrica din surse regenerabile de energie impusa.

Valoarea Certificatelor Verzi reprezinta un castig suplimentar primit de producatori pentru “energia curata” pe care o livreaza in retele.

Pretul energiei electrice este determinat pe piata de energie electrica. Pretul suplimentar primit pentru Certificatele Verzi vandute este determinat pe o piata paralela , unde sunt tranzactionate beneficiile aduse mediului.

Valoarea Certificatelor Verzi se stabileste prin mecanisme de piata:

-  Prin contracte bilaterale intre producatori si furnizori;

-  Pe o piata centralizata, organizata si administrata de OPCOM.

Pretul Certificatelor Verzi variaza intr-un interval [ Pmin ÷ Pmax] stabilit prin Hotarare de Guvern. Pretul minim este impus pentru protectia producatorilor iar pretul maxim, pentru protectia consumatorilor.

Pentru perioada 2005-2012 valoarea anuala minima si maxima de tranzactionare a certificatelor verzi este de 24 Euro/certificat, respectiv 42 Euro/certificat, calculata la cursul de schimb stabilit de Banca Nationala a Romaniei, pentru ultima zi lucratoare a lunii decembrie din anul precedent.

Energia electrica se tranzactioneaza separat de certificatele verzi. Aceasta se tranzactioneaza pe piata de energie electrica si certificatele verzi pe Piata Certificatelor Verzi dupa cum se poate observa si in fig. 3.

Fig 5. Modul diferit de tranzactionare al certificatelor verzi fata de cel al energiei electrice

Functionarea Pietei Centralizate de Certificate Verzi (PCCV) este conditionata de:

- inscrierea participantilor la Piata Centralizata de Certificate Verzi ;

- participantii transmit lunar oferte de vanzare sau de cumparare, in Intervalul de Ofertare.

Operatorul Pietei de Certificate Verzi are rolul de a:

prelua ofertele si de a transmite confirmari de primire;

-  validarea ofertelor si transmiterea notificarilor despre acceptarea sau respingerea lor;

-  de a stabili in ziua de tranzactionare Numarul de Certificate Verzi tranzactionate si Pretul de Inchidere al Pietei de Certificate Verzi (PIPCV);

-  intocmi si transmite fiecarui participant notele de decontare.

Determinarea PIPCV si a numarului de CV tranzactionate pe PCCV:

PIPCV si Numarul de CV tranzactionate se stabilesc la intersectia curbelor oferta-cerere dupa cum se poate observa in fig. 6.

Fig. 6. Determinarea grafica a Pretului de Inchidere al PCV(PIPCV) si a numarului de CV tranzactionate

Piata certificatelor verzi se va dezvolta accelerat odata cu instalarea de noi capacitati de producere a energiei din surse regenerabile, in functie de cresterea de care a avut parte in ultimii ani acest sector. Cererile de racordare la retea venite din partea dezvoltatorilor de centrale eoliene insumeaza 12 000 MW, aproape 70% din totalul puterii instalate in sistemul energetic.

Producatorii de energie din surse regenerabile primesc un certificat verde pentru fiecare MW livrat in sistemul energetic national. Prin vanzarea certificatelor verzi pe piata libera producatorii isi asigura un venit suplimentar celui rezultat din vanzarea energie. Sistemul are drept scop stimularea investitiilor in surse regenerabile.

Potentialul energetic eolian al Romaniei

Romania are un potential imens in domeniul energiei alternative. Studiile de specialitate arata ca se inregistreaza cel mai ridicat potential din sud-estul Europei in domeniul energiei eoliene, iar sud-estul Dobrogei se plaseaza chiar intre primele locuri la nivelul intregului continent.

Astfel, potentialul eolian al Romaniei este estimat la 14.000 MW capacitate instalata, insa tara noastra dispune deocamdata de doar 7 MW instalati in turbine eoliene.

Conform hartii energiei verzi, potentialul Romaniei cuprinde:

- 65% biomasa;
- 17% energie eoliana;

- 12% energie solara;

- 4% microhidrocentrale;

- 1% voltaic;

- 1% geotermal.

In Romania, cu exceptia zonelor montane, unde conditiile meteorologice vitrege fac dificila instalarea si intretinerea agregatelor eoliene, viteze egale sau superioare pragului de 4 m/s se regasesc in Podisul Central Moldovenesc si in Dobrogea.

In functie de viteza vantului de minim 4 m/s (pentru o functionare eficienta a turbinei eoliene) si de numarul de ore/an in care aceasta viteza este atinsa, exista o harta a Romaniei impartita in 5 zone eoliene, prezentata mai jos in fig. 7.

Fig. 7. Harta potentialului energetic eolian al Romaniei

Potential eolian favorabil se afla in zonele:

- Zona Dobrogei, inclusiv fasia litoralului;

- Zona de deal inalt si de munte, la altitudini, in general intre 600 si 1100 m, in amplasamente deschise, situate spre varful unor inaltimi golase.

Cum am spus si mai sus potentialul eolian al Romaniei este de circa 14.000 MW putere instalata, respectiv 23.000 GWh, productie de energie electrica pe an. Acesta este potentialul total. Considerand doar potentialul tehnic si economic amenajabil, de circa 2.500 MW, productia de energie electrica corespunzatoare ar fi de aproximativ 6.000 GWh pe an, ceea ce ar insemna 11% din productia totala de energie electrica a tarii noastre.

Investitiile necesare in domeniul energiei eoliene sunt de circa 1 milion euro/ MW instalat. O capacitate instalata de 100 MW presupune o investitie de circa 100 milioane euro. Desi pare o cifra mare, este de retinut faptul ca investitia s-ar amortiza in aproximativ 7 ani, termen extrem de rezonabil pentru o investitie energetica.

Piata europeana a energiei eoliene este in plina dezvoltare, cu un ritm de crestere mai mare decat al oricarui alt domeniu energetic.

Energia eoliana nu poate sa inlocuiasca toate celelalte forme de energie, ci doar sa fie o optiune din grupul de posibilitati existente, o parte a mix-ului energetic. Pe termen mediu, sursele regenarabile de energie nu pot fi privite ca alternativa totala la sursele conventionale, dar cert ca, datorita avantajelor pe care le au - resurse locale, abundente, ecologice, ieftine, independente de importuri si crize mondiale - acestea trebuie utilizate impreuna cu combustibilii fosili si energia nucleara. Exista suficienta experienta si destule modele de succes de dezvoltare a domeniului, oferite de tari precum Spania, Germania sau Danemarca. Modelul spaniol arata foarte clar cum poate fi gestionata aceasta dezvoltare intr-o maniera sustenabila si transformata intr-o veritabila forta. Tinta pe care si-a propus-o guvernul spaniol este de 20.000 MW putere instalata in centrale eoliene, pana in 2011. Daca in Spania dezvoltatorii de proiecte si fabricantii de turbine eoliene vor atinge aceasta tinta, atunci energia va furniza in jur de 15% din necesarul de energie al intregii tari. Spania ofera un model de dezvoltare a sectorului energiei eoliene, care poate fi aplicat oriunde in lume cu conditia implementarii unei legislatii ferme care sa aiba ca obiectiv dezvoltarea domeniului.

Considerand doar potentialul tehnic si economic amenajabil, de circa 2.500 MW, productia de energie electrica corespunzatoare ar fi de aproximativ 6.000 GWh pe an, ceea ce ar insemna 11% din productia totala de energie electrica a tarii noastre. Pentru a intelege semnificatia cifrelor de mai sus trebuie subliniate cateva lucruri:

- 6.000 GWh se pot obtine prin aderarea a 6.500.000 tone de carbune, 1,5 miliarde metri cubi de gaz sau 1.200.000 tone pacura;

- 6.000 GWh = 1.200.000 tone pacura = 300.000.000 $ anual. Altfel spus o reducere a importurilor de pacura cu peste 1,2 milioane tone si o economie anuala de peste 300 milioane de dolari.

- 6.000 GWh energie electrica produsa in termocentrale pe carbune, duc la eliminarea in atmosfera a peste 7 milioane tone bioxid de carbon. Prin producerea aceleiasi cantitati de energie in centrale eoliene emisiile de bioxid carbon ar fi zero.

- 6.000 GWh energie electrica produsa in centrale eoliene ar duce la crearea unui numar de peste 7.500 locuri de munca permanente si cel putin inca pe atat locuri de munca temporare.

In Germania, facand comparatie intre numarul de locuri de munca din domeniul energiei eoliene si cel al energiei nucleare, raportul este de 10 la 1 in favoarea energiei eoliene. Aceeasi unitate energetica creeaza de 10 ori mai multe locuri de munca.

Prin reducerea emisiilor de dioxid de carbon se pot obtine avantaje economice consistente. In momentul de fata, data fiind importanta deosebita pe plan european a masurilor de protejare a mediului, exista o piata pe care se tranzactioneaza unitati de emisii de CO₂. Mai exact spus de reducere a emisiilor de CO₂. Pretul pe tona de reducere de CO₂ a ajuns la un moment dat la valoarea de 30 euro, stabilizandu-se ulterior la circa 20 euro/ tona CO₂. Se estimeaza, insa, o crestere la tranzactionarea pina la 40 euro/ tona sau chiar mai mult. Se estimeaza ca pretul pe tona de CO₂ va ajunge la 100 euro in 2010. Prin comercializarea emisiilor de CO₂, Romania ar putea obtine peste 150 milioane euro anual. Emisiile de CO₂ asociate sectorului energetic au o importanta foarte mare, fiind raspunzatoare pentru mai mult de 50% din efectul cumulat al emisiilor de gaze cu efect de sera, emisii al caror principal efect este cel al modificarilor climatice.

Utilizari ale energiei eoliene

Energia eoliana a fost exploatata pe uscat de cand prima moara de vant a fost construita in vechea Persie in secolul VII. De atunci morile de vant sunt folosite pentru macinarea graului, pomparea apei, taierea lemnului sau pentru furnizarea altor forme de energie mecanica. Insa exploatarea pe scara larga a aparut abia in secolul XX, odata cu aparitia „morilor de vant” moderne – turbinele de vant ce pot genera o energie de ordinul MW.

Domenii actuale de utilizare a energiei eoliene:

- producerea de energie electrica;
- pomparea apei din puturi;
- transformarea energiei mecanice in energie termica;

- alimentarea cu energie electrica a locuintelor

Sistemele eoliene asigura electricitate pentru :

retele izolate;

retele centrale;

furnizare de energie la distanta;

suport pentru retele slabe;

reducerea expunerii la fluctuatiile pretului energiei;

reducerea pierderilor de transmitere si distributie.

Pentru utilizari de tipul „off-grid” ( utilizari ale energiei eoliene in scopuri personale, independente fata de alimentarea cu energie electrica de la o retea centrala) se folosesc turbine mici de la 50 W la 10 KW. Acestea se folosesc si pentru incarcarea acumulatorilor sau pentru pomparea apei.

Pentru utilizari in cadrul unor retele izolate se folosesc turbine de ordinul 10 kW – 200 kW. Aceasta metoda reduce costurile de generare in zone greu accesibile: sisteme hibrid vant-diesel.

Pentru utilizari in cadrul retelei centrale se folosesc turbine de ordinul 200 kW-5 MW.

Aceste turbine le gasim in fermele de vant cu turbine multiple. Sunt turbine de dimensiuni mari care formeaza parcuri eoliene. Acestea necesita un sistem de monitorizare si diagnoza.

Un exemplu de sistem pentru utilizarea casnica a energiei electrice eoliene este prezentat pe pagina urmatoare in fig.8.

Fig 8. Sistem pentru utilizarea casnica a energiei electrice eoliene

Acest sistem permite atat alimentarea unor consumatori de curent continuu, cat si alimentarea unor consumatori de curent alternativ prin intermediul unui invertor.

Ideile de utilizare a energiei eoliene trebuie trecute prin filtrul eficientei economice si este necesar sa se faca in special in zonele cu activitate eoliana intensa in cea mai mare parte a anului. Prin utilizarea energiei eoliene se economisesc combustibili fosili si sunt reduse emisiile de gaze cu efect de sera. Avand in vedere potentialul energetic foarte mare pentru utilizarea energiei eoliene in Romania, aceasta reprezinta o componenta foarte importanta a productiei energetice impreuna cu celelalte surse de energie regenerabila.

Siguranta energiei eoliene

Energia eoliana e o sursa de putere electrica promitatoare in viitor datorita ecologitatii si infinitatii sale. Totusi, pentru ca viteza vantului variaza in timpul zilei, sezonului sau anilor, energia generata de vant e o resursa intermitenta. In zonele de pe glob cu actiune puternica a vantului turbinele actioneaza in jur de 60% din timpul anului. Chiar si asa vantul poate fi insuficient pentru ca turbinele sa functioneze la capacitate maxima. Cu toate acestea tehnologia a reusit sa-si adapteze creatiile imbunatatindu-le si producand si alte aparate ce folosesc acest tip de energie.

Statisticile arata ca productia de energie electrica a turbinelor eoliene este comparabila cu cea produsa de hidrocentrale, la aceeasi putere instalata, adica ca si cand ar functiona o treime din timp la puterea nominala. Desigur ca cel mai important factor il reprezinta viteza vantului. In general se poate lua in consideratie montarea de turbine eoliene numai daca viteza medie a vantului este de peste 5-6 m/s. Studierea vitezei vantului trebuie facuta pentru amplasamentul respectiv pe o perioada de cel putin 6 luni, iar anemometrul este preferabil a fi amplasat la inaltimea viitoarei turbine. Cu cat masuratorile se fac pe o perioada mai mare de timp, cu atat aparatura de masura are precizie mai buna si cu cat amplasarea sa este mai apropiata de pozitia viitoarei turbine, cu atat calculele tehnico-economice vor fi mai apropiate de realitate.

Instalarea de turbine eoliene este eficienta, daca amplasarea este facuta dupa criterii stabilite cu multa grija. Suprafata terenului, configuratia sa, prezenta cladirilor sau a pomilor influenteaza viteza vantului. Terenul foarte variat sau obstacolele     mari pot crea turbulente care pot scadea productia de energie, in acelasi timp cu cresterea uzurii turbinei.
In zonele montane, izolate, montarea de turbine eoliene poate fi o solutie viabila. In acelasi timp poate sa apara dezavantajul productiei intermitente de energie si necesitatii de a avea inca o sursa de energie electrica in situatia ca nu este vant. Bineinteles, aceasta solutie cu amplasarea aditionala a unei alte surse de energie electrica reprezinta un cost in plus, deci inevitabil o investitie mai mare dar si o continuitate in alimentare.

De asemenea, prin amplasarea pe mare a turbinelor eoliene se castiga prin faptul ca viteza vantului este mai mare, nefiind influentat de obstacole, in schimb costul investitiei cat si al intretinerii este mai mare datorita cresterii complexitatii proiectului. Desigur ca pentru fiecare proiect in parte vor fi facute masuratori cat mai exacte ale vitezei vantului, pe perioade suficient de lungi de timp, cat si studii de fezabilitate care vor dovedi daca investitia este rentabila sau nu.

Marile avantaje ale utilizarii energiei eoliene pentru producerea de energie electrica sunt:

- protejarea mediului;

- cost de producere competitiv, comparativ cu cel al centralelor clasice;

- timpul redus de montaj;

- vantul este abundent, gratuit si inepuizabil;

- costul de producere nu este influentat de fluctuatiile pretului celorlalti combustibili.

Marele dezavantaj al turbinelor eoliene este reprezentat de caracterul intermitent al producerii de energie, precum si cel al fluctuatiilor de putere. Primul dezavantaj se compenseaza prin conectarea la Sistemul Energetic National, iar al doilea influenteaza din ce in ce mai putin datorita sistemelor moderne de reglaj.

Avand in vedere literatura de specialitate si normele privind protejarea mediului, productia de energie electrica din surse eoliene si din alte surse regenerabile de energie este o prioritate si o necesitate pentru viitorul alimentarii cu energie electrica.

