UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV FACULTATEA DE INGINERIE TEHNOLOGICĂ CATEDRA DESIGN DE PRODUS ŞI ROBOTICĂ. Ing. Ionela NEGREA

UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV FACULTATEA DE INGINERIE TEHNOLOGICĂ CATEDRA DESIGN DE PRODUS ŞI ROBOTICĂ Ing. Ionela NEGREA STUDIUL ADAPTABILITĂŢII TURBINELOR EOLIENE DE MICĂ PUTERE LA CONDIŢIILE CLIMATICE DIN ROMÂNIA ADAPTABILITY STUDY OF SMALL WIND TURBINES AT THE CLIMATIC CONDITION FROM ROMANIA - Rezumatul tezei de doctorat Conducător ştiinţific Prof. Univ. Dr. Ing. Ion VIŞA Braşov 2010

MINISTERUL EDUCAŢIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAŞOV BRAŞOV, B-dul EROILOR, Nr. 29, 500036 Tel. 0268413000, Fax.+40-0268410525 D-nei/lui. COMPONENŢA Comisiei de doctorat Numită prin Ordinul Rectorului Universităţii Transilvania din Braşov 4222/28.09.2010 PREŞEDINTE Prof. univ. dr. ing. Nouraş Barbu LUPULESCU Decan - Facultatea de Inginerie Tehnologică Universitatea Transilvania din Braşov CONDUCĂTOR ŞTIINŢIFIC Prof. univ. dr. ing. Ion VIŞA REFERENŢI ŞTIINŢIFICI Prof. univ. dr. ing. Mătieş VISTRIAN Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca Cercet. şt. gr. I, dr. fiz. Dan Ilie TEODOREANU Institutul de Cercetări Electrotehnice Bucureşti Prof. univ. dr. ing. Dorin DIACONESCU Universitatea Transilvania din Braşov Data, ora şi locul susţinerii publice a tezei de doctorat: 26 noiembrie 2010, ora 11:00, Colina Universităţii, corp E, sala E.II.4 (Casuţa Solară) Eventualele aprecieri şi observaţii asupra lucrării vă rugăm să le transmiteţi în timp util pe adresa Universităţii Transilania din Braşov sau pe adresa de e-mail: ionela_n@unitbv.ro 3

CUPRINS Pag. Teză Pag. Rez Precizări... 1 3 1. Stadiul actual în dezvoltarea turbinelor eoliene şi identificarea obiectivelor tezei referitoare la turbinele eoliene de mică putere... 4 4 1.1.Energia eoliană... 4 4 1.1.1.Clasificarea vânturilor... 4-1.1.2. Caracteristicile vântului... 7-1.1.3. Instrumente de măsură... 10-1.1.4. Varaţia vitezei vântului în Europa şi în România... 13 4 1.2. Sisteme de conversie a energiei eoliene... 22 6 1.2.1. Istoria turbinelor eoliene... 23-1.2.2. Mărimi caracteristice ale vitezei vântului... 27-1.2.3. Clasificarea sistemelor de conversie a energiei eoliene... 29 6 1.3. Turbine eoliene de mică putere... 37 7 1.3.1. Turbine eoliene de mică putere cu ax vertical... 38-1.3.2. Turbine eoliene de mică putere cu ax orizontal... 42 7 1.4. Concluzii asupra stadiului actual... 58 13 1.5. Obiectivele tezei... 59 14 2. Conceperea rotorului turbinei eoliene de mică putere... 60 15 2.1. Conceptul general al rotorului turbinei eoliene... 60 15 2.2.Conceptul palelor... 66 16 2.2.1. Materialele din care sunt realizate profilele de pală... 66 16 2.2.2. Definirea profilelor de pală propuse... 69 16 2.3. Optimizarea conceptuală a obadei turbinei eoliene... 74 17 2.4. Concluzii şi contribuţii originale... 77 19 3. Model de calcul pentru încărcarea palelor turbinei eoliene si verificarea 79 20 rezistenţei palelor... 3.1. Modelarea încărcării unei pale... 79 20 3.2. Analiza deformaţiilor şi tensiunilor din palele rotorului prin MEF... 85 24 3.4. Concluzii şi contribuţii originale... 89 26 4. Conceperea şi realizarea standului experimental şi a programului de testări... 91 27 4.1. Structura standului... 92 27 4.2. Programul de testări... 98 28 4.3. Concluzii şi contribuţii originale... 102 29 5. Testarea şi prelucrarea rezultatelor obţinute... 103 30 5.1. Prelucrarea şi optimizarea rezultatelor... 103 30 5.2. Concluzii şi contribuţii originale... 112 37 1

6. Conceperea şi realizarea unui kit eolian didactic ca instalaţie amovibilă de 114 39 laborator... 6.1. Structura kitului eolian didactic... 114 39 6.2. Comparaţia rezultatelor între standul de testări şi kitul eolian didactic... 116 40 6.3. Lucrare de laborator, privind conversia energiei eoliene în energie electrică, 128 - bazată pe kitul eolian propus... 6.4. Concluzii şi contribuţii originale... 134 42 7. Concluzii finale, contribuţii şi diseminarea rezultatelor... 136 44 7.1. Concluzii finale şi contribuţii... 136 44 7.2. Diseminarea rezultatelor... 142 47 Bibliografie... 143 - Bibliografie selectivă... 49 Rezumat.. 53 Summary... 53 Curriculum vitae... 54 Curriculum vitae (eng.)... 57 Notă: Pentru capitole, subcapitole, figuri şi relaţii în rezumat s-au păstrat numerele de ordine din teză 2

PRECIZĂRI În contextul noii ere energetice şi a noilor tehnologii, care au cunoscut o tot mai mare dezvoltare, a crescut interesul pentru reducerea, prin intermediul surselor de energii regenerabile, a consumului de combustibili fosili şi implicit a poluării. O direcţie reprezentativă în cadrul domeniului utilizării surselor de energie regenerabilă se referă la conversia energiei eoliene în energie electrică, bazată pe utilizarea de turbine eoliene; dezvoltarea acestor sisteme de conversie a condus la identificarea de noi soluţii inovative caracterizate prin eficienţă ridicată, costuri reduse, fiabilitate şi adaptabilitate la condiţiile de implementare. Lucrarea elaborată are ca principal obiectiv conceperea, realizarea şi optimizarea unui rotor de turbină eoliană de mică putere care să pornească la viteze reduse ale vântului (sub 3 m/s), specific zonelor de implementare cu potenţial eolian redus, caracterizat prin tehnologie simplă, preţ de cost scăzut şi o întreţinere uşoară. Aria de cercetare a acestui program de doctorat se înscrie în domeniile prioritare de cercetare stabilite la nivel european, prin programul FP7, şi se încadrează în aria tematică Energie, subaria tematică Producerea de electriciate din surse regenerabile. * * * Aduc mulţumiri conducătorului ştiinţific, Prof. Univ. Dr. Ing. Ion VIŞA, pentru sprijinul continu, pentru oportunităţile de dezvoltare profesională pe care mi le-a oferit. De asemenea aduc mulţumiri domnului Prof. Univ. Dr. Ing. Dorin DIACONESCU pentru sprijinul şi suportul profesional deosebit şi domnului Ing. Ioan ŢOŢU, director Centru de Tehnologii, Inventică şi Busines pentru ajutorul acordat la dezvoltarea instalaţiei experimental. Muţumiri adresez tuturor colegilor de catedră şi din Departamentul de Cercetare Ştiinţifică pentru sprijinul moral şi profesional. Mulţumiri adresez de asemenea şi familiei, care m-a încurajat şi susţinut pe toată perioada tezei. 3