2.Alcatuirea unei centrale eoliene

Centralele eoliene sunt grupuri de turbine eoliene, plasate in apropiere unele de altele cu scopul de a produce electricitate din energia eoliana. Turbinele eoliene sunt conectate la un sistem de tensiune medie ce este apoi transformat in curent de inalta tensiune prin intermediul unui transformator, pentru a putea fi livrat in sistemele de distribuire a electricitatii.

Zonele prielnice instalarii centralelor eoliene depind de viteza vantului (minim 15 km/h) in regiune pe toata perioada anului, altitudine (o inaltime mai mare inseamna o viteza mai mare a vantului, datorita vascozitatii reduse a vantului), relief si temperatura (temperaturile scazute necesita lichide de lubrifiere cu punct de inghetare scazut, materiale mai rezistente si chiar sisteme de incalzire a turbinei eoliene).

In functie de zona unde este instalata o centrala eoliana exista trei tipuri de amplasari:

Pe tarm - centrale eoliene asezate la 3 sau mai multi kilometri in interiorul tarmului. Amplasarea tine cont de efectul de accelerare a unei mase de aer peste un obstacol (in acest caz tarmul). Deoarece orice eroare de amplasare poate insemna o scadere masiva a cantitatii de electricitate generata se fac studii pe perioade de cel putin un an pentru determinarea locatiei propice pentru instalarea centralelor eoliene.

In apropierea tarmului - centrale eoliene asezate la maxim 3 kilometri in interiorul tarmului sau 10 kilometri in larg. Aceste centrale eoliene fructifica efectul de convectie al aerului datorita diferentelor de temperatura intre apa si pamant. Printre probleme se numara migratia pasarilor, habitatul acvatic, transportul si efectul vizual.

In larg - centrale eoliene plasate la peste 10 kilometri in larg. Nu patimesc de pe urma efectului vizual, nu genereaza zgomot si beneficiaza de o viteza medie a vantului mai mare. Printre dezavantaje se numara cheltuielile mai mari de construire, amplasare, mentenanta (in special cele plasate in apa sarata, care are un efect puternic coroziv). Daca distantele fata de tarm sunt suficient de mari, centralele eoliene plasate in larg pot fi conectate direct la o instalatie de curent de inalta tensiune.

O centrala eoliana este compusa din mai multe elemente care asigura functionarea corespunzatoare a acesteia.

Elementele componente ale unei centrale eoliene sunt:

Turnul

Nacela (cu elementele din interior)

Butucul rotorului

Paletele turbinei

Sistemul de pivotare

Invertorul

Transformatorul

Turnul este cel care sustine turbina eoliana si nacela , impreuna cu celelalte elemente mecanice, generatorul electric, sistemul de virare. In trecut aceste turnuri aveau intre 20 si 50 de metri, acum ajungand pana la 120-130 de metri. Pentru turbine medii si mari turnul este putin mai mare decat diametrul rotorului. Turbinele mici sunt montate in general in varful turnului la inaltimea de cateva diametre de rotor. In alt caz ele ar avea de suferit datorita conditiilor slabe de vant care le intalnim la nivelul solului. Un exemplu de turn eolian este prezentat in fig. 2.1.

Fig.2.1 Turn eolian

Turnurile sunt fabricate din beton sau din otel, ambele variante fiind folosite. Acestea se monteaza cu ajutorul unor macarale de dimensiuni mari. Acestea sunt montate pe fundatia aferenta. In interiorul acestuia se afla scarile de acces spre nacela si reteaua de distributie a energiei electrice produse de turbina eoliana. Un model de fundatie a turnului este prezentat in figura de mai jos (2.2).

Fig. 2.2 Fundatia unui turn de turbina eoliana

Nacela reprezinta carcasa in care sunt aflate elementele componente ale turbinei. Aceasta este amplasta in varful turnului. Nacela are rolul de a proteja componentele turbinei eoliene, care se monteaza in interiorul acesteia si anume: arborele principal, multiplicatorul de turatie, dispozitivul de franare, arborele de turatie ridicata, generatorul electric, sistemul de racire al generatorului electric si sistemul de pivotare. In fig 2.3 este prezentata o nacela a unei turbine eoliene de 2 MW.

fig 2.3 Nacela unei turbine eoliene

Butucul rotorului are rolul de a permite montarea paletelor turbinei si este montat pe arborele

principal al turbinei eoliene. Paletele turbinei sunt fixe in raport cu butucul rotorului.

Fig.2.4 Butucul rotorului

Paletele reprezinta unele dintre cele mai importante componente ale turbinelor eoliene si impreuna cu butucul alcatuiesc rotorul turbinei. Cel mai adesea, paletele sunt realizate cu aceleasi tehnologii utilizate si in industria aeronautica, din materiale compozite, care sa asigure simultan rezistenta mecanica, flexibilitate, elasticitate si greutate redusa. Uneori se utilizeaza la constructia paletelor si materiale metalice sau chiar lemnul. In figura 2.5 sunt prezentate doua palete ale unor turbine de mari dimensiuni.

Fig 2.5. Paletele unor turbine de mari dimensiuni

Sistemul de pivotare al turbinei eoliene, are rolul de a permite orientarea turbinei dupa directia vantului. Componentele principale ale acestui sistem sunt motorul de pivotare si elementul de transmisie a miscarii(ambele prezentate in fig 2.6). Ambele componente au prevazute elemente de angrenare cu roti dintate. Acest mecanism este antrenat in miscare cu ajutorul unui sistem automatizat, la orice schimbare a directiei vantului, sesizata de girueta.

Fig. 2.6. Motorul sistemului de pivotare si elementul de transmisie al sistemului de pivotare

Invertorul este un dispozitiv care face conversia curentului continuu (DC) in curent alternativ(AC) asigurand calitatea frecventei de 50 de Hz , pentru alimentarea consumatorilor sau pentru distribuirea energiei catre transformatorul de tensiune.

Transformatorul are rolul de a modifica tensiunea primita de la invertor (joasa tensiune) intr-o valoare ridicata pentru distribuirea acesteia in retele de medie (20 kV) sau inalta tensiune (110 kV). In fig 2.7 este prezentat un transformator de medie tensiune 20kV/0,4 kV.

Fig 2.7 Trafo de medie tensiune 20 kV/0,4 kV

2.1. Structura unei turbine eoliene

Turbina eoliana este o masina care converteste energia cinetica a vantului in energie mecanica. Daca energia mecanica este ulterior convertita in electricitate, atunci masina se numeste generator eolian, turbina eoliana sau convertor de energie a vantului.

Tipuri de Turbine Eoliene

Turbinele eoliene pot fi separate in doua categorii, in functie de axa dupa care turbina se roteste. Cele care au axa de rotatie orizontala sunt cele mai raspandite, cele cu axa verticala fiind mai rar intalnite.

Turbine cu ax orizontal

Turbinele cu ax orizontal au rotorul si generatorul electric in varful unui turn. Turbinele mici sunt antrenate in miscare la viteze mici ale vantului, in timp ce turbinele mari folosesc de obicei un senzor cuplat cu un servo-motor. Acesta necesita o cutie de viteze care transforma rotatia lenta a palelor intr-o rotatie mai rapida, fiind mai convenabil pentru producerea energiei electrice.    Deoarece turnul de sustinere produce turbulente, turbina este de obicei plasatē iŮainࡴea turnului. In plõs, palele sunt plasate la o distantē considerabila inࠠfáta turnul⁵i.

Sistemele cuȠturɢinš plasata in sðatele!turnului au 䁦ost construiteȠdeoarece ele nu necesita un mecanism adi腣ional de sustinere a palelor pe directia vantului, si deoarece la viteze foarte mari ale vantului, palele se pot curba, pentru a diminua rezistenta vantului.

Avantajele turbinelor cu ax orizontal:

- Palele se gasesc pe aceeasi parte a centrului de gravitatie al turbinei, ajutand astfel la stabilitatea constructiei;

- Abilitatea de a se orienta dupa directia vantului, ceea ce-i ofera cel mai bun unghi de atac, deci turbina preia maximul din energia vantului in orice moment al zilei sau in orice sezon;

- Posibilitatea de a inclina rotorul in caz de furtuna, pentru a minimiza defectele;

- Turnul inalt de sustinere permite amplasarea turbinei pe orice suprafata;

- Pot fi plasate in padure, deasupra coronamentului copacilor;

- Majoritatea pornesc automat.

Dezavantajele turbinelor cu ax orizontal:

- Turnul inalt si palele lungi (mai mari de 55 m) sunt greu de transportat pe mare si pe uscat, transportul costand 20% din costul echipamentelor;

- Nu pot functiona la inaltime prea mica pentru ca este necesar ca vantul sa aiba o curgere laminara;

- Sunt greu de instalat, necesitand specialisti care sa realizeze aceasta operatiune;

Un exemplu de turbina eoliana cu ax orizonal avem in fig. 2.8.

Fig. 2.8 Turbina eoliana cu ax orizontal

Turbine cu ax vertical

La acest tip de turbine, rotorul de invarte dupa un ax vertical. Avantajul acestei aranjari este ca generatorul si/sau cutia de viteze pot fi plasate jos, in apropierea solului, deci turnul nu e nevoie sa le sustina, iar turbina nu e necesar sa fie plasata in calea vantului.

Avantajele turbinelor cu ax vertical:

- Usor de intretinut pentru ca majoritatea partilor in miscare sunt in apropierea solului;

- Deoarece axul de rotatie e vertical, nu mai este nevoie de rulmenti de sustinere;

- Usor de transportat si de instalat(pentru cele mici);

Dezavantajele turbinelor cu ax vertical:

- Majoritatea turbinelor cu ax vertical produc energie cu o eficienta de 50% in comparatie cu cele cu ax orizontal;

- Necesita instalarea pe un teren relativ plat;

- Majoritatea necesita un consum de energie pentru a porni.

Un exemplu de turbine cu ax vertical il reprezinta turbinele Darrieus.

Turbinele Darrieus: au eficacitate buna, dar produc tensiuni in stalpii de sustinere ceea ce duce la o rentabilitate scazuta. In general acestea necesita o sursa exterioara de energie pentru a fi puse in miscare deoarece cuplul la pornire este scazut. Vibratiile produse sunt diminuate prin amplasarea a trei sau mai multe pale, rezultand o stabilitate mai buna a structurii. Mai jos este prezentata o turbina de tip Darrieus (fig. 2.9).

Fig. 2.9 Turbina eoliana cu ax vertical Darrieus

Instalarea turbinelor eoliene este eficienta, daca amplasarea este facuta dupa criterii bine stabilite cum ar fi suprafata terenului, configuratia sa, prezenta cladirilor sau a pomilor. In zonele montane, izolate, montarea de turbine eoliene poate fi o solutie viabila, insa in acelasi timp trebuie sa se ia in consideratie si situatiile in care nu bate vantul in acea zona geografica. De asemenea, prin amplasarea lor pe mare se castiga prin faptul ca viteza vantului este mai mare, nefiind influentat de obstacole, in schimb creste costul investitiei si al intretinerii.

Pentru fiecare proiect vor fi facute masuratori cat mai exacte ale vitezei vantului pe perioade destul de lungi, cat si studii de fezabilitate care vor dovedi daca investitia este buna sau nu.

Criterii de amplasare ale turbinelor eoliene:

sa asigure o viteza a vantului cat mai constanta in functie de marimea turbinei eoliene;
- asigurarea unei circulatii laminare a curentului de aer, pe o durata cat mai mare a anului;
- de preferat sa se amplaseze pe coline domoale, dealuri rotunjite, zone de litoral;
- de evitat relieful stancos, ascutit si obstacole diferite ( paduri, ziduri, constructii, etc);
- consultarea hartilor meteorologice cu distributia de frecventa a vitezei vanturilor;
- variatiile de directie a vantului, sa nu fie mari in perioade scurte de timp.

In continuare vom detalia partile componente ale turbinei eoliene ale caror procese determina functionarea ei corespunzatoare. Pentru aceasta ne vom ajuta de figura de mai jos(fig. 2.10).

Fig. 2.10. Partile componente ale turbinei eoliene

In figura de mai sus elementele componente sunt: 1. pala; 2. rulmentul palei; 3. arborele de conectare al palei; 4. butucul rotorului; 5. botul; 6. arborele principal; 7. carcasa frontala a generatorului; 8. carcasa din spate a generatorului; 9. rotor; 10. stator; 11. nacela; 12. unitatea hidraulica; 13. carcasa din spate a nacelei; 14. carcasa din fata a nacelei; 15. anemograf; 16. paratraznet; 17. anemometru; 18. pilon.

Palele reprezinta o parte foarte importanta a turbinei eoliene. Impreuna cu butucul alcatuiesc rotorul turbinei. Acestea sunt o parte destul de sensibila a turbinei. Cu ajutorul unor servomotoare directia palelor este schimbata la sesizarea anemografului.

Servomotoarele actioneaza independent, astfel in cazul unei defectiuni celelalte motoare preiau sarcina de rotire a palei a carui motor s-a defectat astfel evitand supraincarcarea. De asemenea ele actioneaza si ca frane. Un exemplu este prezentat in figura de mai jos (fig. 2.11.)

Fig. 2.11. Servomotorul turbinei eoliene

In functie de viteza vantului palele trebuiesc pozitionate (aliniate) corect pentru ca puterea oferita de vant sa fie cat mai ridicata. Rulmentul palei ajuta la pozitionarea corecta a palelor.

Butucul rotorului are rolul de a fi un suport pentru palele turbinei si la randul lui este montat pe arborele principal. Palele turbinei sunt fixe in raport cu butucul rotorului.

Arborele principal si cel secundar. Arborele principal se mai numeste arborele lent, deoarece el se roteste cu viteze de ordinul a 20 - 40 rot/min. Prin intermediul multiplicatorului, el transmite miscarea, arborelui secundar. Arborele secundar antreneaza generatorul electric, sincron sau asincron, ce are una sau doua perechi de poli. El este echipat cu o frana mecanica cu disc (dispozitiv de securitate), care limiteaza viteza de rotatie in cazul unui vant violent. In figura 2.12. putem observa arborele principal al unei turbine eoliene.

Fig. 2.12. Arborele principal al unei turbine eoliene

Arborele de turatie ridicata denumit si arbore secundar sau cuplaj, are rolul de a transmite miscarea de la multiplicatorul de turatie la generatorul electric. Turatia acestui arbore, ca si cea a generatorului electric, are valori intre 1200 . 1800 rot/min. In figura de mai jos (fig. 2.13.) este prezentat arborele de turatie ridicata.

Fig. 2.13. Arborele de turatie ridicata (secundar) al turbinei eoliene

Multiplicatorul de turatie cu roti dintate are rolul de a mari turatia de la valoarea redusa a arborelui principal, la valoarea ridicata de care are nevoie generatorul de curent electric. El se monteaza pe arborele principal. In fig. 2.14 avem prezentat un multiplicator de turatie eolian.

Fig. 2.14. Multiplicator de turatie eolian

Dispozitivul de franare este un dispozitiv de siguranta si se monteaza pe arborele de turatie ridicata, intre multiplicatorul de turatie si generatorul electric. Viteza de rotatie a turbinei este mentinuta constanta prin reglarea unghiului de inclinare a paletelor in functie de viteza vantului si nu prin franarea arborelui secundar al turbinei. Dispozitivul de franare (cel mai adesea hidraulic, iar uneori mecanic) este utilizat numai in cazul in care mecanismul de reglare a unghiului de inclinare a paletelor nu functioneaza corect, sau pentru franarea completa a turbinei in cazul in care se efectueaza operatii de intretinere sau reparatii. In fig. 2.15 este prezentat un dispozitiv de franare eolian.