1. Stadiul actual în dezvoltarea turbinelor eoliene şi identificarea obiectivelor tezei referitoare la turbinele eoliene de mică putere În acest capitol se prezintă stadiul actual privind dezvoltarea turbinelor eoliene destinate producerii de electricitate şi, în funcţie de limitele identificate, se stabilesc obiectivele tezei. 1.1. Energia eoliană O sursă importantă de energie, folosită încă din antichitate, este energia eoliană generată prin încălzirea inegală a straturilor de aer (fig. 1.1) [ILN1984], [***1], [***2]. Fig. 1.1. Schema distribuţiei radiaţiei solare în atmosferă, prelucrare după [ILN1984] Masa de aer rece cu presiune ridicată se îndreaptă spre zonele mai încălzite unde presiunea este mai redusă [ILN1984]. Mişcările aerului pot fi: orizontale, verticale şi înclinate; mişcarea orizontală şi aproximativ orizontală (a aerului) este numită vânt, iar mişcările pe verticală şi înclinate ale aerului se numesc curenţi. 1.1.4. Variaţia vitezei vântului în Europa şi în România O hartă a energiei vântului în Europa a fost dată de Department of Civil and Environmental Engineering, Stanford University, California, USA, în anul 2000, conform căreia, cel mai mare potenţial eolian din Europa se află în zona nordică a Franţei, Belgiei, Germaniei, Spaniei, Olandei, Marii Britanie şi a Danemarcei. Ţara noastră, situată într-o zonă de interferenţă a maselor de aer cu contraste termobarice ridicate, dispune în ansamblu de un potenţial energetic eolian bun. Configuraţia reliefului, care compartimentează teritoriul ţării, imprimă modificări evidente ale vitezei vântului de la o regiune la alta, determinând o repartiţie neuniformă a sa. O hartă a potenţialului eolian a fost publicată de ICEMENERG în anul 2007 (fig. 1.13), din care se pot trage unele concluzii privind eventualele amplasamente ale turbinelor eoliene: în zonele 4

muntoase înalte viteza medie a vântului este de peste 8,5 m/s; în zona Mării Negre cât şi a Litoralului viteza medie a vântului este de peste 7-8 m/s. [***10] Fig. 1.13. Viteza vântului în România [***10] Pentru a se putea indentifica tipul de sistem performant, capabil să funcţioneze la viteze reduse ale vântului s-a determinat media numărului de ore/lună cu vânt pentru zona Braşov, pe perioada anilor 2006, 2007, 2008 şi 2009. În funcţie de aceste valori s-a calculat numărul de ore/an cu vânt 0-2 m/s, 2-3 m/s, 3-4 m/s. În fig. 1.26 sunt reprezentate mediile şi procentul orelor anuale cu vânt, specific zonei Colinei Universităţii. În concluzie, în zona analizată putem spune că, de regulă viteza vântului este sub 2 m/s (81-83% din timp), în timp ce viteze superioare la 2 m/s sunt în procente foarte mici (16-18%). Ca urmare, folosirea de centrale eoliene în astfel de zone devine eficientă dacă ele încep să funcţioneze la capacitate proiectată încă de la aceste viteze mici ale vântului. Fig. 1.26. Mediile procentuale ale orelor anuale cu vânt pe perioada 2006-2009 5

1.2. Sisteme de conversie a energiei eoliene În fig. 1.27 se prezintă schema privind conversia energiei eoliene în energie mecanică şi electrică, cu evidenţierea unor aplicaţii reprezentative. Energia eoliană s-a folosit de mii de ani; la început energia mecanică preluată de la vânt era folosită de vasele de navigaţie, pentru pomparea apei, pentru irigaţii şi de morile de vânt pentru măcinarea grânelor, [BOD2007]. Mai târziu această energie mecanică s-a transformat în energie electrică cu ajutorul turbinelor eoliene (morile de vânt moderne) care puteau fi legate la reţeaua de curent electric. Mori de vânt Irigaţii Vase pentru navigaţie Energia eoliană Energia mecanică Energia electrică Turbine eoliene (Generator eolian, Aerogenerator, Convertor eolian) Independente de reţeaua electrică Legate la reţeaua electrică Fig. 1.27. Schema conversiei energiei 1.2.3. Clasificarea sistemelor de conversie a energiei eoliene Sistemele care realizează conversia energiei eoliană în energie electrică sunt turbinele eoliene. Elese clasifică în funcţie de poziţia axului, astfel: 1) Turbine eoliene cu ax orizontal, au axul rotorului aşezat pe orizontală. În prezent sunt cele mai variate din punct de vedere constructiv şi cele mai răspândite. Acestea pot avea de la 1 până la 18 pale, cele cu una, două şi trei pale sunt turbine rapide şi cu pale multiple, (mai mult de 3 pale) sunt turbine lente (fig. 1.29) [BOE2004], [ILN1984], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008]. Fig. 1.29. Clasificarea turbinelor eoliene cu ax orizontal, a o pală, b două pale, c trei pale, 6

d cu pale multiple 2) Turbine eoliene cu ax vertical, au axul rotorului aşezat pe verticală. Cele mai răspândite sunt turbinele Darrieus, Savonius, Musgrove, Evence cu două sau trei pale subţiri aerodinamice încastrate de un ax vertical, şi Savonius cu două pale cu profil aerodinamic fixate de axul vertical. Avantajul lor este în principal acela că rotorul acestora nu trebuie orientat după vânt (fig. 1.30). Dezavantajul lor este că nu pot fi amplasate pe stâlpi la înălţime, ca urmare beneficiază de vântul de la nivelul solului până la 50m înălţime. [BOE2004], [ILN1984], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008] Fig. 1.30. Clasificarea turbinelor eoliene cu ax vertical, a Darrieus, b Savonius, c Evence, d - Musgrove Turbinele eoliene se clasifică după puterea electrică furnizată, astfel: Turbine de putere mică (sub 100kW) utilizate în general pentru uz casnic, agricol, etc.; Turbine de putere medie şi mare (peste 100kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în reţea [BOE2004], [ILN1984], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008], [SLG2009]. 1.3. Turbine eoliene de mică putere Turbinele eoliene de mică putere au fost şi sunt folosite pentru necesităţile energetice proprii ale consumatorilor. Datorită costului redus şi al modului de întreţinere uşor, comercializarea lor se extinde din ce în ce mai mult, fiind utilizate pentru alimentarea cu energie electrică a utilizatorilor izolaţi, care nu sunt conectaţi la reţeaua de energie electrică sau pentru funcţionalităţi diverse în mediul construit. O turbină eoliană de mică putere se defineşte ca un sistem de conversie al energiei mecanice, preluată de la vânt, în energie electrică, cu putere de până la 100 de kw [BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984]. 1.3.2. Turbine eoliene de mică putere cu ax orizontal Turbinele eoliene cu ax orizontal există într-o varietate largă de soluţii constructive şi sunt caracterizate printr-un coeficient de putere apropiat de limita lui Betz (0,593). Aceste turbine au fost printre primele soluţii utilizate pentru satisfacerea nevoilor personale şi ale comunităţii. Astăzi sunt 7

utilizate din ce în ce mai mult, datorită eficienţei mărite a conversiei energiei electrice în comparaţie cu turbinele eoliene de mică putere cu ax vertical. Axul principal al rotorului turbinelor de acest tip este poziţionat pe orizontală, astfel încât palele rotorului să fie perpendiculare pe acesta. Turbina eoliană este orintată în amonte, adică cu vânt ascendent, din faţa turbinei, palele sunt rigide, iar rotorul este orientat pe direcţia vântului. Părţile componente ale acestor turbine sunt prezentate în figura 1.34. În tabelul 1.10. sunt prezentate în detaliu parţile componente [BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984], [TD1], [MAM2002], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008] [ITF2010], [WRW2004], [NAN2009], [HHK2009], [CLW1999]. Nr. crt Fig. 1.34. Părţile componente ale turbinelor eoliene de mică putere cu ax orizontal Tabel 1.10 Descriere Părţi componente 1 Rotor 2 Generator/ alternator 3 Cutie de viteze Rotorul este format din arborele principal şi pale. Palele sunt în general în număr de trei, sunt realizate din compozite armate cu fibră de sticlă, mase plastice, metal sau lemn şi sunt de formă aerodinamică. Suprafaţa acoperită de pale într-o rotaţie completă determină puterea generată de sistem. Arborele principal este poziţionat pe orizontală. Generatorul/alternatorul este cuplat direct de arborele principal al turbinei şi, la rotirea rotorului produce energie electrică. Dacă sistemul este construit cu generator atunci curentul produs de turbină este continuu, dacă este echipat cu alternator curentul produs de turbină este alternativ. Cutia de viteze este folosită la turbinele eoliene de mică putere cu puteri peste 10 kw. Are rolul de a regla viteza de rotaţie a rotorului. 4 Nacela Nacela este o carcasă care include generatorul şi cutia de viteze. 8

Nr.crt Părţi componente 5 Sistem de orientare 6 Sistemul de control şi protecţie Descriere Tabel 1.10 (continuare) Are rolul de a orienta turbina pe direcţia vântului. Multe turbine de mică putere folosesc un sistem simplu, cu coadă tip giruetă, care se orienteză pe direcţia vântului. Dacă sistemul este poziţionat în aval, adică vântul suflă în spatele palelor, rotorul se auto orientează pe direcţia vântului. Complexitatea acestui sistem depinde de tipul turbinei eoliene şi de capacitatea acesteia. [NAN2009] 7 Turnul Turnul susţine sistemul de orientare, nacela şi rotorul turbinei eoliene. Trebuie proiectat şi realizat astfel încât să reziste la condiţiile climatice nefavorabile, ca vânturile extreme, grindina, vijelii, din oţel. Există câteva tipuri de soluţii constructive de turnuri, printre care: Turn înclinat (conductă) este utilizat pentru sisteme care produc sub 1kW. Turnul ancorat este mai ieftin, de obicei este de tipul turn înclinat. Acest turn are nevoie de o suprafaţă destul de mare de ancorare, pentru a fi cât mai bine fixat. Turnul consolidat la bază prin fundaţie este de obicei de formă cilindrică sau de tip grindă cu zăbrele. Sunt mult mai rezistente decât celelalte, însă au un cost mai ridicat şi pentru instalare au nevoie de macara. [BIP2008] [BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984], [TD1], [MAM2002], [GAT2002], [SAH2006], [HAN2008] [ITF2010], [BIP2008], [WAC2001], [NAN2009], [HHK2005], [CLW1999] Mărimile caracteristice turbinelor eoliene de mică putere au fost definite în subcapitolul 1.2: rapiditatea λ, coeficienţii de putere şi moment, C P şi C m, turaţia n şi puterea P a turbinei. Turbinele eoliene de mică putere ca şi cele de mare putere utilizează frecvent profile cu trei pale, de formă aerodinamică. La mărirea numărului de pale rapiditatea se măreşte, implicit şi coeficientul de putere şi moment al turbinei [BOE2004], [BOD2009], [BOD2007], [ILN1984], [MAM2002], [GAT2002], [SAH2006]. Noi soluţii constructive de turbine eoliene de mică putere s-au realizat ca brevet de invenţie şi nu numai. În cele ce urmează sunt prezentate câteva dintre acestea cu avantajele şi dezavantajele lor. 1) Turbina eoliana cu vele brevet de invenţie nr. US 4208168 şi RO RO118723, autor Gutanu Mihai, Bucureşti, România, 2003. Turbina eoliană cu vele este formată dintr-un ax, un schelet cilindric liber sau fixat pe ax şi vele triunghiulare care captează energia vântului, similare velelor de ambarcaţiuni, având pe conturul exterior bare verticale; iar în planul bazei superior bare orizontale şi o volantă, astfel încât să permită montarea velelor verticale; manevrarea velelor se realizează în mod automat sub acţiunea cumulată a forţei centrifuge şi a vântului astfel încât fiecare velă utilizează vânt de pupa, vânt larg, vânt strâns şi vânt în vânt (fig. 1.35.a). Turbina eoliană cu vele prezintă ca principal dezavantaj gradul ridicat de complexitate la fixarea palelor în butuc; viteza de pornire este de 4 m/s. [B4] 2) Rotor eolian, pentru vânt cu intensitate redusă - brevet de invenţie nr. RO 122051 B1, autori Cristea Gheorghe, Teodoreanu Dan, Sontea Stefan, ICPE, Bucureşti, România, 2008. O altă soluţie de rotor pentru turbine eoliene care funcţionează la viteze reduse ale vâtului, 9

este alcătuit dintr-un arbore (1) pe care sunt încastrate radial pachete de pale elastice (2), de tip arc cu foi de lungimi inegale, dispuse sub formă de steag (coasă) şi înclinate cu unghiuri între 5º - 40º. Rotorul pentru turbina eoliană menţionată prezintă ca principale dezavantaje: rezistenţă mecanică relativ redusă a palelor şi gradul relativ ridicat de complexitate privind încastrarea pachetelor de pale pe cozi de steag (coasă) şi a cozilor cu arborele (fig. 1.35.b). [B1] 3) Roată eoliană, brevet DE 3210405 (A1) - soluţia de turbină eoliană este constituită dintr-un arbore central tubular care este rigidizat, prin mai multe rânduri de spiţe de sârmă dispuse înclinat (axial şi circumferenţial), cu un trunchi de con cu zăbrele, format din 2 inele rigidizate între ele cu ajutorul unor spiţe subţiri (înclinate, în ambele sensuri, faţă de generatoarele trunchiului de con) şi a unor profile tubulare (dispuse după generatoare), pe care sunt montate aripi profilate cu deschidere controlată; această soluţie are ca principal dezavantaj gradul ridicat de complexitate structurală şi constructivă (fig. 1.35.c). [B11] 4) Turbina eoliană multiplă tip roată de bicicletă - Rotorul acestei turbine este compus dintr-o obadă periferică 1 din tablă rulată sau ţeavă profilată, concentrică faţă de axa de rotaţie prin spiţele 2 care constituie în acelaşi timp şi palele turbinei. Spiţele sunt palele turbinei realizate din oţel (aliaj de aluminiu), sunt relativ înguste cu profil aerodinamic în formă de arc de cerc. La ceastă turbină se poate elimina multiplicatorul de turaţie, energia se captează de la periferia obezii 1 printro curea sau rolă de fricţiune (fig. 1.35.d). Generatorul este plasat în partea inferioară a rotorului şi se orientează împreună cu acesta, soluţia este specifică turbinele lente de mică putere (până la 6 kw). [ILN1984], [GAT2002] 5) Turbina eoliană - Berwian - departamentul de bionică şi evoluţia tehnicii TU Berlin au construit turbina BERWIAN. Palele sunt fixate la mijloc printr-un inel şi de butuc prin bare de fixare. Palele au formă aerodinamică, se utilizează în număr mare 6-9. Puterea de 5 KW, D rotor de 2m, V pornire de 3 m/s (fig.1.35.e). [GAT2002], [SAH2006] 6) O altă soluţie de turbină eoliană, este Maşina de putere eoliană, brevet GB 2441392 A/2006, formată din două roţi 3 şi 4, cu o axă comună de revoluţie de susţinere, fiecare roată include o serie de pale 2, de formă triunghiulară plană, care sunt fixate între obada roţii 1 şi butucul acesteia 6, palele se rotesc radial, având pas variabil. Pasul palelor este fixat de un mecanism de strângere. Fiecare roată poate să comprime paleta 7, care se foloseşte pentru operaţia dublă a roţilor; iar aceste roţi pentru a putea funcţiona împreună au între ele fixat un şasi 8 (fig. 1.35.f). Aceste rotoare sunt folosite la producerea energiei electrice, dar datorită construcţiei complexe au un randament scăzut, funcţionarea lor de la o viteză a vântului: v > 4 m/s, constituind un dezavantaj. [B16] 7) Această soluţie de turbină Roată velă tip moară de vânt, brevet US 6402472 B1/2000, este poziţionată pe direcţia vântului, astfel încât atunci când vântul loveşte palele acestea se înclină la un unghi optim de funcţionare. La viteze mari ale vântului unghiul de înclinare al palelor se reduce astfel încât întreaga roată să nu se distrugă, iar la viteze reduse ale vântului roata velă funcţioneză normal (fig. 1.35.g). Materialele din care sunt confecţionate palele poate constui un dezavantaj în momentul fixării în obadă, atunci când palele sunt tensionate prin arcuri, şi funcţionarea turbinei de la o viteză a vântului: v > 4 m/s. [B17] 8) O altă soluţie constructivă este Turbina cu obadă, brevet US 0140951 A1/2010, formată dintr-un rotor cu carcasă şi o obadă cuplată de carcasa rotorului prin pale multiple cu profil aerodinamic dreptunghiular. Pe lângă aceste componente turbina mai are şi un generator electric montat aproape de obadă. Obada 26 este conectată de butucul turbinei 27 prin pale multiple radiale 28, conform (fig. 1.35.h). Obada 26 şi palele 28 se rotesc în jurul butucului 27 la fel cum roata de bicicletă se roteşte în jurul axei. Partea plată 33a şi 33b susţine axul comun 23, dar în acelaşi timp ridică şi coboară sistemul faţă de fundaţie, cu ajutorul unui actuator 35; acesta mai are încorporat un 10