Fig. 2.15. Dispozitivul de franare eolian

Generatorul electric are rolul de a converti energia mecanica a arborelui de turatie ridicata al turbinei eoliene, in energie electrica. Spirele rotorului se rotesc in campul magnetic generat de stator si astfel, in spire se induce curent electric. Exista atat generatoare electrice care furnizeaza curent continuu (de regula pentru aplicatii casnice si turbine de dimensiuni reduse), cat si generatoare electrice cu curent alternativ intr-o gama extrem de variata de puteri. In figura 2.16. este prezentat generatorul electric al unei turbine eoliene de 5 MW, cea mai mare din lume in martie 2005

Fig. 2.16. Generatorul eolian al unei turbine de 5 MW

Sistemul de racire al generatorului electric preia excesul de caldura produs in timpul

functionarii acestuia. In figura 2.16 se observa ca racirea este asigurata de un ventilator centrifugal, iar generatoarele de putere mai redusa au racirea asigurata de ventilatoare axiale. Uneori sistemul de racire al generatoarelor electrice este proiectat sa functioneze cu apa de racire, caz in care exista un circuit suplimentar pentru racirea apei.

Anemograful transmite directia vantului computerului ce corecteaza pozitia palelor si a nacelei prin servomotoare. La anemograf transmiterea informatiilor se face electric. Elementul de masurare genereaza un curent alternativ cu o frecventa direct proportionala cu viteza vantului. Anemograful are in varf o sageata care ofera o rezistenta mare la variatiile aerului spre directia in care vantul bate. Directia vantului este determinata de un compas.

Anemometrul este un sistem complet pentru masurarea si inregistrarea cu precizie a vitezei vantului. Astfel la 4-5 m/s turbina porneste, la 20-25 m/s intra in regim nominal unde daca viteza depaseste cu mult 25 m/s se actioneaza frana pentru a preveni avarierea instalatiei. Inainte de construirea turbinei trebuie sa se studieze viteza vantului pe cel putin o perioada de 6 luni, si pentru acesta trebuie ca anemometrul fiind amplasat la inaltimea viitoarei turbine.

Inregistratorul poate inregistra pana la 16383 citiri (valori medii ale intervalului presetat) pe o memorie nonvolatila in stare solida, care furnizeaza securitate maxima a datelor chiar daca bateria se descarca. Sistemul poate fi pornit si oprit direct de pe un PC cu ajutorul software-ului. Rezultatul final este o colectie de puncte de date, fiecare dintre ele reprezentand viteza medie a vantului in intervalul respectiv. Viteza medie a vantului este informatia captata pentru fiecare interval. In figura 2.17 sunt prezentate anemograful si anemometrul.

Fig. 2.17. Anemograful si anemometrul unei turbine eoliene

Paratraznetul asigura protectia turbinei eoliene contra traznetelor si a fulgerelor, astfel convertorul se intrerupe pentru circa 3 minute, datele fiind revizuite si analizate permanent.

Fig. 2.18. Paratraznetul turbinei eoliene

Sistemul electronic de control a functionarii generale a eolienei si a mecanismului de orientare. El asigura pornirea eolienei, reglarea inclinarii palelor, franarea, ca si orientarea nacelei in raport cu vantul.

Sistemul de orientare a nacelei este constituit dintr-o coroana dintata (cremaliera) echipata cu un motor. El asigura orientare eolienei si 'blocarea' acesteia pe axa vantului, cu ajutorul unei frane. Nacela contine generatorul electric asigurand si o protectie mecanica.

Blocul de automatizare cuprinde componentele electronice pentru invertor si convertorul de vant. Acesta este format dintr-un sistem multiprocesor pentru managementul procesului al intregii turbine, acest computer face simultan atat diagnostic cat si inregistrare de date, astfel senzorii componenti ai turbinei sunt activati astfel sa calculeze parametri de control si raportul de control pentru controlul inclinarii, viteza, puterea furnizata si alti parametri. Invertorul are incorporat un sistem de anulare a armonicilor.

Fig. 2.19. Blocul de automatizare al unei turbine eoliene

Toate turbinele eoliene au aparate proprii de masurare a parametrilor vantului si pe baza informatiilor culese de acestea computerul propriu realizeaza ajustarile necesare pentru o functionare optima fara sa fie necesara in permanenta prezenta unui operator uman. De obicei, turbinele organizate in parcuri sau nu, includ mijloace de verificare si comanda la distanta, facand astfel mai usor managementul unitatilor de productie. Fiind o instalatie in miscare exista uzuri si costuri de intretinere. Privind lucrurile din aceasta perspectiva, investitorii trebuie sa aiba in vedere toate aspectele implicate, considerand marimea investitiei si perioada de amortizare relativ lunga.

2.2 Caracteristici tehnice ale turbinelor

In cazul turbinelor eoliene din cadrul unui parc eolian se folosesc turbine cu dimensiuni de regula intre 200 kW - 5 MW. Componentele acestor turbine eoliene folosite in cadrul parcurilor eoliene au diferite caracteristici tehnice in functie de dimensiunile lor.

Realizarea turbinelor eoliene si amplasarea lor este in stransa legatura cu viteza vantului din zona de amenajare a parcului. Din aceasta cauza turbinele eoliene sunt alese in functie de caracteristicile tehnice ale componentelor pentru a avea un randament ridicat in zona aleasa.

In continuare sunt prezentate caracteristicile tehnice ale turbinelor eoliene:

Diametrul rotorului - in functie de puterea turbinei acest diametru are diferite dimensiuni. Diametrul rotorului unei turbine eoliene are valori mici pentru turbinele de putere mica si valori mari pentru turbinele de valori mari. Acesta este cuprins intre cativa metri si poate ajunge la 100-130 metri (pentru turbinele de ordinul MW).

Aria baleiata a rotorului – cu cat diametrul rotorului este mai mare cu atat aria va fi mai mare.

Numarul de pale – difera in functie de tipul turbinei. Turbinele eoliene moderne sunt prevazute cu 2-3 pale. Cele mai des intalnite au 3 pale.

Profilul palelor – profilul palelor este foarte important deoarece palele sunt cele care capteaza energia vantului si o transmit rotorului. Profilul palelor este ales dupa studii aerodinamice complexe, de el depinzand randamentul turbinei. Latimea palelor determina cuplul de pornire care va fi cu atat mai mare cu cat acestea sunt mai late.

Puterea nominala la viteza vantului – reprezinta puterea maxima pe care turbina o poate atinge la o viteza a vantului pentru care aceasta a fost proiectata.

Orientarea la vant – orientarea palelor spre directia din care bate vantul se realizeaza cu ajutorul unor servomotoare. Acestea actioneaza independent, astfel in cazul unei defectiuni celelalte motoare preiau sarcina de rotire a palei a carui motor s-a defectat astfel evitand supraincarcarea.

Pozitionarea palelor – butucul este prevazut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotatie a turbinei eoliene(priza de vant).

Tensiunea de intrare a invertorului – 12 – 48 V curent continuu;

Tensiunea de iesire a invertorului - 230 VAC/50Hz;

Viteza vantului de pornire – este viteza la care turbina porneste. Aceasta poate avea diferite valori in functie de turbina (2 m/s ..7-8 m/s).

Generator - Generatorul electric asigura producerea energiei electrice. Puterea sa atinge 5 MW pentru cele mai mari eoliene. Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Datorita pretului si randamentului, se utilizeaza, aproape in totalitate, generatoare de curent alternativ. Generatoarele de curent alternativ pot fi sincrone sau asincrone, functionand la viteze fixe sau variabile.

Materialul palelor – palele se fabrica din mai multe tipuri de materiale: fibra de sticla, fibra de carbon, lemn (in unele cazuri), materiale compozite, tabla otel, PVC sau alt material plastic, tabla aluminiu;

Masa turbinei – poate ajunge de la cateva sute de kilograme la ordinul zecilor sau chiar sutelor de tone.

Turnul – are rolul de a sustine nacela. Poate avea inaltimea cuprinsa intre 10m-130m (pentru cele mai mari turbine eoliene).

2.3. Conectarea la retea

O dezvoltare deosebita au avut-o, in ultimii ani, sursele de energie electrica care utilizeaza energie cinetica a maselor de aer in miscare, ajungandu-se astazi la unitati de cativa MW si parcuri eoliene cu zeci de unitati. Avand in vedere faptul ca, in urmatorul deceniu, in Romania vor fi instalate probabil unitati cu putere totala de peste 3500 MW, prezinta un interes deosebit, atat analiza problemelor tehnice de operare, control, protectie, mentenanta, cat si a celor privind asigurarea calitatii energiei electrice furnizata consumatorilor din reteaua de distributie la care sunt conectate aceste instalatii.

Principalele probleme sunt:

- solicitarile suplimentare ale retelei electrice in regim normal de functionare si in regim de scurtcircuit (cresterea curentului electric de scurtcircuit in reteaua de distributie);

- rezolvarea problemelor de calitate a energiei electrice;

- modificarea profilului de tensiune in reteaua de distributie, modificarea circulatiei de putere activa si reactiva precum si modificarea procedurilor de control a tensiunilor in nodurile retelei;

- stabilirea modului in care sistemele de generare distribuita raspund la perturbatiile normale din reteaua electrica;

- modificarea schemelor de protectie din reteaua electrica;

- insularizarea si operatiile de restabilire a sincronismului;

- securitatea muncii in sistemele de generare distribuita.

Schema cea mai simpla de conectare a grupurilor eoliene este schema directa (fig. 2.20).

Fig. 2.20 Conectarea directa la reteaua electrica a unui generator asincron

Utilizarea acestei scheme permite transmiterea directa in reteaua de alimentare a tuturor perturbatiilor determinate de functionarea instalatiei SRE. Ea este caracterizata de un nivel ridicat al fluctuatiilor de tensiune, pentru toate cele trei componente ale acestei perturbatii:

- variatiile ale tensiunii la borne datorate variatiilor lente ale vitezei vantului;

- fluctuatii de tensiune determinate de fenomene specifice procesului de conversie (de exemplu, fenomen de „umbrire” la trecerea palelor in dreptul turnului, conectari si deconectari succesive ale instalatiei);

- fluctuatii rapide determinate, in special, de procese care au loc pe durata pornirii instalatiei.

Utilizarea unei scheme de tipul indicat in figura 2.20 in cazul parcurilor de instalatii eoliene poate determina importante perturbatii sub forma de fluctuatii de tensiune datorita „sincronizarii” tuturor generatoarelor asincrone si deci aparitiei fluctuatiilor de tensiune la acelasi moment.

Schema din figura 2.20 este caracterizata si de o eficienta relativ redusa, avand in vedere faptul ca viteza de antrenare a masinii asincrone, dependenta de viteza de rotatie a palelor nu poate fi mentinuta permanent, astfel ca micile abaterile de la viteza normata, genereaza pierderi, care se disipa in rotorul masinii sau sunt preluate de sistemul de franare (calare) al instalatiei.

Schema mentionata in figura 2.20, nu determina, in cazurile normale, armonice si nici nesimetrie avand in vedere faptul ca masina este astfel realizata incat sa asigure la borne tensiuni sinusoidale si simetrice. Aceasta schema este insa sensibila la perturbatii sub forma de armonice sau nesimetrie in curbele de tensiune din nodul in care este conectata instalatia.

Schema cu dubla alimentare (figura 2.21) permite recuperarea pierderilor datorate abaterilor vitezei de antrenare fata de viteza necesara realizarii puterii normate printr-o legatura a rotorului la reteaua electrica de alimentare. Avand in vedere existenta frecventelor diferite (in rotor frecventa este foarte redusa si egala cu fr = s fs unde s este alunecarea masinii, iar fs = f = 50 Hz este frecventa din stator), legatura intre reteaua cu frecventa de f = 50 Hz si rotorul bobinat al masinii parcurs de curenti de frecventa fr = s fs se face prin intermediul unui circuit convertor bidirectional. In cazul in care viteza de antrenare a masinii este superioara vitezei sincrone, puterea de pierderi din rotorul masinii este transferata in reteaua electrica prin circuitul de conversie. Daca viteza masinii scade sub viteza de sincronism atunci prin intermediul convertorului este suplimentata puterea necesara, prin injectie in rotor. In acest mod de functionare masina are o comportare de masina sincrona.

Fig. 2.21. Schema cu dubla alimentare a unui generator asincron

Schema cu dubla alimentare realizeaza o crestere a eficientei conversiei din energia cinetica a vantului in energia electrica a generatorului asincron, nu determina nesimetrie in reteaua electrica, dar poate produce fluctuatii de tensiune la acelasi nivel ca si schema din figura 2.20. Functionarea convertorului in circuitul rotorului (desi convertorul este de putere nominala mult redusa fata de puterea nominala a masinii asincrone) poate fi insotita de aparitia de armonice si inter-amonice de frecventa redusa (egala sau multiplu al frecventei curentilor din rotor). In mare masura, tipul de filtru din circuitul intermediar dintre cele doua convertoare (filtru de tensiune, cu condensator, sau filtru de curent electric, cu bobina) determina nivelul de perturbatii armonice in reteaua electrica la care este conectata instalatia (in lipsa filtrului la iesirea spre transformatorul de retea a convertorului bidirectional).

Schemele din figurile 2.20 si 2.21 sunt caracterizate de prezenta a doi arbori cu viteza de rotatie diferita.

Schema cu generator sincron (figura 2.22) asigura legatura cu reteaua electrica prin intermediul unui convertor de frecventa; se utilizeaza un singur arbore de viteza redusa si generator sincron cu un mare numar de poli.

Fig. 2.22. Schema de conectare la reteaua electrica a unei instalatii eoliene cu generator sincron

Se asigura separarea electrica a tensiunii alternative, de frecventa variabila fs, de la bornele generatorului sincron, fata de tensiunea alternativa, de frecventa fixa (f = 50 Hz) a retelei electrice la care este conectata instalatia. In acest fel, fluctuatiile rapide de tensiune de la bornele generatorului sincron se transmit ate-nuat pana la reteaua electrica de alimentare. De asemenea, la o functionare normala a invertorului nu apare nesimetrie in nodul de conectare la reteaua electrica de medie tensiune.

Prezenta convertorului de frecventa determina insa posibilitatea aparitiei de armonice in reteaua electrica de MT [20 kV]. Prin utilizarea controlului PWM (Pulse Width Modulation) al invertorului instalatiei si a filtrului de la iesirea invertorului (inclusiv inductivitatea de scapari a transformatorului ridicator T) se asigura controlul nivelului armonicelor transmise in reteaua electrica la valori sub cele admise in retea. Utilizarea controlului PWM pentru comanda invertorului impune insa necesitatea analizei problemelor de compatibilitate electromagnetica pentru fe-nomenele care apar la sintetizarea curbei tensiunii alternative cu frecventa de 50 Hz. Schema din figura 2.22 este utilizata in solutiile moderne utilizand generator sincron cu poli realizati din magnet permanent.

2.4 Analize tehnico-economice privind centralele eoliene

Analizele tehnico-economice ale proiectelor pentru folosirea surselor regenerabile de energie sunt esentiale pentru a diminua riscurile tehnice si financiare care pot aparea in desfasurarea acestor proiecte. Cele mai moderne programe de simulari pe computer ofera posibilitatea unor analize tehnice doar pentru unele tipuri de surse regenerabile de energie. Pentru analiza centralelor eoliene exista aplicatii destul de bine puse la punct, dar costul acestora este foarte ridicat. Un alt impediment pentru folosirea acestor aplicatii ar fi si pregatirea personalului care se ocupa de monitorizare, aplicatiile fiind destul de complexe si putand fi utilizate doar de specialisti.

Viabilitatea economica a unei centrale in stare de proiectare este influentata de cativa factori care contribuie la profitabilitatea asteptata. Din moment ce profitabilitatea variaza proportional cu variatiile factorilor, sensibilitatea profitabilitatii este analizata in jurul valorii asteptate. Analiza de sensibilitate creste interesul potentialilor investitori. Acest lucru este foarte important pentru sistemele eoliene a caror profitabilitate se afla in stransa legatura cu variatiile de viteza a vantului.