suport pentru lagăr 30a, care este adaptat să fixeze pe orizontală cablurile de fundaţie. În apropierea obadei este ataşată o bobină 29 montată pe suport fără să se rotească. Pala 45 este fixată în două puncte de axa 42 şi în şase puncte 39 de-a lungul segmentului obadei 36, la diferite circumferinţe de aceasta. Obada realizată din metal este împărţită în segmente 36, care servesc ca ancoră pentru palele 28. Aceste pale sunt confecţionate din materiale textile consolidate şi întărite. Acest sistem produce energie electrică la viteze ale vântului relativ ridicate peste 4 m/s şi are dezavantajul unor gabarite mari pentru obţinerea unei puteri medii. [B18] 9) Pale trunghiulare sau spiţe, brevet WO 48704 A1/1999 este o soluţie constructivă de turbină sub formă de roată de bicicletă, caracterizată prin aceea că palele sunt convexe sau plane pe toată lungimea şi lăţimea lor. Această soluţie de turbină este formată dintr-o roată de bicicletă, butucul se fixează de obadă prin spiţe şi tije, acestea au secţiune trunghiulară formând un unghi gol sau o curbă cu gol. La această turbină palele sunt în acelaşi timp şi spiţe şi pale, soluţia are viteza de pornire relativ ridicată, iar forma obadei este exact profilul roţii de bicicletă (fig. 1.35.i 1 şi i 2 ) [B19]. 10) Rotor, în particular pentru elice sau sisteme de energie eoliană, brevet WO 097850 A2/2009 - acestă soluţie constructivă are un rotor 1 format din două părţi de pală 3, care sunt fixate de butucul 2, pala are două suprafeţe, prima parte a palei are formă plană 4 şi a doua parte a palei lateral tot de formă plană 5, suprafeţele acestea ale palelor formează muchia 7 (fig. 1.35.j). În combinaţie cu muchia 8 al celui de-al doilea plan al palei, aceasta se află pe aceeaşi direcţie cu butucul turbinei. Pala mai are o muchie 10, formată dintr-o linie extinsă de la centrul butucului perpendiculară pe aceasta şi obţinându-se astfel un profil aerodinamic. Dezavantajul principal este viteza de pornire relativ mare de > 4 m/s şi complexitate ridicată la construcţia palelor. [B20] 11) O altă soluţie de turbină este Turbina roată, brevet US 7775760 B1/2010, formată dintr-o obadă fixată de butuc prin spiţe. O multitudine de pale cu profil aerodinamic sunt asamblate de roată, acestea sunt fixate de mai multe spiţe şi poziţionate în interiorul obadei la un anumit unghi, ce asigură frânarea întregului mecanism, cu lungime relativ mică pe spiţă (fig. 1.35.k). Turbina roată 100 mai este formată din butucul central 104, acesta este centrat de obada 102 printro multitudine de spiţe 108. Butucul central al turbinei 104 include un arbore suport 106, care este fixat central cu butucul 104. Spiţele turbinei 108 sunt asamblate utilizând forţa de tracţiune, astfel încât să menţină obada 102 în cea mai bună configuraţie. O serie de pale 110 sunt asamblate de spiţele 108, având o margine 112. Palele turbinei 110 sunt fixate pe spiţele 108, de formă aerodinamică. Această turbină poate să producă energie preluată de la vânt, prin forma aerdinamică a palelor, viteza de pornire este relativ mică, dar are un grad ridicat de complexitate. [B21] 12) Dispozitiv eolian pentru bicicletă, brevet CN 2272410 (Y)/1996 - soluţia constă dintro roată de bicicletă, prevăzută cu spiţe radiale şi mai multe pale plane (de formă aproximativ trapezoidală), în care fiecare pală este articulată, paralel cu o latura, la o spiţă şi este legată elastic, printr-un arc, de o pală adiacentă. Acest rotor de turbină poate fi antrenat şi de vânturi relativ slabe: v 4 m/s. Soluţia are două dezavantaje principale: a) nu poate fi utilizată ca turbină eoliană pentru antrenarea unui generator electric (fiind prevăzută să rezolve o altă funcţie tehnică); b) nu este posibilă rigidizarea axială şi tangenţială a obadei de butuc, prin utilizarea unor spiţe radiale subţiri, folosite uzual la roţile de bicicletă; ca urmare, sunt necesare spiţe radiale groase (monobloc cu obadă şi butucul), care cresc masa şi momentul de inerţie al roţii (fig. 1.35.l) [B10]. 11

a) b) c) d) e) f) g) h) i 1 ) i 2 ) Fig. 1.35. Brevete de invenţie şi soluţii constructive de turbine eoliene de mică putere 12

j) k) l) Fig. 1.35. Brevete de invenţie şi soluţii constructive de turbine eoliene de mică putere În urma analizei acestor soluţii de turbine eoliene s-a constatat că: Turbinele eoliene lente cu multe pale - sunt adaptate pentru vânturi de viteză mică, pornesc la viteze ale vântului de 2-3 m/s. Momentul motor este relativ mare. Turbinele eoliene rapide cu două sau trei pale funcţionează de la viteze ale vântului de 5 m/s. Curbele de variaţie a coeficienţilor de moment şi de putere, obţinute experimental, evidenţiază valoarea mică a momentului motor şi un C Pmaxim egal cu 0,4. Cu aceste soluţii noi s-au îmbunătăţit: pornirea turbinei eoliene de mică putere de la viteze mici ale vântului; mărirea numărului de pale, la mai mult de trei, pentru creşterea coeficientului de putere al turbinei; modificarea formei aerodinamice a palelor pentru a se mării captarea energiei vântului. Pentru a se putea realiza toate aceste îmbunătăţiri ale turbinei s-a mărit gradul de complexitate al profilelor de pală şi al părţilor componente ale sistemului, ducând la un cost mărit şi o rezistenţă mecanică cât mai scăzută a turbinelor. 1.4. Concluzii asupra stadiului actual În urma studiului detaliat asupra stadiului actual de dezvoltare şi implementare a turbinelor eoliene de mică putere s-au desprins următoarele concluzii: a. Potenţialul eolian este caracterizat prin: viteza vântului, m/s (vânt slab < 5-6 m/s, vânt moderat 6-10 m/s, vânt puternic >10m/s măsurat la înălţimea de 50 m de asupra solului); direcţia vântului în raport cu punctele cardinale (N, E, S, V, NE, SE, SV, NNE, ENE, ESE, SSE, SSV, VSV, VNV, NNV), frecvenţa medie de acţiune pe diferite direcţii (roza de frecvenţă a vântului), structura vântului (laminar, turbulent, rafale). b. La nivel European, potenţialul eolian estimat este divers, cel mai mare potenţial eolian aflandu-se în zona Nordică a Franţei, Belgiei, Germaniei, Spaniei, Olandei, Marii Britanii şi Danemarcei (harta europeană a energiei vântului măsurată la 80 m deasupra solului). c. România dispune de un potenţial eolian bun (harta potenţialului eolian publicată de ICEMENERG în 2007), cu precădere pe litoralul Mării Negre, în Dobrogea, nordul Moldovei, în munţii Apuseni. 13

d. Alegerea tipului şi capacităţii centralei eoliene implică analiza prealabilă a potenţialului eolian din zona locală de instalare (înregistrarea datelor, prelucrarea şi interpretarea rezultatelor), nefiind suficientă analiza datelor oferite de softurile comerciale (Meteonorm). e. Potenţialul eolian disponibil în zona Colinei Universităţii Transilvania din Braşov (măsurat prin staţia meteo proprie, în perioada 2006-2009) a condus la estimarea unei viteze medii orare a vântului sub 2 m/s. Pentru acest caz, datele medii calculate prin softul Meteonorm sunt mai mari decât cele obţinute prin întregistrarea directă, în medie cu 82.38%. d. Pentru viteze ale vântului între 2-4 m/s, numărul de ore/an este de 1384, adică aproximativ 16 % din timp. g. Ca urmare, potenţialul eolian înregistrat în zona Colinei Universităţii şi în zone cu potenţial eolian similar, impun, pentru o eficienţă energetică bună, instalarea de turbine eoliene la care viteza de pornire (cut in) să fie sub 3 m/s. h. Potenţialul eolian din zona Brasov impune pentru implementarea eficientă îndeosebi turbine eoliene de mică putere (sub 100kW). i. Turbinele eoliene de mică putere cu ax orizontal au eficienţa conversiei superioară turbinelor eoliene cu ax vertical, de aceea sunt mai frecvent utilizate (coeficientul de putere este mai scăzut la turbinele eoliene cu ax vertical, de regulă sub 0,1-0,2). j. Turbinele eoliene de mică putere cu ax vertical sunt mai silenţioase decât cele cu ax orizontal (funcţionând la turaţii mult mai mici) şi sunt mai uşor adaptabile mediului construit (în arhitectura clădirilor, ferme agricole, autostrăzi, spaţii publice, parcuri, iluminat stradal, etc). k. În literatura de specialitate există o multitudine de turbine eoliene de mică putere cu ax orizontal, care diferă prin soluţia constructivă a rotorului (deschis, obadă, roată,..), prin numărul de pale, materialul şi forma acestora, complexitatea soluţiei constructive, puterea nominală, viteza de pornire (cut in), dimensiuni şi turaţia de lucru, preţ de cost. l. Pentru zone cu potenţial eolian redus, implementarea de turbine eoliene de mică putere, care funcţionează la viteze ale vântului sub 3 m/s, reprezintă o alternativă fezabilă. Eficienţa şi preţul de cost al acestora depind în principal de soluţia constructivă a rotorului, cu precădere de numărul, forma şi orientarea palelor precum şi de materialul din care acestea sunt confecţionate. 1.5. Obiectivele tezei Obiectivul central al cercetării este conceperea şi optimizarea soluţiei constructive a rotorului pentru o turbină eolienă de mică putere cu ax orizontal care să pornească de la viteze mici ale vântului (v < 3 m/s) şi să conducă la un preţ de cost scăzut al întregului sistem eolian. Se vor dezvolta cercetări pentru identificarea, selectarea şi optimizarea soluţiei constructive a rotorului, numărul palelor, forma şi dimensiunile acestora, materialul din care se execută. Cercetarea se desfăşoară pe modelele experimentale noi/inovative pentru care se concepe şi realizează întreaga infrastructură. Ca obiective operaţionale se definesc: 1. Conceperea soluţiei constructive a rotorului. 2. Modelarea încărcării şi studiul solicitărilor din rotorul turbinei. 3. Definirea şi construcţia modelului experimental şi a standului pentru cercetări experimentale. 4. Cercetări experimentale, prelucrarea şi interpretarea datelor, recomandări pentru implementare. 14

2. Conceperea rotorului turbinei eoliene de mică putere Rotorul turbinei este conceput pe baza următorului set de cerinţe iniţiale: - ax orizontal, a carei eficienţă energetică în condiţiile date de potenţialul eolian este mai mare decât a turbinelor cu ax vertical; - număr mare de pale, pentru creşterea momentului de pornire şi asigurarea funcţionalităţii turbinei eoliene în condiţiile de potenţial eolian scăzut (viteze mici ale vântului); - profilul palelor, simplu tehnologic, pentru asigurarea unui preţ de cost scăzut şi a posibilităţii de reglare pe rotor; - materialul rezistenţă necesară şi preţ de cost scăzut; - posibilitatea adaptării teoriei la structura potenţialului eolian prin număr de pale şi unghi de poziţionare. 2.1. Conceptul general al rotorului turbinei eoliene Se referă la un rotor pentru o turbină eoliană cu ax orizontal de mică putere, cu greutate, complexitate şi gabarit relativ redus, care funcţionează la viteze mici ale vântului (< 3 m/s) şi care furnizează o putere electrică comparabilă cu cea necesară unei locuinţe. Rotorul turbinei eoliene conţine un butuc şi o obadă cu profil aerodinamic legate rigid între ele prin spiţe de rezistenţă, între care sunt dispuse echiunghiular spiţe port-pală în formă de V. Acestea au vârfurile fixate în găuri ale unui disc median solidar cu butucul şi capetele fixate în obadă sub un anumit unghi de înclinare. Pe spiţele în formă de V sunt fixate pale plane de formă trapezoidală realizate din materiale uşoare (fig.2.6). Fig. 2.6. Ansamblu rotor format din obada-pale-spiţe de rezistenţă-spiţe port pală-butuc 15

2.2. Conceptul palelor Designul rotoarelor cu pale individuale este determinat de numărul palelor, de geometria exterioară a lor şi de materialele din care sunt realizate. Rapiditatea sistemului depinde de forma palelor, de numărul acestora şi de material [GAT2002]. 2.2.1. Materialele din care sunt realizate profilele de pală Materialele folosite în dezvoltarea, construcţia palelor sunt esenţiale pentru buna funcţionare a turbinei eoliene. Aceste pale trebuie să fie cu greutate redusă, rezistente la coroziune şi oboseală. Materialul ideal pentru pale ar trebui să combine următoarele proprietăţi structurale: Raport optim de duritate greutate specifică; Longevitate la solicitări de oboseală şi flexibilitate; Cost mic şi prelucrarea materialelor pentru a obţine forma aerodinamică dorită. Aliaj uşor şi spumă poliuretan; Aliaj uşor şi polistiren armat cu fibră de sticlă; Lemn şi metal. [HAN2009], [BOE2004], [DIN2010], [SAH2006] 2.2.2. Definirea profilelor de pală propuse În sinteza conceptuală a palelor se utilizează o definire a profilelor în funcţie de doi coeficienţi importanţi: coeficientul de asimetrie şi coeficientul de lăţime, care depind de forma şi de dispunerea suprafeţei active a palei faţă de axa acesteia. Aceşti coeficienţi au valori cuprinse în intervalul 0,...,1 şi modelează forma palei şi poziţia acesteia faţă de axa de rotaţie, fiind notaţi astfel: CAv = coeficient de asimetrie la vârf ; CAa = coeficient de asimetrie la ax; Cv = coeficient de lăţime la vârf; Ca = coeficient de lăţime la ax. Conform acestor simbolizări grafice se disting o varietate însemnată de profile de pală de diferite forme şi dimensiuni, care pot fi utilizate în construcţia rotorului turbinei eoliene. Pentru conceptul propus, aceste profile de pale, diferite ca formă (triunghi, trapez, dreptunghi, romb şi de formă ovală) şi având aceleaşi dimensiuni radiale, sunt realizate din lemn, plastic sau materiale textile (fig. 2.18). a) b) c) d) e) Fig. 2.18. Profile 2D, de forme şi grosimi diferite [LAŞ2008], [LNV2008] 16

f) g) h) i) j) k) l) m) Fig. 2.18. (continuare) Pentru o captare cât mai eficientă a energiei vântului, profilele de pală sunt realizate cu colţurile ascuţite (fig. 2.18. a, b, c, d, e, g, h, j, k) şi rotunjite (fig. 2.18. f, i şi l). Pentru palele din material textil se utilizează un cadru pe care este fixată pânza, conform fig. 2.18.m. Palele sunt fixate într-o obadă, numărul palelor putând fi de la 2 pană la 12. Un număr mare de pale şi dimensiunile radiale mărite ale acestora induc rotorului un moment motor mare şi o captare a energiei vântului mai ridicată. 2.3. Optimizarea conceptuală a obadei turbinei eoliene Obada este realizată în principal din materiale cât mai uşoare, cu profil aerodinamic şi grad redus de complexitate. Ca materiale se utilizează: lemnul (care are greutate redusă, se prelucrează uşor şi rezistă la oboseală); metalul - aluminiul, duraluminiul (materiale uşoare şi uşor prelucrabile după forma dorită); materiale sintetice, răşini (care au greutate specifică mică); materiale compuse fibra de sticlă, plastic consolidat şi alte materiale precum: oţel, varietăţi de materiale compozite şi filament de carbon. Obada este fixată de butucul rotorului prin spiţe de rezistenţă şi spiţe port pală, numărul acestora depinzând de numărul maxim de pale fixate în obadă. Spiţele de rezistenţă sunt fixate în găuri (fig. 2.21), prin piuliţe de o parte şi de alta a profilului aerodinamic al obadei. Spiţele port pală sunt fixate tot prin piuliţe în găurile port pală ale obadei (fig. 2.22) şi sunt poziţionate între spiţele de rezistenţă, la diferite unghiuri de înclinare ale palei (30, 45, 55, 65 şi 75 de grade). Gaurile pentru spiţele de rezistenţă şi port pală sunt realizate tot în funcţie de numărul maxim de pale care vor fi montate în obadă. Palele în obadă se pot poziţiona la diferite unghiuri de înclinare pentru a identifica varianta optimă de utilizare a potenţialului eolian. 17

Fig. 2.21. Vedere 3D a ansamblului turbinei obadă-spiţe de rezistenţă-butuc, fără spiţe port-pală Fig. 2.22. Vedere 3D a obadei turbinei eoliene cu gauri pentru spiţe de rezistenţă şi port pală Datorită spiţelor de rezistenţă şi port pală, obada este consolidată de butuc şi prezintă un grad mărit de rezistenţă în timpul funcţionării rotorului. 18

2.4. Concluzii şi contribuţii originale În contextul general al rotorului turbinei eoliene se dezvoltă următoarele concluzii: a. Soluţia de rotor propusă răspunde setului de cerinţe iniţiale: ax orizontal, funcţionalitate şi în condiţii de potenţial eolian scăzut, tehnologie simplă, preţ de cost scăzut, adaptare la structura potenţialului eolian; b. Conceptul propus face parte din categoria rotoarelor cu obadă, la care prin număr diferit de pale montate între butuc şi obadă, prin orientări diferite ale palelor, prin dimensiunea palelor şi forma acestora, prin forma obadei se poate optimiza funcţionalitatea într-un potenţial eolian dat; c. Soluţia constructivă propusă este similară unei roţi de bicicletă, la care rigidizarea obadei de butuc se face prin spiţe de rezistenţă. Numărul şi dispunerea acestora pot constitui parametrii de optimizare privind solicitările din rotor; d. Conceptul dezvoltat are un înalt grad de flexibilitate, permiţând modificarea numărului, a dimensiunilor şi formei palelor; reglarea unghiului de fixare a palelor; modificarea materialului palelor; Principalele contribuţii aduse sunt: a. Dezvoltarea conceptului pornind de la similitudinea cu roata de bicicletă, deci de la o tehnologie existentă; b. Modificarea construcţiei prin introducerea spiţelor port-pală în formă de V pe care sunt dispuse palele; c. Dezvoltarea conceptului pe bază de pale cu suprafeţe plane, de forme simple (dreptunghi, romb, trapez, oval) şi dimensiuni diferite; d. Posibilitatea montării pe rotor a unui număr variabil de pale, de la 2 la 12; e. Posibilitatea reglării unghiului de montare al palei faţă de planul obadei; f. Utilizarea de materiale diferite pentru pale: lemn, plastic, textil, compozite; g. Definirea profilelor palelor funcţie de coeficientul de asimetrie şi coeficientul de lăţime şi stabilirea limitelor acestora; h. Construcţia propusă permite o înlocuire uşoară a componentelor şi necesită o întreţinere simplă; i. Soluţia propusă are la bază conceptele moderne de design for asembly and dezasembly şi design for manufaturing. Conceptul propus a fost supus brevetării, este brevetat ( Rotor pentru turbină eoliană, cu numărul de brevet RO125465-A2), şi introdus în baza de date internaţională Thomson ISI web of knowledge. 19