2.4.1 Factorul de distributie al energiei electrice

Cel mai bun reper al performantei economice in cadrul unei centrale eoliene il reprezinta energia livrata de-a lungul unui an. Nu toata energia produsa este livrata consumatorilor. O parte din aceasta este folosita pentru a alimenta serviciile proprii ale centralei si pentru iluminat. Intr-un parc eolian cam 90% din energia produsa este livrata consumatorilor si restul de 10% se foloseste pentru alimentarea serviciilor proprii.

Cantitatea de energie livrata depinde de maximul capacitatii locului (zonei) si de cat de bine este folosita acea capacitate pe parcusul fiecarei ore a anului. Masura standardizata pentru performanta economica a unei centrale o reprezinta factorul de livrare a energiei.

Media anuala a factorului de livrare a energiei:

kWh livrati pe parcus de un an capacitatea instalata × numarul de ore dintr-un an)

Factorul de livrare a energiei este folositor la comparatii ale unor zone fata de altele sau la stabilirea performantelor anuale ale unei zone. Centralele eoliene au media anuala a factorului de livrare a energiei in jurul a 30%, unele dintre acestea raportand valori de 40%. Factorul de livrare a energiei fermelor eoliene variaza in functie de sezon si acest lucru trebuie luat in considerare.

2.4.2. Analiza de sensibilitate

Estimarea aproape corecta a pretului energiei electrice produse nu este de ajuns. Cei care se ocupa de proiecte trebuie sa ia in considerare si sa realizeze o analiza de sensibilitate. In aceasta analiza costul energiei este estimat in functie de o serie de parametri care variaza in jurul valorii de referinta. Sensibilitatea costului energiei depinde in principal de urmatorii doi factori:

Variatii ale vitezei vantului

Variatii ale radiatiei solare

Efecte ale variatiei vitezei vantului

Din moment ce energia produsa a centralei eoliene variaza cu cubul vitezei vantului, un anumit procent schimbat in viteza vantului, poate avea un impact important asupra economiei centralei. De exemplu, daca media anuala a vitezei vantului este 10 m/s, costul energiei este calculat pentru viteze ale vantului intre 8 m/s si 12 m/s. Locul de amplasare al centralei este considerat viabil din punct de vedere economic numai daca centrala este profitabila si la viteza de 8 m/s.

Efecte ale inaltimii turnului

Inaltimea turnului variaza de la aproximativ patru diametre de rotor pentru turbinele de ordinul kW la aproximativ un diametru si ceva pentru turbinele de ordinul sutelor de kW. Inaltimea turnului pentru turbinele mari este determinata in principal de structura turnului si de design-ul fundatiei acestuia. Inaltimea turnului pentru turbinele mici este determinata in functie de viteza vantului necesara turbinei. Cu cat turbina este pozitionata mai sus cu atat viteza vantului va fi mai mare. Turbina reprezinta peste 25 % din costul investitiei centralei eoliene. Din moment ce viteza vantului creste cu inaltimea turnului, putem produce mai multa energie de la aceeasi turbina, instaland-o pe un turn mai inalt, deci reducem si costul energiei produse.

2.4.3 Indicele de profitabilitate

Ca la majoritatea proiectelor conventionale, profitabilitatea se masoara cu ajutorul indicelui de profitabilitate(PI), definit astfel:

Indicele de profitabilitate (PI) =( valoarea prezenta a incasarilor viitoare - costurile initiale ale proiectului) / costurile initiale ale proiectului .

Prin definitie, valoarea zero a indicelui de profitabilitate reprezinta punctul de mijloc.

Profitabilitatea, evident depinde de pretul la care centrala poate vinde energia produsa. In schimb, pretul la care centrala poate vinde este reglementat de pretul pietei, cel cu care sunt taxati consumatorii locali. Regiunile cu un pret ridicat al energiei electrice ar putea fi profitabile, daca costul de realizare al centralei nu este mare.

Intr-o analiza de profitabilitate a unei centrale eoliene sunt incluse urmatoarele:

posibilitatea amplasarii intr-un anumit loc a unei centrale eoliene in functie de viteza vantului la botul turbinei;

costurile initiale de instalare a unei centrale eoliene;

costurile totale, nivelul ratei dobanzii in cazul unui imprumut;

durata de viata a centralei;

costurile de operare si de mentenanta;

pretul mediu de vanzare al energiei produse de centrala.

O analiza detaliata de profitabilitate cu indicatorii de mai sus inclusi in ea este absolut necesara inainte de a face investitii financiare in acest domeniu. Investitorii pot face analize initiale de profitabilitate cu ajutorul unor date extrase din tabele deja existente.

Prin crearea de centrale eoliene, nu se mai risipesc combustibilii fosili, acestia putand fi tranzactionati pe pietele internationale pentru a putea obtine un profit in plus.

3. Fiabilitatea centralelor eoliene

Definita din punct de vedere calitativ, fiabilitatea reprezinta capacitatea unui sistem de a functiona fara defectiuni, la parametri acceptabili, in decursul unui anumit interval de timp, in conditii de exploatare bine precizate. Definita din punct de vedere cantitativ, fiabilitatea unui sistem reprezinta probabilitatea ca acesta sa-si indeplineasca functiile sale cu anumite performante si fara defectiuni, intr-un anumit interval de timp si in conditii de exploatare specificate.

Fiabilitatea este un atribut al echipamentelor care nu trebuie ignorat. Caracteristicile de fiabilitate reprezinta ”ingredientele” critice pentru orice activitate de proiectare a echipamentelor industriale. Este de preferat sa se tina cont de aspectele legate de fiabilitate inca din faza de proiectare decat sa nu se faca acest lucru in speranta ca lucrurile vor merge bine.

Un sistem poate fi compus din mai multe subsisteme. Functionarea fiecǎrui subsistem se reflectǎ intr-un anumit mod in functionarea ansamblului. Relatia intreg-parte, sistem-componentǎ nu poate fi totdeauna definitǎ univoc. In principiu orice sistem este alcǎtuit din pǎrti. Detalierea in pǎrti este de cele mai multe ori la alegerea analistului de sistem. Frecvent pǎrtile corespund unor subunitǎti structurale clar diferentiabile fizic.

Indeplinirea functiilor individuale ale sistemului este conditionata de modul in care elementele componente isi indeplinesc propriile functii, ceea ce duce la concluzia ca fiabilitatea sistemului este dependenta de fiabilitatea elementelor componente.

La inceput, un important dezavantaj al productiei de energie eoliana a fost pretul destul de mare de producere si fiabilitatea relativ redusa a turbinelor. In ultimii ani insa pretul de productie pe unitate de energie electrica a scazut drastic, ajungand pana la cifre de ordinul 3-4 eurocenti pe kilowatt ora, prin imbunatatirea parametrilor tehnici ai turbinelor.

Fiabilitatea are ca obiect:

-studiul defectiunilor (cauze, procese de aparitie si dezvoltare, metode de combatere);

-aprecierea cantitativa a comportarii produselor in timp, ca functie de factorii de influentare interni si externi;

-stabilirea metodelor si modelelor de calcul si de prognoza a fiabilitatii, pe baza incercarilor specifice si a urmaririi comportarii in exploatare a produselor;

-stabilirea metodelor constructive tehnologice si de exploatare pentru mentinerea si cresterea fiabilitatii sistemelor, dispozitivelor si elementelor componente;

-stabilirea metodelor de selectare si prelucrare a datelor privind fiabilitatea produselor;

-determinarea valorilor optime pentru indicatorii de fiabilitate.

Perspective si limite

Cresterea complexitatii sistemelor tehnice, a gradului de implementare sociala a lor, intensificarea regimurilor lor de lucru face ca studiul fiabilitatii acestora sa castige tot mai mult in importanta.

Sistemele de comanda preiau conducerea unor agregate si procese tehnologice foarte importante a caror nefunctionare poate avea uneori efecte dezastruoase. Un grup cazan-turbina-generator al unei termocentrale cu puterea unitara de 300 MW are de 2,5 ori mai multa aparatura de automatizare decat cel de 150 MW.

In general, efectele defectarii unui element au consecinte infinit mai mari decat costul elementului. De fiabilitatea produsului depinde (de exemplu, daca acesta face parte din sistemele de automatizare complexa sau energetice) productivitatea muncii, calitatea productiei si in unele cazuri chiar viata oamenilor. Un scurtcircuit neizolat de protectiile electrice intr-o celula electrica a unei statii de medie tensiune la care se racordeaza hidrogeneratoarele poate duce la distrugerea totala a echipamentului, prin incendiu si, urmare a gazelor toxice emanate, poate pune in pericol atat viata personalului de exploatare cat si a personalului de interventie. Costul eliminarii consecintelor este de mii de ori mai mare decat elementul a carui defectare a produs evenimentul accidental.

Efectele economice ale lipsei de fiabilitate a produselor pot fi evidentiate dupa mai multe aspecte:

- costul reparatiilor in materiale si forta de munca (poate atinge pana la 9% din forta de munca);

nerealizarea productiei (6% din timp pentru utilaje complexe);

Limitele studiului fiabilitatii pot fi gasite in lipsa datelor de intrare pentru calcule, rezultata din:

- nivelul redus al civilizatiei industriale;

- viteza mare de reinnoire a produselor;

- complexitatea modelelor care, pentru a reflecta fidel realitatea devin inabordabile matematic iar pentru a fi abordabile nu mai corespund realitatii; situatia se rezolva prin compromis (optimizare).

Abordarea calitativa

Fiabilitatea este capacitatea (aptitudinea) entitatii considerate (sistem, componenta, produs) de a indeplini cerintele de functionare nominale (functia specificata), in conditii de mediu si solicitare in functionare definite si intr-o perioada de timp prestabilita.

In functie de conditii, poate fi caracterizata si prin diversi indicatori:

- capacitatea de a nu se defecta;

- durata de viata;

- capacitatea de a fi restabilit (repus in functiune dupa defectare, de exemplu prin reparare).

Analiza calitativa a fiabilitatii furnizeaza informatii referitoare la felul in care se reflecta, in functionarea entitatii analizate, diferitele moduri de defectare ale elementelor sale componente.

Etapele analizei calitative de fiabilitate sunt:

analiza modurilor de defectare si a efectelor defectarilor prin care se identifica defectele si se evalueaza consecintele acestora asupra functionarii entitatii analizate;

- organizarea si reprezentarea grafica a informatiilor rezultate din analiza precedenta sub forma unei scheme logice (diagrama bloc sau arbore de defectare.

Obiectivele analizei calitative de fiabilitate sunt:

- identificarea punctelor slabe in faza de proiectare, montaj si exploatare;

- evidentierea defectelor potentiale sub aspectul importantei sau criticitatii acestora;

- furnizarea informatiilor necesare pentru analiza cantitativa de fiabilitate.

Abordarea cantitativa

Fiabilitatea este probabilitatea ca sistemul sa-si indeplineasca functiunile pentru care a fost conceput si realizat, cu o anumita performanta si fara defectiuni, intr-un anumit interval de timp si in conditii date, cu un nivel de incredere impus.

Abordarea cantitativa a fiabilitatii are ca obiectiv cuantificarea, sub forma unor indicatori numerici, a nivelului de fiabilitate a entitatilor stabilite pentru:

- compararea a doua sau mai multe solutii din punctul de vedere al performantelor dorite;

- demonstrarea incadrarii valorilor indicatorilor de fiabilitate in anumite limite impuse, in punctele de interfata cu alte entitati (instalatii, linii electrice);

- depistarea unor verigi slabe in cadrul entitatilor analizate;

- preliminarea unor indicatori de garantie inclusi in oferte si contracte.

3.1 Moduri de defectare ale componentelor

Notiunea de defectare se refera la alterarea sau intreruperea capacitatii unui sistem de a asigura o functie ceruta in conditiile de functionare specificate si reprezinta o anomalie functionala a unui sistem fizic. Defectarea apare ca urmare a unuia sau a mai multor defecte.

Defectul este evenimentul fundamental din teoria fiabilitatii si reprezinta o deviatie nepermisa a cel putin unei proprietati caracteristice sistemului de la conditiile admisibile (uzuale,standard). Altfel spus, defectul este o anomalie de comportament la nivelul sistemului si reprezinta efectul unor procese complexe de degradare in timp a elementelor (care compun echipamentul), ca urmare a solicitarilor la care sunt supuse in functionare.

Un defect nu conduce neaparat la o defectare. Cauza defectarii se defineste prin „circumstante legate de conceptie, fabricare sau folosire si care au determinat defectarea”. In diagnoza industriala, aceasta definitie este fundamentala deoarece, in functie de simptomele externe care sunt observate, se cauta cauza primara.

Mecanismul de defectare se refera la procesele fizice, chimice sau de alta natura, ce conduc la defectare.

Deteriorarea este starea unui sistem care prezinta:

pierderea performantelor uneia dintre functiile asigurate de ansamblu(daca acestea sunt sub nivelul de oprire definit de specificatiile functionale, nu se mai poate vorbi de deteriorare, ci de defectare);

un subansamblu deteriorat (sau chiar defectat), fara consecinte functionale asupra ansamblului.

Modul de defectare este efectul prin care este observata o defectiune (de exemplu un scurtcircuit).

Modurile de defectare sunt definite pentru o stare sigura de functionare a componentei si echipamentului. Daca se ia in considerare alta stare de functionare a echipamentului, lista modurilor de defectare a componentei suspuse analizei se poate modifica.

Pentru o componenta din ansamblul echipamentului electric, modurile de defectare se pot determina astfel:

daca modelul de componenta este cunoscut, se tine seama de: experienta in exploatare si de rezultatele incercarilor la care a fost supusa componenta;

daca componenta este noua din punct de vedere al conceptiei, se iau in considerare componentele asemanatoare (din punct de vedere constructiv si functional) si/sau eventualele incercari de fiabilitate.

Modul de defectare fiind specific pentru fiecare echipament, este esentiala identificarea tuturor modurilor de defectare posibile pentru un echipament.

Acelasi echipament poate prezenta mai multe moduri de defectare, generate de defectare interne (nefunctionarea unor componente ale echipamentului) sau externe (defectarea simultana a altor componente). Aprecierea starii critice poate fi utila pentru determinarea din timp, in detaliu, a cauzelor multor avarii.

Moduri de defectare ale componentelor turbinei eoliene

Elementele monitorizate intr-o turbina eoliana sunt:

turnul, paletele, nacela

componentele mecanice (lagare, axe, cuplaje, angrenaje etc.)

generatorul electric

transformatorul de tensiune

Pot aparea defecte la:

a)      Nivelul paletelor turbinei

Acestea apar datorita modificarii rugozitatii suprafetei palelor. Modificarea rugozitatii palelor este influentata de poluare, depunerea de gheatza pe acestea, defecte structurale din constructie. Modificarea rugozitatii palelor produce un dezechilibru al maselor rotative ce are ca efect aparitia unei forte centrifugale care se transmite mai departe nacelei si turnului.

Asimetriile aerodinamice sunt cauzate de comportamentul aerodinamic diferit al palelor. Asimetriile aerodinamice sunt cauze ale unui unghi diferit de atac al paletelor sau a defectelor de fabricatie ale profilului.

Diferentele genereaza forte de excitatie ce determina oscilatii axiale si torsionale ale nacelei cu frecventa egala cu cea de rotatie a rotorului. In figura de mai jos (fig.3.1) este prezentat un profil de paleta in care apar oscilatii.

Fig.3.1 Aparitia fortelor ce determina oscilatii axiale si torsionale

b) Nivelul sistemului de antrenare

Defectele la nivelul sistemului de antrenare al turbinei eoliene sunt reprezentate de defectele tipice care apar la nivelul arborelui (crapaturi sau dezechilibre de masa).

Cauzele aparitiei defectelor la nivelul sistemului de antrenare

- Sarcini subestimate din proiectare;

- Suprasarcini de cuplu;

- Materiale necorespunzatoare;

- Probleme de fabricatie, de transport sau de asamblare;

- Incovoiere datorita fortelor asimetrice rotorice;

- Centrare proasta;

- Defecte de asamblare ale lagarelor sau elementelor acestora.

Ca o metoda de detectie a defectelor la nivelul sistemului de antrenare putem folosi un senzor inductiv ce masoara deplasarea arborelui in timpul rotatiei (aparitia unei frecvente duble fata de cea de rotatie).

c) Defecte in lagarele de rostgolire

O clasificare a acestora in functie de categoria din care fac parte si cauzele si consecintele aparitiei acestor defecte este prezentata in tabelul 3.1

Tabel 3.1. Clasificarea defectelor aparute in lagarele de rostogolire

Metode de detectie ale defectelor aparute in lagarele de rostogolire:

algoritmi statistici (se analizeaza distributia temporala a vibratiilor);

algoritmi pe baza de reprezentare in domeniu timp a vibratiilor;

algoritmi pe baza analizei semnaturii frecventiale.

d) Defecte in cutia de viteze

Clasificarea categoriilor din care fac parte defectele aparute la cutia de viteze a turbinei eoliene si cauzele si consecintele acestora sunt prezentate in tabelul 3.2.

Tabel 3.2. Clasificarea defectelor aparute la cutia de viteze a turbinei eoliene

Metode de detectie ale defectelor aparute la cutia de viteze a turbinei eoliene:

algoritmi statistici (se analizeaza distributia temporala a vibratiilor);

algoritmi pe baza de reprezentare in domeniu timp a vibratiilor;

algoritmi pe baza analizei semnaturii frecventiale;

metoda analizei frecventelor tip „Side-band”.

e) Defecte ale transformatoarelor de tensiune

Defectiunile constatate in exploatarea transformatoarelor si auto-transformatoarelor de masurare sunt cauzate de: conturnari sau strapungeri ale izolatoarelor sau ale carcasei de rasina; zgomot interior caracteristic defectelor; disparitia tensiunii sau curentului secundar; scurgeri masive de ulei; murdarirea izolatoarelor sau a carcasei de rasina; spargerea burdufului la transformatoarele tip etans si prezenta scurgerilor de ulei; incalziri ale imbinarilor circuitelor primare prin care se realizeaza legarea transformatoarelor la instalatie.

In cazul transformatorului de masurare de tensiune, se poate face analiza modurilor de defectare pornind de la structura acestuia si de la functiile pe care le realizeaza in cadrul sistemului electroenergetic.

Modurile specifice de defectare ale transformatorului unei turbine eoliene pot fi:

-Subsistemul electric:

- modificarea parametrilor sau conturnarea racordului de inalta tensiune;

- modificarea parametrilor sau strapungerea divizorului capacitiv;

- modificarea parametrilor sau strapungerea bobinei de inductie;

- strapungerea sau conturnarea infasurarii primare de inalta tensiune;

- strapungerea sau conturnarea infasurarii secundare de joasa tensiune;

- uzura sau strapungerea bornelor secundare;

- modificarea parametrilor sau conturnarea bornei de legare la pamant;

-Subsistemul magnetic:

uzura miezului magnetic;

-Subsistemul de izolare:

- modificarea parametrilor izolatorilor suport;

- modificarea parametrilor izolatorilor bornelor secundare;

- modificarea parametrilor sau conturnarea izolatiei de hartie electroizolanta;

- modificarea parametrilor uleiului electroizolant;

-Subsistemul de consolidare mecanica:

strapungerea sau intreruperea cuvei;

- strapungerea sau intreruperea ecran;

- modificarea parametrilor cutiei de borne secundare;

- modificarea parametrilor sau strapungerea busonului de umplere cu ulei;

- strapungerea flansei;

- modificarea parametrilor urechilor de ridicare;

- uzura sau conturnarea indicatorului nivelului de ulei;

- uzura sau modificarea parametrilor busonului pentru probe de ulei;

-Subsistemul de racire:

modificarea parametrilor uleiului electrizolant;

-Subsistemul de diagnoza si protectie:

strapungerea sau conturnarea eclatorului de protectie;

- uzura sau modificarea parametrilor separatorului de legare la pamant;

- incendiu.

f) Moduri de defectare ale generatorului electric

Nefunctionarea corespunzatoare a unei masini rotative de inalta tensiune este legata de solicitarile electrice, mecanice, termice si ale mediului inconjurator care determina uzura si degradarea izolatiei statorului. O solicitare termica, mai ales o supraincalzire, este o contributie majora la uzura izolatiei si astfel o cauza principala a multor deteriorari ale laminarii statorului si bobinajului. Pentru a mari fiabilitatea multi producatori au masini capabile sa masoare fluxul in regiunile de la capete, curentii turbionari, tensiunile si temperaturile inter-laminare.

Totusi, este dificila detectarea imperfectiunilor locale ale unui miez statoric, reprezentate ca „zone fierbinti”, monitorizand parametrii de functionare. Din aceasta cauza, o metoda de testare a imperfectiunilor miezului magnetic statoric aplicand fluxul nominal formeaza o parte integranta a verificarii generatorului in timpul constructiei, reviziei si interventiilor cu rotorul scos.

Fiabilitatea generatoarelor mari este de o importanta majora pentru a mentine integritatea unei centrale electrice eoliene .Este necesara o monitorizare permanenta sau o inspectie frecventa pentru a remedia defectele inerente inaintea unei catastrofe sau a unei munci de o amploare marita. Deteriorarea sistemului de izolatie al statorului este un proces gradual. Caderea izolatiei laminarii statorului apare de obicei dupa o perioada de ani sau decade, nu ore sau zile. Acest parametru este critic nu numai datorita faptului ca degradarea izolatiei laminarii statorului determina cresterea pierderilor, ci si datorita faptului ca incalzirea rezultata poate avaria izolatia conductoarelor si in cazurile majore, topeste fierul statorului.

Defectarea miezului poate fi scumpa. Exista un cost al reparatiei si un cost al pierderii profitului cat timp generatorul nu este in functie.

Metoda pentru testarea imperfectiunilor miezului statoric aplicand flux nominal a fost stabilita ca un mijloc avantajos pentru verificarea periodica a avariilor izolatiei interlaminare, realizand o „amprenta” a miezului statoric sau o referinta pentru o monitorizare viitoare.

Defectele in fierul statorului pot apare dintr-o multime de surse. In fabrica, acest defecte provin de la o izolare proasta a laminatiei, accidente in asamblare sau arderea bobinajului peste limita sau muchiile canalelor sau scurtarea penelor de fixare pe tole. In exploatare, pot proveni de la corpurile straine care intra in masina si deterioreaza suprafata crestaturilor sau incalzire excesiva sau uzura datorata deteriorarii izolatiei.

Avarii ale generatorului electric datorate de corpuri straine

Un generator functioneaza intr-un mediu ingrijit. Patrunderile obiectelor straine in masina pot avea urmari catastrofale. Obiectele pot proveni de la sursele externe sau de la avarierea componentelor interne.

Un corp metalic strain – o piulita, un surub, o saiba sau bucati de material etc. – pot intra printr-o gaura in rotor / stator sau printr-un canal axial de racire in miezul statoric.

In timp, corpurile straine pot vibra contra muchiilor tolelorsi deterioreaza izolarea inter-laminaram determinand tolelor adiacente sa vina in contact una cu cealalta. Aceasta poate determina conectarea intre ele a unui numar semnificativ de tole si astfel crearea unei zone fierbinti. Daca deteriorarea cuprinde mai multe tole si daca contactul miez-cadru ar fi suficient de bun, atunci poate apare o avarie.

Metode de detectie ale defectelor aparute la generatorul electric:

o verificare a calitatii izolatiei miezului statoric, prin serii de teste cu inductie nominala, poate constitui o baza pentru incredere, pentru monitorizarea continua a defectelor detectate mai devreme, oferind elementele necesare pentru mentenanta generatoarelor moderne;

instalarea de accelerometre operand la frecvente cuprinse in domeniul 1-20000Hz pentru detectarea vibratiilor induse in cutia de viteze si in lagare;

senzori instalati pe scuturile frontal si din spate ale generatorului.

Un exemplu de senzori instalati pe scuturile frontal si din spate al generatorului este prezentat mai jos in fig. 3.2.

Fig. 3.2. Senzori instalati pe scuturile frontal si din spate ale generatorului

3.2 Consecintele defectarii componentelor pentru sistem

Defectarea componentelor poate duce la imposibilitatea functionarii sistemului sau la functionarea acestuia la un randament scazut. Acest lucru atrage dupa el plata de daune consumatorilor si nesiguranta in alimentare. Defectarea unei componente aparent ieftine poate fi primul pas in defectarea altor componente foarte scumpe. Un exemplu ar fi, defectarea unui rulment al cutiei de viteze la turbina eoliana. Nesesizarea defectarii acestuia la timp poate conduce la schimbarea intregii cutii de viteze a turbinei eoliene. De aceea in cadrul unei centrale eoliene este foarte importanta selectarea componentelor.

Selectarea componentelor n-ar trebui sa se bazeze doar pe informatiile furnizate de foaia de date a fabricantului, deoarece nu toti parametrii sunt totdeauna specificati si / sau pentru ca dispozitivul respectiv s-ar putea sa nu fie conform macar cu unii din acesti parametri.

Cand un sistem se defecteaza, nu este totdeauna usor sa se determine motivele care au condus la defectarea sa. Totusi, o data ce a fost determinata cauza defectarii, se constata de cele mai multe ori, ca ea se datoreaza unei componente de calitate inferioara sau unei intrebuintari exagerate a sistemului, sau a unei parti din sistem ori a unei combinatii a acestora. Fireste, defectarea poate aparea ca urmare a unei erori de conceptie, chiar daca nici o componenta n-a cazut in pana.

Design-ul, proiectarea este o parte intrinseca a fiabilitatii sistemului. O posibilitate de a imbunatati fiabilitatea este aceea de a folosi componente care au un trecut si o istorie de inalta fiabilitate. Invers, clase ale componentelor suspecte de defectari – datorate, in mod obisnuit, unor anumite „slabiciuni“ ale proiectarii materialelor pot fi evitate.

Problemele de fiabilitate ale dispozitivelor electrice, mecanice, parametrii care influenteaza durata de viata si procesele de degradare care conduc la defectari au castigat rapid o importanta din ce in ce mai mare. Dusmanii naturali ai componentelor electronice sunt caldura ridicata, vibratiile si tensiunea excesiva.

Pentru a diminua rata de defectare a componentelor sistemului este necesara amplasarea de senzori pe componentele turbinei eoliene si monitorizarea continua a acestora cu sisteme de monitorizare si diagnoza.

3.2.1 Instalarea de senzori pe o turbina eoliana

Pentru o monitorizare continua si pentru a analiza functionarea componentelor turbinei este absolut necesara instalarea de senzori pe componentele principale ale turbinei eoliene.

O astfel de instalare este prezentata mai jos in figura 3.2.

Fig.3.3. Instalarea senzorilor pe turbina eoliana

1 – senzor inductiv pentru determinarea pozitiei absolute a rotorului;

2, 3, 4 – accelerometre pentru determinarea oscilatiilor pe directie axiala si transversala ale nacelei;

5, 6 – accelerometre operand la frecvente cuprinse in domeniul 1-20000Hz pentru vibratiile induse in cutia de viteze si in lagare.

Instalarea senzorilor si spectre de frecventa realizate folosind analiza vibratiilor pentru diferite componente ale turbine eoliene:

1. Instalarea senzorilor pentru monitorizarea nacelei si a cutiei de viteze si spectrul de frecventa pentru acestea:

Fig. 3.4. Instalarea senzorilor pentru monitorizarea nacelei si a cutiei de viteze

In figura de mai sus (fig.3.4) sunt instalati 2 senzori pentru detectia si masurarea oscilatiilor nacelei pe directie axiala si transversala ( senzori de joasa frecventa, 0.1-10Hz) si 1 senzor (partea dreapta) pentru detectia si masurarea vibratiilor cutiei de viteze (senzori de frecventa inalta, de la cativa herti la 10 kHz).

Fig. 3.5. Spectrul de frecventa al oscilatiilor transversale ale nacelei, in partea din

fata (stanga) si in cea din spate (dreapta

2. Instalarea senzorilor pe cutia de viteze, respectiv pe rotorul turbinei:

Fig. 3.6. Instalarea de senzori pe cutia de viteze si pe rotorul turbinei.

Spectrul de frecventa al oscilatiilor la nivelul cutiei de viteze:

Fig. 3.7. Spectrul de frecventa al oscilatiilor la nivelul cutiei de viteze

Spectrul de frecventa al generatorului electric:

Fig. 3.8. Spectrul de frecventa al oscilatiilor la nivelul lagarelor

generatorului pentru viteza de 1544rpm (25.73Hz)

respectiv la 1642rpm(27.37Hz)

3.3 Calculul de fiabilitate al turbinei eoliene

Metodele de calcul a fiabilitatii structurale preliminate a sistemelor au drept date de intrare indicatorii de fiabilitate ai elementelor si structura sistemului.

Pentru calculul indicatorilor de fiabilitate ai unui sistem este necesar sa se cunoasca, pe langa indicatorii de fiabilitate ai elementelor componente, si structura sistemului.

Pentru aplicarea acestei categorii de metode, structura sistemului se exprima sub forma de functie de structura sau functie de fiabilitate.

Pentru caracterizarea fiabilitatii unui echipament se poate utiliza limbajul teoriei probabilitatilor. Durata de functionare pana la defectare a unui echipament este o variabila aleatoare continua a carei functie de repartitie o notam cu F(t). In conformitate cu definitia unei functii de repartitie a unei variabile aleatoare, F(t) reprezinta probabilitatea ca durata T sa fie mai mica decat valoarea t, adica reprezinta probabilitatea ca echipamentul sa se defecteze in intervalul de timp (0, t).

Probabilitatea ca in intervalul (0,t) sa nu se produca defectarea echipamentului reprezinta functia de fiabilitate R(t) si este complementara probabilitatii de defectare F(t).

Calculul de fiabilitate pentru turbina eoliana in exemplul de calcul contine urmatoarele componente ale turbinei:

rotorul turbinei;

arborele principal;

cutia de viteze;

arborele secundar;

generatorul electric;

transformatorul.

Pozitionarea reciproca a componentelor in cadrul sistemului trebuie privita din doua puncte de vedere:

structural-functional;

fiabilistic.

Rezulta doua scheme diferite:

schema constructiv-functionala , care reda pozitia relativa a componentelor in cadrul arhitecturii sistemului si care permite analiza functionala a acestuia;

schema logica de fiabilitate, care urmareste modul in care fiabilitatea unui component al sistemului poate influenta fiabilitatea intregului sistem.

In tabelul de mai jos (tabelul 3.3) sunt prezentate probabilitatile de succes, probabilitatile de insucces, intensitatile de defectare si intensitatile de reparare ale componentelor analizate.

Tabelul 3.3. Probabilitatile de succes respectiv insucces, intensitatile de defectare si intensitatile de reparare ale componentelor analizate

Pornim calculul de la schema constructiv-functionala si de la schema logica de fiabilitate.

In turbina eoliana componentele analizate au o dispunere tip serie.

Acest lucru este prezentat mai jos in schema constructiv-functionala (fig. 3.9).

Fig.3.9. Schema constructiv – functionala a componentelor analizate

Se poate observa in schema constructiv-functionala ca schemele au o dispunere tip serie.

Construim graficul sistemului dupa dispunerea componentelor in schema constructiv-functionala.

Obs: Elementele constructive ale turbinei sunt numerotate de la 1 la 6 dupa cum urmeaza:

- componenta „1” - rotorul turbinei

- componenta „2” – arborele principal

- componenta „3” – cutia de viteze

- componenta „4” – arborele secundar

- componenta „5” – generatorul electric

- componenta „6” – transformatorul

Se construieste diagrama logica de fiabilitate. Aceasta este prezentata in fig. 3.10.