3. Model de calcul pentru încărcarea palelor turbinei eoliene şi verificarea rezistenţei palelor Pornind de la structura demonstratorului de rotor propusă, în acest capitol se modelează încărcările palelor turbinei în funcţie de: viteza aerului din proximitatea turbinei (2,..., 7 m/s), geometria palei şi poziţia relativă pală-arbore. Deşi în modelul de calcul propus se ţine seama de mişcarea relativă aer-pală, pentru calculele de rezistenţă se consideră situaţia rotorului static (rotor cu viteza neglijabilă) în care încărcarea palelor devine maximă. Cu încărcările identificate, pe baza modelului de calcul elaborat, sunt simulate, cu ajutorul softului CATIA, deformaţiile şi tensiunile palelor prin metoda elementului finit (MEF); rezultatele simulărilor evidenţiază o bună rezistenţă a palelor rotorului, în condiţiile de funcţionare considerate. 3.1. Modelarea încărcării unei pale Modelarea încărcării unei pale constă în stabilirea relaţiilor de calcul pentru presiune, forţe şi momente (aferente palei şi implicit arborelui port-pală), considerând următoarele date de intrare şi premise de calcul: a) forma, dimensiunile şi materialul palei plane (fig. 3.1,c): trapez cu baza mică b m = 0.08 m, baza mare b M = 0.16 m şi înălţimea h = 0.12 m; grosimea palei g = 0.003 m; material: lemn, cauciuc, pânză; b) poziţia relativă pală-arbore (fig. 3.1, b, c): unghiul de înclinare δ = 55º, 45º, 30º; raza cercului tangent cu baza mică a palei r m = 0.033 m; raza cercului tangent cu baza mare a palei: r M = 0.16 m; c) viteza unghiulară a arborelui palei în [s -1 ]: ω = π n/30, n = turaţia măsurată în rot/min. Pentru simplificare, în sens acoperitor, încărcările maxime ale palei se modelează în premisa că viteza rotorului este neglijabilă (ω ~ 0) ; d) în calculele cinematice, se neglijează grosimea palei; e) se neglijează efectele vitezelor tangentiale ale aerului fata de pala si frecarea aer-pală; f) pentru determinarea încărcării arborelui, efectul presiunii aerului asupra palei este modelat în două variante: forţa destituită (calcul prin integrare) (fig. 3.1) şi forţa concentrată (fig. 3.2) (forţă echivalentă aplicată în centrul de masă al palei (G)). Prin descompunerea acestei forţe (paralel şi perpendicular pe arbore) se obţine o aproximaţie a forţei axiale care încarcă arborele şi o aproximaţie a forţei tangenţiale care generează momentul de torsiune util al palei. Fig. 3.1. a) 20

b) c) d) e) f) g) h) Fig. 3.1. Modelarea încărcării unei pale (continuare): a)vedere 3D, cu precizarea direcţiilor după care s-au făcut proiecţiile, b) vedere din A (3.1.a) cu precizarea vitezei aerului şi a vitezei palei întrun punct oarecare X, c) vedere din B (fig.4.1.a) a palei, cu reprezentarea acesteia în mărime naturală şi cu precizarea poziţiei punctului oarecare X), d) schemă cu evidenţierea vitezei relative V a.pf.x a aerului faţă de pală, pe faţa palei, e) schemă cu evidenţierea vitezei relative V a.ps.x a aerului faţă de pală, în raport cu spatele palei, f) scheme cu evidenţierea componentelor normale ale vitezelor relative ale aerului faţă de pală în raport cu ambele feţe ale acesteia, g) evidenţierea presiunii 21

normale rezultante în raport cu faţa palei, h) evidenţierea forţei elementare df X din punctul X şi componentele acestuia în raport cu arborele. a) b) Fig. 3.2. Modelare aproximativă a încărcării palei şi arborelui port-pală: a) vedere după direcţia A a palei cu evidenţierea forţei rezultante F G şi a componentelor acesteia în raport cu arborele, b) vedere din B cu a palei în mărime naturală şi evidenţierea centrului de masă G. Modelarea presiunii exercitate de vânt asupra palei, se realizează conform cu fig. 3.1, a,..., h; aplicând inversiunea mişcării în raport cu pala (fig. 3.1, a, c şi e), se determină mai întai, din fig. 3.1,c, vectorul viteză relativă aer-pală faţă V a.pf.x (de modul V a.pf.x ), într-un punct X de pe faţa palei (situat pe un cerc de raza r X ): V a. pf. X = V a + V px, (3.2) V = +, (3.3) 2 2 1/ 2 a. pf. X ( Va VpX ) V = ω ; (3.4) px r X Ca urmare, în raport cu punctul X de pe faţa palei (fig. 3.1,d), aerul are o viteză a. pf X, de modul V a.pf.x, care formează cu axa arborelui un unghi β X şi cu planul palei un unghi δ-β X. Din fig.3.1,d pentru unghiul β x se obtţne expresia: VpX ω rx β X = arctg( ) = arctg( ). Va Va (3.5) Conform acestei relaţii, unghiul β X creşte odată cu raza r X, având valoarea minimă pentru r X = r m şi valoarea maximă pentru r X = r M. Viteza aerului din faţa palei V a. pf. X se decompune într-o componentă normală pe faţa palei V a pf. Xn V.. şi o componentă tangenţială a. pf Xt, care au modulele (fig.3.1,f): 22 V. 2 2 1/ 2 2 2 1/ 2 Va. pf. Xn = Va. pfx sin( δ β X ) = ( Va + VpX ) sin( δ β X ) = [ Va + ( ω rx ) ] sin( δ β X ) ; (3.6) 2 2 1/ 2 Va. pf. Xt = Va. pfx cos( δ β X ) = ( Va + VpX ) cos( δ β X ). (3.7) Ca urmare, aerul (de densitate ρ) acţionează în punctul X de pe faţa palei cu o presiune p Xfn (fig.3.1,f): 2 2 2 2 pxfn = 0,5 ρ Va. pf. Xn = 0,5 ρ [ Va + ( ω rx ) ] sin ( δ β X ). (3.8) Prin inversiunea mişcării, simultan cu procesul din faţa palei (fig.3.1,d), aerul din spatele palei se deplasează, în raport cu punctul X de pe spatele palei, cu viteza V a. pf. X = V px, de modul

a ps X = VpX = ω r (fig.3.1,e); conform fig.3.1,f, viteza aerului din spatele palei V a ps. X.. X V decompune într-o componentă normală pe spatele palei V a ps. Xt 23 V a ps. Xn. se. şi o componentă tangenţială., care au modulele: V a. ps. Xn = Va. ps. X cosδ = VpX cosδ = ( ω rx ) cosδ ; (3.9) V a. ps. Xt = Va. ps. X sinδ. (3.10) Ca şi în cazul precedent, aerul (de densitate ρ) acţionează în punctul X de pe spatele palei cu o presiune p Xsn (fig.3.1,f): 2 2 2 p Xsn = 0.5 ρ Va. ps. Xn = 0.5 ρ ( ω rx ) cos δ. (3.11) Ca urmare a presiunilor opuse de pe cele două feţe ale palei, în punctul X, pe faţa palei va acţiona o presiune rezultantă p Xn (fig.3.1,g) 2 2 2 2 2 pxn = pxfn pxsn = 0.5 ρ {[ Va + ( ω rx ) ] sin ( δ β X ) ( ω rx ) cos δ}. (3.12) Efectul presiunii p Xn asupra elementului de arie da = b X drx (fig.3.1 c, f si h) poate fi modelat printr-o forţă elementară echivalentă medie df X, aplicată în punctul X al palei (fig.3.1 h), al cărei modul are următoarea expresie 2 2 2 2 2 dfx = pxn da = pxn bx drx = 0.5 ρ {[ Va + ( ω rx ) ] sin ( δ β X ) ( ω rx ) cos δ} bx dr. x (3.13) La rândul său, forţa elementară df X poate fi descompusă, în raport cu arborele (fig.3.1, c, h), într-o componentă axială df Xa şi o componentă tangenţială df Xt care generează momentul elementar de torsiune util dt X (în raport cu axa arborelui); conform fig.3.1,h şi c, modulele acestor vectori au următoarele expresii: dfxa = dfx sinδ = pxn da sinδ ; (3.14) dfxt = dfx cosδ = pxn da cosδ ; (3.15) dtx = dfxt rx = pxn bx rx drx. (3.16) În consecinţă, forţa axială şi momentul de torsiune imprimate arborelui de o pală au urmatoarele expresii: T F a r r 2 2 2 2 2 = dfxa = 0.5 ρ {[ Va + ( ω rx ) ] sin ( δ β x) ( ω rx ) cos δ} bx dr; (3.17) r M m rm rm = dtx = rm rm r M m 0.5 ρ {[ V 2 a + ( ω r ) X 2 ] sin ( δ β ) ( ω r ) 2 x X 2 cos 2 δ} (cosδ ) b r x X dr X, (3.18) în care, conform fig.3.1,c: 1 bx = bm + ( rm rm ) ( bm bm ) (3.19) h şi r X = r m,..., r M. În premisa că viteza unghiulară a arborelui este neglijabilă (ω ~ 0 si implicit β x ~ 0), încărcarea palei devine maximă. Pentru simplificare, fără a afecta semnificativ rezultatele numerice, încărcarea maximă se modelează considerând că pe întreaga faţă a palei acţionează o presiune medie 2 2 p Xn 0.5 ρ Va. sin δ. (3.20) În această premisă, modulele pentru forţa axială şi pentru momentul de torsiune, imprimate arborelui de o pală, devin: 2 3 2 3 F = 0.5 ρ V h (sin δ ) [ b + 0.5( b b )] = 0.25 ρ V h (sin δ ) ( b + b ); (3.21) a a m M m a M m