Fig. 3.10. Diagrama logica de fiabilitate a sistemului

Probabilitatea de succes a sistemului se calculeaza dupa formula: P_sist = Π p_i

P_sist = p₁ ∙ p₂ ∙ p₃ ∙ p₄ ∙ p₅ ∙ p₆

P_sist = 0,95 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,99 = 0,8498.

Probabilitea de insucces a sistemului se calculeaza dupa formula: Q_sist = 1 - P_sist

Q_sist = 1 – P_sist = 1 – 0,8498 = 0,1501

Functia de fiabilitate R(t) se calculeaza dupa formula R(t) = Π R_i(t)

R(t) = e^-λ∙t

Inlocuim in Psist probabilitatile p₁ , p₂ , p₃ , p₄ , p₅ , p₆ cu R₁, R₂, R₃, R₄, R₅, R₆ :

è R(t) = R₁∙R₂∙R₃∙R₄∙R₅∙R₆

Calculul se realizeaza pentru o functionare a sistemului de T = 1000 h.

R(t) = e^-λ1∙t e^-λ2∙t e^-λ3∙t e^-λ4∙t e^-λ5∙t e^-λ6∙t

R(t) = e^{-0,00006 ∙ 1000} ∙ e^{-0,00005 ∙ 1000} ∙ e^{-0,00002 ∙ 1000} ∙ e^{-0,00007∙1000} ∙ e^{-0,00001 ∙ 1000} ∙ e^{-0,00001 ∙ 1000} è

è R(t) = 0,8016

Calculam functia de nonfiabilitate: F(t) = 1 – R(t)

F(t) = 1 – 0,8016 = 0,1983

Timpul mediu de functionare pana la prima defectare MTTF se calculeaza dupa formula:

MTTF = R(t) dt = 1 / λ₁ + λ₂ + λ₃ + λ₄ + λ₅ + λ₆ (pentru sistemul serie).

MTTF = 1 0,00006 + 0,00005 + 0,00002 + 0,00007 + 0,00001 + 0,00001 = 4545,4545 h

In continuare vom calcula timpul mediu de succes (MUT) si timpul mediu de insucces (MDT).

Timpul mediu de succes se calculeaza dupa formula : MUT = P /

frecventa asteptata de defectare a sistemului

ν= Σ I_b(i) ∙ ν_i , unde I_b(i) reprezinta factorii de importanta probabilista ai componentelor.

I_b(i) = ∂P/p_i , ν_i = λ_i ∙ p_i

Incepem calculul MUT:

P_sist = p₁ ∙ p₂ ∙ p₃ ∙ p₄ ∙ p₅ ∙ p₆

Calculul factorilor de importanta probabilista pentru fiecare componenta:

I_b(1) = ∂P/p₁ = p₂ ∙ p₃ ∙ p₄ ∙ p₅ ∙ p₆ = 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,99 = 0,8946;

I_b(2) = ∂P/p₂ = p₁ ∙ p₃ ∙ p₄ ∙ p₅ ∙ p₆ = 0,95 ∙ 0,98 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,99 = 0,8761;

I_b(3) = ∂P/p₃ = p₁ ∙ p₂ ∙ p₄ ∙ p₅ ∙ p₆ = 0,95 ∙ 0,97 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,99 = 0,8672;

I_b(4) = ∂P/p₄ = p₁ ∙ p₂ ∙ p₃ ∙ p₅ ∙ p₆ = 0,95 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,98 ∙ 0,99 = 0,8761;

I_b(5) = ∂P/p₅ = p₁ ∙ p₂ ∙ p₃ ∙ p₄ ∙ p₆ = 0,95 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,97 ∙ 0,99 = 0,8672;

I_b(6) = ∂P/p₆ = p₁ ∙ p₂ ∙ p₃ ∙ p₄ ∙ p₅ = 0,95 ∙ 0,97 ∙ 0,98 ∙ 0,97 ∙ 0,98 = 0,8584.

Calcul frecventelor de defectare asteptate pentru fiecare componenta:

∙ p₁ =

∙ p₂ =

∙ p₃ =

∙ p₄ =

∙ p₅ =

∙ p₆ =

Frecventa asteptata de defectare a sistemului:Ѝν= Σ†I_b(i) ∙ ν_iȠ= I_b(б) ∙ ν_ȱ + I_b(2) ⌙ ν₂ + I_b(3) ∙ ν₃ Ы I_b(4) ∙ ν_耴 «_耠I_b(5) ∙ ν₅ + I_b(6ဩ ∙ ν_6ࠠဍν= +

0,0p00099 = 1,8696 10^-4 h^-1

MUT = P / 10^-4 = 4545,357 h

Calculul MDT:

MDT = Q_sist /

Pentru calculul MDT vom folosi factorii de importanta probabilista de la calculul MUT

Vom calcula doar frecventele dupa formula: ν_i = μ_i ∙ q_i

ν_i = μ₁ ∙ q₁ =

ν_i = μ₂ ∙ q₂ =

ν_i = μ₃ ∙ q₃ =

ν_i = μ₄ ∙ q₄ =

ν_i = μ₅ ∙ q₅ =

ν_i = μ₆ ∙ q₆ =

ν= Σ I_b(i) ∙ ν_i = I_b(1) ∙ ν₁ + I_b(2) ∙ ν₂ + I_b(3) ∙ ν₃ + I_b(4) ∙ ν₄ + I_b(5) ∙ ν₅ + I_b(6) ∙ ν₆

MDT = Q_sist / 6,7 h.

Dupa calculele efectuate am aflat timpul mediu de succes al sistemului (MUT) si timpul mediu de insucces al sistemului (MDT).

Timpul mediu de succes al sistemului: MUT = 4545,357 h

Timpul mediu de insucces al sistemului: MDT = 6,7 h.

Calculele de fiabilitate ale sistemelor permit:

aprecierea nivelului de incredere in utilizarea unui echipament la o anumita perioada „T” din viata sa;

compararea nivelului de fiabilitate ale unor dispozitive realizate de producatori diferiti;

compararea conditiilor de utilizare ale unor dispozitive realizate de acelasi producator, dar aflate la utilizatori diferiti.

Fiabilitatea este o caracteristica de calitate, ce astazi reprezinta una dintre principalele cerinte ale beneficiarilor. Insa si definitia calitatii, ca aptitudine de folosire include capacitatea de folosire in timp a unui dispozitiv sau sistem.

4. Strategii de mentenanta in cadrul centralelor eoliene

Mentenanta se defineste ca ansamblul tuturor actiunilor tehnice si organizatorice, care sunt asociate si efectuate utilajelor, echipamentelor, in scopul indeplinirii de catre acestea a functiilor specifice.

Mentenabilitatea reprezinta capacitatea unei instalatii (si a componentelor acesteia) de a-si pastra starea tehnica sau de a reveni, in conditii de utilizare date, la starea tehnica in care sa poata indeplini o cerinta functionala. Mentenabilitatea este egala cu probabilitatea ca un sistem (sau element) sa fie repus in functiune intr-un anumit interval de timp.

Schimbarile majore din cadrul economiei si societatii romanesti au determinat scaderea consumului de energie electrica in acelasi timp cu cresterea numarului abonatilor si a pretentiilor acestora. Prin dezvoltarea automatizarilor, continuitatea alimentarii cu energie electrica depinde tot mai mult de echipamente. Actuala conjuctura impune o atentie sporita asupra rentabilitatii noilor investitii din domeniul instalatiilor electroenergetice.

Se poate afirma ca un obiectiv energetica trebuie sa satisfaca cererile de putere ale consumatorilor sai, pe intreaga durata, la standardele de performanta impuse si in conditii de eficienta economica

Avariile care conduc la scoaterea din functiune a unui obiectiv energetic pot avea consecinte dezastruoase si/sau foarte costisitoare si determina cresterea costului final al energiei electrica din mai multe cauze, cele mai importante fiind:

iesirea din functiune a statiei electrice si intreruperea continuitatii in alimentare cu energie electrica a consumatorilor;

investigatia, interventia echipelor de mentenanta si inlaturarea defectului;

neincadrarea parametrilor energiei electrice livrate in standardul de calitate;

aparitia unor costuri indirecte, determinate de:

nerespectarea cheltuielilor planificate;

fluctuatii nepermise in costul final al energiei electrice;

cheltuieli suplimentare pentru plata daunelor de neasigurare a continuitatii in alimentarea cu energie electrica a consumatorilor.

Obiectivele principale ale serviciului de mentenanta in cadrul instalatiilor de producere, transport si distributie a energiei electrice sunt:

prevenirea producerii avariilor si mentinerea in conditii de functionare asteptate a ansamblului instalatiilor, constructiilor si echipamentului aferent, un timp cat mai indelungat;

marirea gradului de disponibilitate a sistemului energetic si a subsistemelor sale, inclusiv a echipamentelor componente ale acestora, prin realizarea doar a lucrarilor strict necesare;

prelungirea duratei de functionare a instalatiilor, prin:

cresterea calitatii lucrarilor;

asumarea raspunderii personalului angrenat in aceasta activitate, prin individualizarea sarcinilor legate de analiza starii tehnice a echipamentelor, aparatelor si materialelor, stabilirea lucrarilor necesare, a programarii si executarii acestora;

cresterea eficientei economice, prin:

imbunatatirea fiabilitatii instalatiilor;

micsorarea numarului si duratei intreruperilor, a lucrarilor de reparatii neplanificate si reducerea costurilor acestora.

Relatia dintre mentenanta si costul ciclului de viata al echipamentelor

Profitabilitatea pe termen lung a statiilor electrice trebuie realizata in contextul adoptarii unor masuri pentru cresterea calitatii energiei, diminuarea daunelor de necontinuitate in alimentare si a controlului asupra nivelului de risc. Aceasta este puternic influentata de costul ciclului de viata al echipamentelor.

In general sunt sase componente care alcatuiesc costul ciclului de viata al unui echipament, si anume:

- cheltuieli de proiectare;

- cheltuieli de fabricatie;

- cheltuieli de transport;

- cheltuieli de instalare/ punere in functiune;

- cheltuieli de exploatare;

- cheltuieli de mentenanta/ reparare.

Valorea oricareia dintre cheltuielile enumerate este variabila. Inca din faza de proiectare, este necesar sa se prevada:

accesul usor la diferite locuri de interventie;

posibilitatea si usurinta de montare si demontare a diferitelor elemente componente ale instalatiilor;

posibilitatea de masurare si accesul usor la punctele de masurare;

elaborarea unor instructiuni precise pentru defectiunile previzibile.

Actiunile de mentenanta si diagnoza pot fi simulate in laborator, pe prototip sau pe model pentru a se putea garanta mentenabilitatea.

Printre problemele care trebuie sa-si gaseasca solutionarea, cu prilejul studiilor pe model sau prototip, cele mai importante se refera la:

asigurarea accesibilitatii, adica a acelei proprietati a unui sistem (produs complex), care se refera la posibilitatea de montare/ demontare a oricarui elemente component si masurarea direct pe echipament a unor marimi fizice, in conditii de timp si efort minim (pentru aceasta, se prevede acces direct sau se fac constructii modularizate);

determinarea defectiunilor tipice care pot avea loc, modul si mijloacele de inlaturare rapida a acestora;

asigurarea unui timp minimal de remediere a oricarei defectiuni.

Date statistice desprinse dinࠠliteratura de specialitate, evidࡥntɩaza ca aproximativ း0% din valoarea costului ciclului de viaôa ɥste determiŮata in etepa de proiectaŲe a echipamentului.

Activitatea de instalare a echipamentului poatť avea o pondeࡲe importanta in cst䁵l ၤeဠachizitie. Pentru echipamentele care necesiva operatori, chelôuiၥŬile de exploa聴are (ɰrodusul dintre salariࡵl personaluɬui de exploࡡtare/an si numarul anilr de exploatare,ࠠla care se aduna si alte costuri)Ġrepreúinta o partࡥ foarte importanta a costuìui 聣iclului de viၡta. In general, su䁭ɡ dintre cheltuielile de exploatare si cheltuielile petrɵ intretinere, reparatii, revizi䁩 gener⁣leࠠsɩ imaunatatiri depasest⁥ cu mult investi⁴ia in echipament.

La stabࡩlirea solutiilor dࡥ a䁬imѥntare a consumator䁩lor trebuiѥ sa se tina seama de un numar mare dɥ factori, dinၴr䁥 care esentiali suѮŴ valorea investitiei.¬ valoarea cheltuielilor då exploatare si valѯarea d䁡unelor proѢabile anuale cauzate coѮsumator聵lui. In mod uzual,ဠin cၡ聺ul inųtalatiilor elåctrice, alegerea unei variante de echipare pentru o statie electrica, dintr-o lista de variante acceptabile din punct de vedere tehnic, se face utilizand drept criteriu economic minimul cheltuielilor totale actualizate.

Trebuie acordata o atentie deosebita culegerii de informatii de la personalul de e聸qlo⁡tare si menten⁡nta caci, analiza problemelor cu care acestѡ se confrunti,Ġii poate†conduce pe proiectanti la rezulၴate deosebite. Intre faza de conce⁰tie si ce聡 deဠexploࡡࡴare operativa, factorii care caracterizeaɺѡ modalitatile de abordare a statiilor electrice pot fi diferiti. Intre cele doua faze, factorul comun este, sau ar trebui sa fie, strategia de mentenanta care se aplica elementelor componente subsistemului de transport si distributie.

In dezvoltarea sa, activitatea de mentenanta a cunoscut mai multe faze, evoluand in acelasi timp cu marirea complexitatii echipamentelor electrice si a exigentelor utilizatorilor.

In zilele noastre, fiabilitatea alimentarii cu energie electrica este influentata de tipul strategiei de mentenanta aplicata.

Cea mai generala clasificare imparte strategiile de mentenanta in doua mari categorii:

mentenanta destinata refacerii echipamentului in urma producerii avariei: mentenanta corectiva

mentenanta destinata preintampinarii producerii avariei:

mentenanta preventiva

mentenanta predictiva (analiza vibratiilor).

4.1 Mentenanta corectiva

Mentenanta corectiva este un concept care are la baza interventia asupra echipamentului dupa ce acesta s-a defectat (ex: reparatie, schimbarea partiala sau totala a echipamentului defect).

In cazul mentenantei corective, spre deosebire de cea reactiva, activitatea se focalizeaza pe sarcini planificate la intervale regulate de timp prin care sa se asigure mentinerea in stare de functionare la parametri optimi a masinilor/sistemelor critice. Eficienta programului de mentenanta se judeca in functie de costul ciclului de viata a masinilor/sistemelor critice si nu in functie de cat de repede este repus in functiune.

Astfel, principalul obiectiv al mentenantei corective este acela de a elimina intreruperile in functionare, deviatiile de la conditiile optime de functionare si interventiile nenecesare. Aceasta presupune reparatii corecte si complete ale problemelor inca din faza incipienta, pe baza unui program de interventii bine stabilit, implementat de oameni pregatiti in acest scop, reparatiile fiind verificate inainte de a pune masina/sistemul din nou in functiune. Problemele incipiente nu se restrang numai la probleme electrice sau mecanice. Toate deviatiile de la conditiile optime de functionare, de exemplu randament, capacitate de productie sau calitatea produselor, sunt corectate imediat ce sunt detectate.

Avantajele mentenantei corective:

valorea stocului de piese de schimb poate fi destul de redusa;

nu este necesara monitorizarea utilajului;

interventia nu necesita programare;

gradul de utilizare a partilor componente ale instalatiilor este maxim;

intretinerea este ieftina.

Dezavantajele mentenantei corective:

nu exista o programare a timpului de lucru a personalului care se ocupa de mentenanta;

nu exista resurse (bani,timp) alocate;

echipa de intretinere da impresia de ineficienta;

nu exisat buget pentru partile componente avariate;

timpul de asteptare pana la livrarea pieselor de schimb poate fi mare;

adeseori, se intrerupe functionarea instalatiei.

Focalizarea numai pe costurile de productie este acum un concept in schimbare. Majoritatea companiilor cauta cai de reducere a costurilor mentenantei, dar mergand numai pe ideea interventiei asupra echipamentului in momentul in care acesta s-a defectat, nu se poate controla, prevedea aparitia defectelor si nici nu se pot gasi modalitati de reducere a costurilor de intretinere.

4.2. Mentenanta preventiva

Mentenanta preventiva este un concept care are la baza o actiune preventiva executata la intervale predeterminate, recomandate de catre firma constructoare a echipamentului sau rezultate din experienta de exploatare si care vizeaza prevenirea defectarii unor elemente componente ale instalatiilor sau reducerea probabilitatii de evolutie in timp a unor defectiuni.

Conceptul de mentenanta preventiva are o multitudine de semnificatii. O interpretare literala a acestui termen defineste un program de mentenanta care are ca scop eliminarea sau prevenirea mentenantei corective si/sau a celei reactive. Un program de mentenanta preventiva mai cuprinzator va apela la evaluarea periodica a echipamentelor/masinilor/sistemelor critice pentru a detecta potentiale probleme si pentru a programa imediat interventiile necesare care vor preveni orice degradare a conditiilor de functionare.

Mentenanta preventiva este cunoscuta in tehnica de specialitate si sub denumirea de mentenanta bazata pe timp, mentenanta sistematica sau mentenanta programata. Activitatile de asigurare a mentenantei sunt gestionate in timp. Figura 4.1 prezinta rata de aparitie a unui defect in functie de timpul de functionare. Astfel, o masina noua are sanse mari sa se defecteze in prima saptamana de la punerea in functiune datorita unor probleme legate de instalare. Dupa aceasta perioada probabilitatea de aparitie a unui defect este relativ redusa pentru o perioada lunga de timp. Dupa aceasta perioada, numita ciclu de viata, probabilitatea defectarii creste rapid cu timpul scurs. Managementul mentenantei preventive ia sau trebuie sa ia in considerare aceasta statistica in planificarea lucrarilor de reparatii si intretienere.

Fig. 4.1. Reprezentarea statistica a aparitiei defectelor la o masina/echipament/sistem.

Implementarea mentenantei preventive la momentul actual variaza intr-o gama larga. Anumite programe sunt extrem de limitate si constau numai in lubrificare si ajustari minore. Un program real si eficient de mentenanta preventiva presupune planificarea reparatiilor, lubrificarii, ajustarilor, reconditionarii pentru toate echipamentele/masinile/subsisteme din cadrul unui sistem industrial. Numitorul comun al acestor interventii este programarea corecta in timp functie de statistica prezentata mai sus.

Avantajele mentenantei preventive:

este o activitate repetitiva;

este usor de programat si executat;

necesita un control redus al echipei de lucru si a echipamentelor;

eficienta activitatii de intretinere este ridicata;

pregatirea teoretica pentru echipa de mentenanta este usor de organizat;

planificarea bugetului este clara, simplu de realizat;

transportul si distributia energiei electrice si activitatile de intretinere se desfasoara conform normelor de protectie a muncii.

Dezavantajele mentenantei preventive:

activitatea repetitiva poate deveni obositoare, plictɩsitoare;

exista tendinta de a ųari pest⁥ anumite verificari;

unele element聥 ce se inlo聣uiesc mai pot functiona†ࠨex: caíerɥle de stingere la intre䁲uptoare), iar(altele ce sunt de聴erũorate (rulmenti, garnituri)耬 se inlocuiesc prea tarziu;

bugťtul alocat pentru piesele de schimb este important;

stocul de piese este mare.

Mentenanta preventiva predefineste intervale de timp bazate pe un feedback empiric, in care componentele sunt schimbate dupa o perioada specificata de utilizare si a fost practicata ca o strategie uzuala de intretinere in sistemul energetic multi ani. Acest mod de abordare, in general vorbind, a produs rezultate satisfacatoare. Totusi, nu este cea mai buna optiune din punct de vedere al costului efectiv in toate cazurile, pentru ca o serie de echipamente nu vor ramane ၩn exploat聡re pana la ѳfa⁲situl timpului lor de vi聡ta posibil.

Urmatorul pas in evoၬutia sɴrategiilor de mentenata l-ɡဠconstituit trecerea de la mentenanta bazata exclusiv peРprogramare i࡮ t⁩mp la mentenata predictiva.

4.3 Mentenanta predictiva

Mentenanta predictiva este un concept care are la baza utilizarea unor aparate de masura capabile sa monitorizeze starea echipamentului, aceasta putand fi determinata direct in functinoare, intr-un anume interval de timp.

Concepၴul de mentenanta predictiva estm iɮtalnit in liteŲaࡴura teၨnica si sub denumirea de mentenanta bazata pe stare.

Prin acti䁵nile de ment聥nanta prѥdictࡩva sunt efettuate diagnosticari si monitorizѡri al⁥ echipamenŴelorȬ in s䅣opɵl depist⁡rii unor defectiuni in faza incipienta, pentru reducerea probabilitatii lor de evolutie in timp si pentru evitarea avarierii echipamentelor.

Aplicarea strategiei de mentenanta predictiva necesita o dotare corespunzatoare cu instalatii capabile sa transmita informatii in mod coitinuu 怞ɯn-line” saun inၦormatii ၣe ɳe obtin la anumiŴe int䁥rvale de timp „o聦f-lũne”, de la aѰaratura moderna de inregistrare si diagnostit聡re (termovɩziune, ၣromatografi⁥ etc.).

Informatiile „on-line” sunt primite, in genࡥral, de la sisteme de á聵tomatizare, bazate pe inteligenta artificiala, care integreaza functiile de management si monitorizeaza parametrii energetici din instalatiile electrice. Sunt evidentiate abaterile fata de parametrii normali de functionare, acestea fiind utilizate pentru stabilirea:

actiunilor care se impun pentru eliminarea deficientelor constatate;

urgentei de executare a lucrarilor.

Pentru o parte din operatorii umani mentenanta predictiva se reduce la monitorizarea vibratiilor masinilor rotative in vederea detectarii defectelor incipiente si a prevenirii intreruperii functionarii. Pentru altii, aceasta se refera la monitorizarea cu camere de termoviziune a contactelor electrice, motoarelor sau altor echipamente electrice, pentru a detecta problemele aparute.

Cu toate acestea, mentenanta predictiva este mai mult decat atat. Este de fapt mijlocul de imbunatatire si crestere a productivitatii, calitatii produselor si ale randamentului total al sistemelor de fabricatie si productie.

Spre deosebire de mentenanta preventiva, care are ca baza de programare timpul scurs de la punerea in functiune/reparatie capitala/interventie pentru organizarea activitatilor de mentenanta, mentenenta predictiva are la baza programarea acestora functie de parametrii/indicatorii efectivi de functionare ai echipamentului/masinii/sistemului. Utilizarea mentenantei predictive ca element important al politicii de mentenanta ai unei firme furnizeaza date in timp real asupra starii mecanice actuale a fiecarei sistem de antrenare si randamentul de functionare al fiecarui proces. Aceste date reprezinta o baza importanta in organizarea activitatii de mentenanta. Se vor putea evita astfel intreruperile neprogramate ale procesului de productie, prin identificarea problemelor inainte ca ele sa devina serioase. Cea mai mare a problemelor pot fi minimizate prin detectarea lor in faza incipienta.

In foarte multe cazuri, programele de mentenanta preventiva nu au dat rezultatele scontate, acest lucru fiind generat nu atat de limite tehnice cat de modul de abordare si implementare a tehnicilor de mentenanta la nivelul locului de munca. In vederea eficientizarii politicii de mentenanta trebuie avute in vedere cateva elemente, si anume: modul de abordare, de la cel mai inalt nivel, pana la locul de munca, pe de o parte, dar si diferenta intre dezvoltarea politicii de mentenanta pentru firme mari, mijlocii sau mici pe de alta parte, respectiv utilizarea corecta a tehnicilor de mentenanta.

4.3.1 Tehnici utilizate de politicile de mentenanta

Componentele unui sistem, precum pompe, motoare electrice sau hidraulice, sisteme de transmisie, etc ca parti integrante ale acestuia trebuie sa functioneze la parametri optimi pentru a asigura atingerea performantelor proiectate ale sistemului in ansamblu. Abordarea problemelor de mentenanta, stabilirea procedurilor si strategiei de mentenanta pentru un sistem trebuie de aceea sa aiba in vedere atat monitorizarea si diagnoza la nivelul fiecarei componente, dar si influenta variabilelor sistem. De cele mai multe ori cauza unui defect se gaseste la nivelul variatiilor parametrilor de proces si o abordare neintegrativa a monitorizarii si diagnozei sistemului poate duce la actiuni ineficiente. Astfel, pe langa cele mai cunoscute tehnici de monitorizare si diagnoza (monitorizarea vibratiilor, termografia, tribologia) trebuie avuti in vedere si alti parametri ai unui sistem precum: debite, tensiuni, curenti,

temperaturi, etc.

In sisteme echipate cu comanda prin calculator sau prin automate programabile cea mai mare parte a acestor parametri sunt achizitionati si utilizati in procesul de comanda si control. Tipul si numarul acestora variaza de la un sistem la altul, dar algoritmul aplicarii procedurii de monitorizare si diagnoza este asemanator. Colectarea acestor parametri, impreuna cu aplicarea tehnologiilor traditionale ale mentenantei predictive vor furniza toate datele necesare pentru analiza starii si performantelor sistemului.

Deoarece cea mai mare parte a echipamentelor utilizate in sistemele industriale fac parte din categoria sistemelor electromecanice, analiza tehnologiilor de mentenanta se va focaliza pe acestea, de la cele mai simple exemple – sisteme de antrenare de tip motor electric pompa, pana la linii complexe de fabricatie. Trebuie avut in vedere faptul ca, in orice sistem, programul de mentenanta se va focaliza pe componentele critice ale acestuia. O componenta critica este definita ca elementul direct implicat in procesul productiv, de care depinde in mod esential productivitatea intregului sistem, randamentul acestuia si, nu in ultimul rand, calitatea produsului.

Principalele tehnologii de monitorizare si diagnoza a starii unui sistem sunt prezentate in continuare.

Analiza vibratiilor este una din cele mai utilizate metode de detectie si diagnoza a defectelor in sisteme electromecanice. Prin aceasta metoda se masoara vibratiile sistemului, de obicei cu un accelerometru, dupa care se examineaza spectrul de frecvente generat in vederea identificarii frecventelor semnificative din punct de vedere al starii masinii. Anumite frecvente sunt proprii sistemului in functionare normala. Modificarea amplitudinii anumitor armonici, de exemplu, poate semnifica prezenta unui defect. Datele pot fi colectate periodic, utilizand un sistem portabil, sau continuu, instalandu-se un sistem de monitorizare continua. Prin vibratii se pot detecta defecte precum: dezechilibre, probleme in lagare, rezonanta structurala, defecte rotorice la masinile electrice, excentricitati. Masuratorile sunt rapide si neinvazive, functionarea sistemului testat nefiind tulburata.

Pentru fiecare sistem electromecanic se defineste un nivel propriu de vibratii, orice derivatie de la acesta indicand o problema, astfel incat sa se poata interveni inainte ca sistemul sa se deterioreze. Exista de asemenea standarde care furnizeaza nivele de vibratii pentru grupe de echipamente si viteze de operare. Acestea pot fi folosite ca termen de comparatie in stabilirea nivelului de vibratii ale unui anumit echipament.

Pe piata exista o gama larga de instrumente de masura a vibratiilor, de la tipul portabil, pana la echipamente complexe, fixe, pentru sisteme care necesita o monitorizare permanenta.

Marea majoritate a aparatelor de masurare a vibratiilor lucreaza in domeniul 10 Hz1kHz, considerat cel mai bun interval pentru probleme de tipul dezechilibre, excentricitati, eforturi suplimentare.

Aparatele mai sofisticate lucreaza intr-o banda mult mai larga, pana la 20 kHz si afiseaza atat in domeniu timp cat si in domeniul frecventa pe ecran LCD. Datele pot fi prelucrate imediat sau pot fi descarcate pe un computer host pentru analiza si procesare. Aceste sisteme pot fi utilizate nu numai pentru masurarea vibratiilor, dar si pentru diagnosticarea unor defecte specifice, pe baza transformatei Fourier (FFT).

Un alt parametru cheie care poate furniza informatii asupra starii unui echipament/sistem este temperatura. Aceasta este un indicator important al conditiilor mecanice, electrice sau al sarcinii aplicate unei anumite componente. De exemplu, frecarile intr-un lagar determina cresterea temperaturii. Instaland termocuple in lacasul lagarelor si masurand modificarile de temperatura poate fi stabilita prezenta unor probleme. Intretinerea poate fi astfel programata incat sa se evite aparitia unei probleme mai serioase.

Termografia reprezinta utilizarea unei camere cu infrarosu pentru a vizualiza si masura energia termica emisa de un obiect. Energia termica este o parte a spectrului electromagnetic ce nu poate fi detectata de ochiul uman, dar este perceputa ca si caldura. In domeniul infrarosu, orice corp cu temperatura diferita de zero emite caldura. Chiar si obiectele cu temperatura sub zero grade emit unde in infrarosu. Camerele cu infrarosu produc imagini ale radiatiei termice si dau posibilitatea masurarii temperaturii fara contact direct.

Analiza fluidului de ungere poate fi utilizata pentru a determina conditiile de uzura mecanica, cele de lubrifiere sau starea fluidului. Prezenta unor particule metalice in fluidul de ungere sugereaza existenta unei uzuri, analiza acestora furnizand informatii asupra piesei supuse uzurii. Aciditatea fluidului arata fie oxidarea datorita temperaturilor inalte de lucru, fie contaminarea cu particule de apa sau utilizarea indelungata a acestuia. Vascozitatea este de asemenea un parametru important si trebuie sa fie in conformitate cu cea precizata in datele producatorului. Alcalinitatea sau pierderea acesteia dovedeste ca fluidul este in contact cu acizi anorganici precum acidul sulfuric sau cel nitric.

Pentru analiza fluidului se utilizeaza o serie de metode, parte dintre ele fiind prezentate in continuare.

Spectrometria reprezinta masurarea cantitatii si tipului elementelor metalice intr-o monstra de fluid. Principiul de operare consta in pulverizarea unei monstre de fluid diluat intr-un gaz inert formand un aerosol. Acesta este introdus intr-un camp magnetic pentru a forma o plasma la o temperatura de aproximativ 9000°C. Ca rezultat al acestei temperaturi ridicate, ionii metalici preiau si elibereaza energie sub forma de fotoni. In acest fel este creat un spectru cu diferite lungimi de unda pentru fiecare element metalic. Un spectrometru poate detecta particole foarte mici de metal aflate in suspensie in fluid, cu dimensiuni de la 0 la 3 microni, ca indicatori ai prezentei unei uzuri.

Un dispozitiv relativ ieftin, pentru detectarea zgomotolui ultrasonic, poate fi utilizat pentru a determina scurgeri de lichid sau gaz. Cand un fluid trece de la o zona de presiune mare la una de presiune redusa se produce zgomot ultrasonic datorita curgerii turbulente. Detectorul transforma zgomotul ultrasonic in zgomot in gama audibila. Inspectiile se fac de obicei semestrial sau anual.

O componenta importanta a unui sistem electromecanic este blocul de actionare electrica. Pentru detectia si diagnosticarea defectelor in sistemele de actionare electrica s-au dezvoltat o gama larga de metode, atat pentru circuitul de forta, cat si pentru convertorul electromecanic. Masurarea impedantei complexe, a rezistentei de izolatie, analiza spectrului de armonici al curentului de faza, sau a fluxului de scapari, sunt cateva metode utilizate la diagnosticarea sistemelor de actionare electrica.