2 2 2 2 2 T = [ ρ Va (sin δ ) cosδ / 6] [3 ( bm r M bm r m) + ( bm bm) h ]. (3.22) Efectul presiunii p Xn (rel. 3.20) asupra feţei palei poate fi aproximat printr-o forţă F G (fig.3.2,a); conform fig.3.2, acesta forţă se decompune, în raport cu arborele, într-o componentă axială F Ga şi o componentă tangenţială F Gt care generează momentul de torsiune util al palei T G (fig.3.2,a si b); în conformitate cu rel. (3.20) si fig.3.2, pentru modulele acestor vectori se obţin următoarele expresii: 2 2 2 2 F G = 0,5 ρ Va sin δ A = 0,25 ρ Va sin δ h ( bm + bm ); (3.23) 2 2 F Ga = FG sinδ = 0,25 ρ Va sin δ h ( bm + bm ) sinδ ; (3.24) 2 2 F Gt = FG cosδ = 0,25 ρ Va sin δ h ( bm + bm ) cosδ; (3.25) 2 2 T G = FGt rg = 0,25 ρ Va sin δ h ( bm + bm ) rg cosδ. (3.26) Pe baza relaţiilor 3.22 şi 3.26 s-au realizat calcule numerice pentru compararea, pe de o parte, a momentelor de torsiune T şi T G ale arborelui şi, pe de altă parte, a momentelor calculate cu cel obţinut experimental T exp. Ţinând seama de premisele utilizate, din comparaţia valorilor calculate cu valoarea momentului de torsiune determinat experimental, T exp = 0,022Nm, se constată o concordanţă satisfăcătoare între aceste rezultate. Pe baza relaţiilor obţinute, în tabelul 3.1 sunt sistematizate încărcările p Xn, corespunzătoare vitezelor aerului din intervalul 2-7 m/s; pentru unghiul de înclinare δ=55 ; aceste încărcări constituie datele de intrare pentru analiza prin MEF a palelor turbinei. Tabel 3.1 V [m/s] 2 3 4 5 6 7 p Xn [N/m 2 ] 1,476 3,321 5,904 9,226 13,285 18,083 3.2. Analiza deformaţiilor şi tensiunilor din palele rotorului prin MEF Încărcările din tab.3.1 sunt utilizate în continuare ca date de intrare pentru analiză, prin metoda elementului finit (MEF), a deformaţiilor si tensiunilor din palele rotorului, folosind software-ul Catia V5 [LAŞ2008], [RAI1981], [LAJ2005], [INA2004], [DRI1978], [DUD1989]. Demostratorul virtual, al turbinei eoliene de mică putere realizat cu ajutorul softu-lui Catia V5, este ilustrat în fig. 3.3. În simulările bazate pe metoda elementului finit, s-au utilizat 6 pale trapezoidale, cu unghiul de înclinare δ=55, si viteze ale aerului cuprinse în intervalul V=2-7 m/s; încărcările corespunzătoare acestor viteze sistematizate în tab.3.1. Fig. 3.3. Prototipul virtual al turbinei eoliene de mică putere, 24

Pentru procesarea modelului de analiză se parcurg următoarele etape de modelare: modelarea geometrică, a materialului, cu elemente finite, a constrângerilor şi a încărcărilor; se verifică apoi modelul şi se trece la simularea acestuia. În continuare sunt prezentate simulările pentru fiecare tip de material în parte, rezultatele obţinute fiind prezentate selectiv. Modelarea cu elemente finite presupune analiza statică a palelor turbinei, în condiţiile unor constrângeri şi încărcări independente, prin care spiţele port-pală s-au fixat de bază, iar faţa palei (fig. 3.4) este încărcată cu o sarcină uniform distribuită generată de presiunea aerului (tabelul 3.1). a 1 ) a 2 ) a 3 ) Fig. 3.4. Încărcarea feţei palelor cu sarcina uniform distribuită generată de presiunea aerului (pentru simplificare, în Catia sarcina uniform distribuită este reprezentată prin 4 vectori) Pe baza presiunii calculate se încarcă pala în formă de trapez realizată din materiale disticte, ca în fig. 3.4, a 1 (lemn), a 2 (cauciuc) şi a 3 (panză pe suport de lemn). În fig. 3.4, a este prezentată turbina cu toate cele 6 pale în formă de trapez cu încărcările aferente fiecărei pale în parte. Din analiza rezultatelor, obţinute în urma simulărilor, reiese că tensiunile echivalente maxime se regăsesc la partea de fixare a palelor pe spiţele-suport; cele mai ridicate valori apar în cazul palei din material textil pe suport de lemn, pe când la palele din cauciuc şi la cele din lemn tensiunile sunt net mai reduse şi comparabile între ele (fig. 3.5, b). Tensiuni maxime din pale realizate din lemn si cauciuc 0,8 0,7 0,6 Tensiuni [kpa] 0,5 0,4 0,3 Pala din lemn Pala din cauciuc 0,2 0,1 0 2 3 4 5 6 7 V [m/s] Fig. 3.5.b. Diagrame cu valori pentru tensiuni maxime apărute în pale, realizate din materiale diferite, diagrame comparative pentru lemn şi cauciuc Fig. 3.6.b. Diagrame cu valori pentru deformaţii maxime apărute în pale, realizate din materiale diferite, diagrame comparative pentru lemn şi cauciuc Deformaţiile maxime se produc la marginea profilului de pală, valorile acestora fiind reduse şi comparabile pentru palele din lemn şi cele din cauciuc, şi net mai mari la pala din pânză pe suport de lemn (fig.3.6, b). 25

3.3. Concluzii şi contribuţii originale Modelările dezvoltate şi calculele numerice efectuate conduc la următoarele concluzii: a) Modelările încărcării palei prin intermediul presiunii, respectiv a unei forţe aplicată în centrul de masă al palei, conduc la momente similare de tensiune a arborelui. Calculele numerice efectuate pentru viteza vântului V a = 7 m/s, unghiul de înclinare de înclinare al palei δ = 55 şi raza centrului de greutate al palei r G = 0,1472 m au condus la valorile momentului de torsiune de T = 0,024 Nm, respectiv T = 0,021 Nm. b) Între valorile momentului de torsiune obţinute prin calcule şi valoarea obţinută experimental există o bună concordanţă. În premizele anterior precizate se obţine T exp = 0,022 Nm. Aceasta confirmă valabilitatea modelelor propuse. c) Relaţiile analitice stabilite, ca funcţii de parametrii constructivi şi de poziţionare a palei faţă de arbore, permit studiul şi optimizarea dimensiunilor şi a orientării palei pentru o eficienţă maximă a turbinei eoliene. d) Modelarea şi calculul prin MEF a palelor în condiţiile unei încărcări cu o sracină uniform distribuită generată de presiunea aerului, pentru o turbină cu 6 pale în formă de trapez au reieşit următoarele: - tensiunile echivalente maxime se obţin în zonele de fixare a palelor pe spiţelesuport; - valorile acestora, pentru palele din lemn şi cauciuc sunt comparabile între ele şi sunt mai reduse decât în cazul palelor din material textil pe suport de lemn (de exemplu la 7 m/s tensiunile maxime sunt aproximativ 0,8 kpa pentru lemn cauciuc şi aproximativ 8 kpa pentru textil); - deformaţiile maxime se produc la marginea profilelor de pală; - valorile acestora sunt comparabile pentru palele din lemn şi cele din cauciuc, respectiv mult mai mici pentru palele din material textil pe suport de lemn (de exemplu la 7 m/s deformaţiile maxime sunt 0,08*10-3 mm pentru cauciuc, 0,02*10-3 mm, 75*10-3 mm pentru material textil); e) Ca urmare, din cele trei materiale realizate, palele pe bază de compozite din lemn şi cauciuc sunt cele optime din punct de vedere al tensiunilor şi deformaţiilor, urmate de cele pe bază de cauciuc. Principalele contribuţii sunt: a) Modelarea încărcării palei în varianta încărcării prin presiune, respectiv a unei forţe aplicate în centrul de masă al palei şi deducerea relaţiilor analitice corespunzătoare. b) Stabilirea relaţiilor analitice pentru forţa axială şi pentru momentul de torsiune aplicat arborelui, în cele două situaţii de calcul anterior prevăzute. c) Dezvoltarea modelelor de calcul prin luarea în considerare a tuturor parametrilor constructivi şi de poziţionare a palelor turbinei. d) Modelarea rotorului şi analiza prin MEF, utilizând softul CATIA V5, a tensiunilor şi deformaţiilor din palele acestuia. Se analizează un rotor cu şase pale trapezoidale din materiale: lemn, cauciuc, textil. Se evidenţiază zonele de tensiune maximă, valorile maxime ale tensiunilor, zonele de deformaţii maxime şi valorile acestor deformaţii, iar rezultatele sunt ilustrate prin dispunere corespunzătoare, care permit şi analiza comparativă între comportamentul diverselor tipuri de materiale. 26