Principalele defecte ce pot aparea in sistemele de actionare electrica se refera la probleme legate de lagarele masinilor electrice, excentricitati, scurtcicuite ale infasurarilor, bare rupte, miezuri neomogene, etc.

In continuare ne vom referi pe larg la analiza vibratiilor, o metoda des intalnit in strategiile de mentenanta ale centralelor eoliene.

4.3.2 Analiza vibratiilor

Vibratia in literatura de specialitate este definita ca o miscare repetitiva in jurul pozitiei sale de echilibru.

Vibratiile sunt fenomene dinamice care apar in medii elastice in urma unei excitatii locale si care se propaga in interiorul mediului sub forma unor oscilatii. Mediul trebuie sa fie destul de mare pentru a se putea vorbi de o excitatie locala, respectiv ca aceasta sa se propage prin oscilatii. Vibratia se caracterizeaza prin amplitudine, viteza, acceleratie si spectru de frecvente.

Orice sistem mecanic aflat in miscare genereaza un anumit profil de vibratii care reflecta modul sau de operare.

Analiza vibratiilor are ca roluri principale urmatoarele:

detectarea unor defecte de fabricatie;

evitarea defectelor in functionare ce pot duce la pierderea, recuperabila sau irecuperabila a capacitatii de lucru a unui sistem/proces.

Mai jos in fig 4.2 este prezentat un exemplu al oscilatiei in timp in jurul pozitiei de echilibru.

Fig. 4.2. Oscilatia in timp in jurul pozitiei de echilibru

Descrierea vibratiilor

Vibratiile sunt caracterizate de deplasare:

X(t) = Asin( 2πfT + φ) ,

in care:

-A - amplitudinea;

-f - frecventa;

-φ - faza defineste pozitia corpului in raport cu un altul la un anumit moment de timp;

-T - perioada miscarii oscilatorii reprezinta timpul necesar executarii unei oscilatii, si anume: pozitia de echilibru - pozitia superioara - pozitia de echilibru – pozitia inferioara – pozitia de echilibru (1/f).

Cum am spus si mai sus vibratiile sunt caracterizate si de viteza si de acceleratie.

In figura de mai jos sunt prezentate deplasarea X(t), viteza v(t) si acceleratia a(t) (marimile ce caracterizeaza vibratia) si modul de propagare al acestora in timp.

Fig. 4.3. Reprezentarea deplasarii X(t), vitezei v(t) si acceleratiei a(t) in timp

Viteza:

v(t) = dX(t) / d(t) = 2π f A cos(2π ft +φ) = v_max cos(2π ft +φ)

Acceleratia:

a(t) = dX(t) / d(t) = -2πf v_max sin(2π ft +φ)= -a_max sin(2π ft +φ)

Compunerea vibratiilor

Pentru a compune vibratiile si a afla vibratia rezultanta vom lua ca exemplu graficul de mai jos (fig. 4.4):

Fig. 4.4 Compunerea vibratiilor de frecvente diferite

In cazul prezentat avem doua surse de vibratii A si B de frecvente f(a) si f(b). Vibratia rezultanta se caculeaza dupa urmatoarea formula:

x( t ) xa ( t ) xb ( t ) , rezulta :

x( t ) xa ( t ) xb ( t ) Xa sinwa t Xb sinwbt

Dupa cum se poate observa din grafic vibratia rezultanta nu are o forma sinusoidala.

In echipamentele industriale, de obicei, se masoara vibratiile care se propaga in medii solide si care se masoara cu traductoare pentru marimi cinematice (deplasare, viteza, acceleratie).

Daca parametrul masurat este acceleratia, ceilalti doi se obtin prin integrare. Dupa cum integrarea este mai simpla cu circuite electronice, este mai avantajoasa masurarea acceleratiei.

In realitate aceste marimi sunt mai complexe, legea de variatie nefiind sinusoidala. De aceea se face o inregistrarea a vibratiei, se descompune in componente care sunt sinusoidale, se face o analiza spectrala si pe baza acesteia se determina natura vibratiei.

Componente spectrale ale vibratiei:

Reprezentarea in domeniul timp:

Fig 4.5. Reprezentarea componentelor spectrale in domeniul timp

Aceasta reprezentare in domeniul timp ne ajuta la determinarea profilului vibratiilor (vibration profile).

Reprezentarea in domeniul frecventa:

Fig 4.6. Reprezentarea componentelor spectrale in domeniul frecventa

Reprezentarea in domeniul frecventa ne indica raspunsul frecvential ( frequency signature).

Factori ce influenteaza nivelul vibratiilor:

- Masa este proprietatea care descrie cat de mult material este present in masina/echipament;

- Rigiditatea este o proprietate a unui corp care descrie nivelul fortei de rezistenta la modificarea lungimii acestuia;

- Amortizarea reprezinta un mod de a reduce viteza prin aplicarea unei forte de rezistenta;

- Gradele de libertate indica numarul de coordonate care definesc pozitia geometrica la fiecare moment de timp.

Tipul si formatul datelor in analiza vibratiilor

Tipurile de date pot fi digitale sau analogice.

Formatul poate fi :

de regim permanent: au la baza achizitia datelor cand masina/procesul opereaza la o viteza constanta si la parametri specifici;

de regim dinamic: in procesul achizitiei si analizei sunt ignorate orice procese tranzitorii ce ar putea sa apara in timpul functionarii, procese datorate fie modificarii vitezei, fie modificarii altor parametri, astfel incat pot fi pierdute din vedere orice fenomene ce ar putea afecta intr-o maniera negativa masina/procesul.

Achizitia datelor

Aceasta se poate realiza in doua moduri:

monocanal: datele sunt achizitionate serial sau pe un singur canal la un moment dat;

multicanal: datele sunt achizitionate simultan din toate punctele de masurare, permitandu-se stabilirea relatiei intre dinamica masinii si profilul vibratiilor.

Achizitia datelor se realizeaza cu ajutorul traductoarelor de pozitie, traductoarelor de viteza si cu ajutorul accelerometrelor.

Cunoasterea marimilor caracteristice vibratiilor are o mare importanta in tehnica. Amplitudinea vibratiilor informeaza despre jocurile existente intre piese, acceleratia vibratiei informeaza despre intensitatea fortelor de solicitare care actioneaza din cauza vibratiei, iar viteza informeaza despre zgomotul acustic produs de mediul care vibreaza, dar si despre energia vibratiei.

Avantajele mentenantei predictive:

mareste durata de viata a partilor componente;

creste fiabilitatea echipamentelor, si deci, indicatorii de disponibilitate ai instalatiei;

monitorizeaza starea efectiva a echipamentelor;

asigura buna organizare a bugetului destinat pieselor de schimb si a timpului de lucru.

Dezavantajele mentenantei predictive:

este necesar sa se acorde o atentie marita atat masinilor cat si oamenilor;

aparatele de masura trebuie sa aibe o clasa de precizie ridicata;

investitie mare in aparatura de masura adecvata;

investitia in scolarizarea persoanelor care vor face masuratorile este mare.

Pe plan mondial, mentenanta predictiva tinde sa o inlocuiasca pe cea preventiva, realizandu-se astfel substantiale economii de manopera si materiale.

5. Calculul unui boiler pentru apa calda menajera

Boilerul incalzit cu apa fierbinte este un schimbator de caldura cu acumulare. Boilerul acumulator este alcatuit dintr-un rezervor cilindric de otel, in interiorul caruia se afla amplasata o serpentina dubla care constituie suprafata de transfer de caldura.

Serpentina este cuplata la colectoarele tur si retur ale cazanului de apa calda. Aparatele de masura montate in instalatie permit masurarea debitului de apa calda, a temperaturii si presiunii apei calde precum si a temperaturii care stationeaza in interiorul rezervorului boilerului.

Lucrarea are ca scop calcularea marimilor caracteristice ale unui boiler acumulator incalzit cu apa calda pe durata unui ciclu de functionare (incalzire). Se pune astfel in evidenta dependenta intre debitul de apa calda si durata incalzirii si se pot determina valorile coeficientului de retinere a caldurii si coeficientul global de schimb de caldura.

Instalatia se compune din boilerul acumulator de tip orizontal, cazanul cu apa calda si circuitele aferente. Boilerul acumulator este alcatuit dintr-un rezervor cilindric de otel in interiorul caruia este amplasata o serpentina dubla care constituie suprafata de transfer de caldura. Serpentina este cuplata la colectoarele tur si retur ale circuitului. In functie de destinatie, de conditiile functionale si de cele economice, in calitate de agenti termici se pot folosi: apa, aburul, gazele de ardere, aerul, uleiul, gazele topite, diferite solutii de saruri si amestecuri de lichide, combinatii organice silicoase etc.

In cazul apei, principalele avantaje constau in:

coeficientul ridicat de schimb de caldura;

posibilitati de transport la distante mari;

caldura latenta de vaporizare mare;

gradul de raspandire;

costul redus;

pierderi de caldura mici (cca. 1^oC / km).

Principalele dezavantaje sunt:

dependenta temperaturii de presiune;

necesitatea unor instalatii de pompare pentru asigurarea circulatiei.

Fig. 5.1. Boiler incalzit cu apa fierbinte

Ne sunt necesare urmatoarele date de intrare:

debitul de apa calda: m₁ = 1 m³ /s;

temperatura apei calde la intrare: t₁^’ = 70 ⁰C;

temperatura apei reci din boiler la momentul initial: t_2i = 15 ⁰C;

temperatura apei reci din boiler la momentul final: t_2f = 40 ⁰C;

capacitatea rezervorului: M₂ = 160 kg;

lungimea de desfasurare a serpentinei: L = 5,74 m;

diametrul interior al serpentinei: d_i = 25 mm;

diametrul exterior al serpentinei: d_e = 32 mm;

grosimea peretelui serpentinei: δ_p = 3,5 mm;

conductivitatea termica a peretelui serpentinei: λ_p = 45 W/mK;

suprafata de schimb de caldura: S = 0,51 m²;

coeficientul de retinere a caldurii: _p

Temperaturile peretilor se determina iterativ:

alegem temperatura medie a apei calde la iesire: t₁^” = 60 ⁰C;

temperatura medie a apei calde va fi:

t₁ = (t^’₁ + t^”₂) / 2 = 65⁰C

densitatea apei calde: ρ = 1000 – 0,0179 ∙ [(t₁-4)²]^0,85 = 980,6 kg/m³

caldura specifica a apei calde: c_p1 = 4188 J / kgK

vascozitatea dinamica a apei calde:

1750 / (1000 + 32.2t₁ + 0,28 t₁² – 0,00075t₁³) 0,001 = 4,300E – 04Pas

vascozitatea cinematica a apei calde:

4, 385E -07m² / s

conductivitatea termica a apei calde:

0, 659 W/mK

criteriul Prandtl pentru apa calda:

p_r1 = η₁∙c_p1 / λ₁ = 2,73

capacitatea termica a apei calde:

C₁ = m₁ / (3600 ∙ ρ₁ ∙ c_p1) = 1140,8 W/K

viteza apei calde:

w₁ = 4 ∙ m₁ / [ (3600 / 2π) ∙ ( d₁ / 1000)²] = 0,283 m / s

criteriul Reynolds pentru apa calda: Re₁ = w₁∙ d₁ / 1000 ∙ γ₁ = 16132

se alege temperatura peretelui: t_p1 = 53⁰C;

criteriul Prandtl pentru apa la temperatura peretelui: Pr_p1 = 3,35

criteriul Nusselt pentru apa calda:

Nu₁ = 0,021 ∙ Re₁^0,8 ∙ Pr₁^0,43 ∙ ( Pr₁ / Pr_p1 )^0,25 = 71,5

coeficientul de convectie pe partea de apa calda:

= ( Nu₁ ∙ λ₁ ) / ( d₁ / 1000) = 1884 W / m² K

temperatura medie a apei reci pe durata incalzirii:

t₂ = t^’₁ – [ (t_2f – t_2i) / ln ( t^’₁ – t_2i / t^’₁ – t_2f )] = 28,8 ⁰C

diferenta medie de temperatura: ∆t_m = t₁ – t₂ = 36,2⁰C;

se alege temperatura peretelui pe partea apei reci: t_p2 = 50⁰C;

temperatura medie a stratului limita este:

t_s1 = t_p2 – t₂ / 2 = 39,4⁰C

densitatea apei reci: ρ₂ = 992,3 kg / m³

caldura specifica a apei reci: c_p2 = 4178,7 J/kgK

vascozitatea dinamica a apei reci: η₂ = 6,590E – 04 [Pa ∙ s]

vascozitatea cinematica a apei reci:

= η₂ / t₂ = 2,292E – 05m² / s

conductivitatea termica a apei reci:

λ₂ = 0,631 W / (mK)

criteriul Prandtl pentru apa rece: Pr₂ = η₂ ∙ ρ₂ / λ₂ = 4,37

coeficientul de dilatare volumica:

= 0,000005 ∙ t₂³ – 0,0012 ∙ t₂² + 0,147 ∙ t₂ – 0,4143 = 2,94 [ 1 / ⁰C ]

capacitatea termica a apei reci C₂^” = M₂ ∙ c_p2 = 668597,7 J / K

criteriul Grashoff:

Gr₂ = 9,81 ∙ β₂ ∙ ( d_e / 1000)³ ∙ ( t_p2 – t₂ / γ₂)² = 3,817E + 07

criteriul Nusselt pentru apa rece:

Nu₂ = 0,5 ∙ (Gr₂ ∙ Pr₂)^0,25 ∙ (Pr₂ / Pr_p1)^0,25 = 60,7

coeficientul de convectie pe partea apei reci:

= 1197 W / (m²K)

coeficientul global liniar de transfer de caldura: k₁ = 62,7 W / (m²K)

coeficientul global de transfer de caldura de suprafata

k_s = 700,5 W / (m²K)

temperatura peretelui pe partea de apa calda:

t^*_p1 = t₁ - k_s / α₁ ∙ ∆t_m = 51,5 ⁰C

temperatura peretelui pe partea de apa rece:

t^*_p2 = t₂ + k_s / α₂ ∙ ∆t_m = 50 ⁰C

temperatura medie a apei calde la iesire: t^”₁ =58,6 ⁰C

timpul de incalzire: = 21,9 minute

temperatura medie a apei calde la iesire la momentul final: t^”_1f = 61,7 ⁰C

Efectuarea bilantului termic

dQ = η_r ∙ m₁ ∙ c_p1 ∙ ( t^’₁ – t^”₁) ∙ dτ = m₂ ∙ c_p2 ∙ dt₂ = k_s ∙ S₀ ∙ ∆t_med ∙ dτ [J]

dQ = η_r ∙ C₁ ∙ ( t^’₁ – t^”₁) ∙ dτ = C^*₂ ∙ dt₂ = k_s ∙ S₀ ∙ [(t^’₁ – t^”₁) / ln (t^’₁ – t₂ / t^”₁ – t₂) ∙ dτ [J]

è ln (t^’₁ – t₂ / t^”₁ – t₂) = k_s ∙ S₀ / η_r ∙ C₁ è t^”₁ = t₂ + (t^’₁ – t₂) ∙ e ^{ks ∙ So / ηr ∙ C}

_f = [(C^*₂ / η_r ∙ C₁) ∙ ln (t^’₁ – t_2i / t^’₁ – t_2f)] e ^{ks ∙ S / r ∙ C}

_f ࠽ 132,86

S₀ = η_r ∙ C_ေ o k_s ∙ ln [(C^*₂ / η_r ∙ у₁ ∙ _f ) ∙ ቬn`(t^’₁ – t_2i / t^’₁ –†t_2f) -01䁝 = 0,878 m²

Boilerul 䁥ste incalzit cu apa fierbinte.

Fig. 5.2. Diagramele de varɩatie a temperaturũlor agentilor teၲmi⁣i in cazul boilerului acࡵmulator incalzitဠѣu apa calda