4. Conceperea şi realizarea standului experimental şi a programului de testări 4.1. Structura standului În fig. 4.1 se prezintă standul experimental edezvoltat pentru testări ale turbinei eoliene de mică putere. În contextul cerinţelor enunţate şi al vitezelor reduse ale vântului s-au ales palele în formă de trapez, din material textil, lemn sau plastic uşor, în număr de 2, 3 şi 6, fixate în obadă cu ajutorul spiţelor. Pentru a se putea monitoriza momentul motor şi momentul rezultant s-au instalat în sistem un traductor de moment, care are momentul nominal de 0,1 Nm (fig. 4.2) şi o frână electromagnetică (fig. 4.3). Turaţia turbinei se măsoară cu un turometru [NEV2009]. Fig. 4.1.Standul experimental de testări Fig.4.2. Senzor de moment de 1 Nm Fig. 4.3. Frâna electromagnetică Traductorul funcţioneză cu un soft aferent pentru măsuratori, (numit Catmaneasy) care monitorizează, preia date şi măsoară momentul. Cele 13 profile de pale de aceeaşi arie şi aceleaşi dimensiuni radiale, acestea au fost fixate în obadă pe spiţele port pală la diferite unghiuri de înclinare: 30, 45, 55, 65 şi 75 grade [NVB2008a], [NED2008a]. În figurile următoare sunt prezentate profilele de pală realizate practic pentru standul de testări al turbinei eoliene de mică putere. a) b) c) d) e) f) 27

g) h) i) j) Fig.4.10. Profile de pală de diferite forme [BVD2008c], [HJB2010], [JPM2005], [NED2008a], [NEB2008a] Turbina pentru testări, adaptată dimensiunilor tunelului aerodinamic din fig. 4.11 este aplasată în faţa tunelului aerodinamic la 1.5 m. Fig. 4.11. Tunelul aerodinamic cu circuit deschis, [HQE2010] 4.2. Programul de testăre Programul de testări s-a realizat în funcţie de câţiva parametri, astfel: 1. Variaţia vitezei vântului: V=2, 3, 4, 5, 6, 7 [m/s]; 2. Variaţia profilului palei Tabel 4.4 Nr.crt. Părţi componente 1. Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre obadă, cu colţurile ascuţite; 2. Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre obadă, cu colţurile rotunjite; 3. Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre rotor, cu colţurile ascuţite; 4. Pale trapezoidale, orientate cu baza mare spre rotor, cu colţurile rotunjite; 5. Pale dreptunghiulare, cu colţurile ascuţite; 6. Pale dreptunghiulare, cu colţurile rotunjite; 7. Pale romb, cu colţurile ascuţite; 8. Pale romb, cu colţurile rotunjite; Pale trapezoidale cu folie termocontractabilă pe suport de lemn, orientate cu baza mare 9. spre obadă, cu colţurile ascuţite; 28

Tabel 4.4 (continuare) Nr.crt. Părţi componente Pale trapezoidale cu folie termocontractabilă pe suport de lemn, orientate cu baza mare 10. spre rotor, cu colţurile ascuţite; 11. Pale ovale, cu colţurile ascuţite; 12. Pale ovale, cu colţurile rotunjite pe o parte, 13. Pale dreptunghiulare cu folie termocontractabilă pe suport de lemn, cu colţurile ascuţite; 3. Unghiului de înclinare al palei: 30, 45, 55, 65, 75. 4. Încărcare realizată cu frâna electromagnetică: fără frână, 0A, 0.1A, 0.2A, 0.3A. Programul de testări în funcţie de parametrii enunţaţi este următorul: 1. Se fixează spiţele port pală la primul unghi de înclinare optimizat; 2. Se fixează unul din profilele de pală optimizate în obadă; 3. Se porneşte softul, CatmanEasy, de măsurare al momentului motor al turbinei; 4. Se porneşte tunelul aerodinamic; 5. Se porneşte frâna electromagnetică şi se fixează pe rând la încărcările prezentate mai sus; 6. Se masoară turaţia cu senzorul de turaţie, turometrul; 7. Se repetă operaţia pentru fiecare unghi de înclinare al palei, pentru fiecare profil de pală şi pentru fiecare încărcare a frânei. 4.3. Concluzii şi contribuţii originale Din dezvoltarea standului şi a formulării programului de încercări se desprind următoarele concluzii: a) Turbina eoliană stand experimental are la bază rotorul conceput şi descris în capitolul anterior, la care se adaugă sisteme de măsurare a momentului la axul turbinei (momentul motor, momentul rezistent), de măsurare a turaţiei arborelui turbinei, de producere a vântului cu viteze diferite (V=2,..., 7 m/s), de măsurare a vitezei vântului. b) Standul experimental permite testarea comportamentului turbinei eoliene (moment, turaţie, putere, coeficient de putere, coeficient de moment, rapiditatea) pentru diverse tipuri de pale, unghiuri diferite de orientare a acestora, viteza de pornire pentru încărcări diferite în frâna electromagnetică. c) Programul de testare în 7 paşi, descris în lucrare, permite efectuarea cercetărilor experimentale şi evaluarea parametrilor sus menţionaţi. Principalele contribuţii sunt: a) Conceperea turbinei eoliene stand experimental şi dimensionarea părţilor componente ale standului funcţie de mărimea parametrilor evaluaţi (de exemplu adaptarea traductorului de moment la dimensiunea momentului la axul arborelui). b) Dezvoltarea setului de 13 pale având aceeaşi arie şi dimensiuni radiale, care pot fi fixate la diferite unghiuri: 30, 45, 55, 65, 75. c) Conceperea programului de testări pentru înregistrarea şi evaluarea momentului, a turaţiei, a vitezei vântului, a rapidităţii, a puterii şi a coeficienţilor de putere şi moment ai turbinei eoliene. 29

5. Realizarea testărilor, prelucrarea rezultatelor obţinute În acest capitol sunt prezentate rezultatele obţinute în urma testării pe stand a turbinei eoliene propuse. Testarea constată în stabilirea puterii mecanice (prin măsurarea turaţiei şi momentului), dezvoltată de turbina sub acţiunea vântului creat de tunelul aerodinamic, în anumite condiţii de reglare a standului; puterile stabilite permit apoi determinarea variaţiei coeficientului de putere Cp. Programul de testare este cel descris în capitolul anterior. Prin prelucrarea rezultatelor obţinute se urmăreşte identificarea valorilor parametrilor care asigură realizarea performanţelor maxime. Fig. 5.1. Turbina eoliană de mică putere 5.1. Prelucrarea şi interpretarea rezultatelor Rezultatele obţinute sunt exemplificate prin următoarele cazuri relevante: a) Cazul fără frână (ff), adică frâna este decuplată de sistem; în acest caz, singurele rezistenţe care intervin se referă la inerţia turbinei şi a arborelui de legatură cu frâna, precum şi la frecarea din rulmenţi datorată cu precădere sarcinii axiale. Pentru a urmări variaţia puterii, s-au reglat/modificat succesiv: viteza vântului (V=2...7 m/s), unghiul de înclinare (30, 45, 55, 65 şi 75 ) şi tipul palelor; rezultatele obţinute sunt exemplificate comparativ în tab. 5.2 şi fig. 5.2. b) Cazul încărcării cu 0.1A; în acest caz frâna generează un moment rezistent corespunzător unui curent de alimentare de 0.1 A; o parte din rezultatele obţinute fiind exemplificate comparativ în tab. 5.3 şi fig. 5.2 şi 5.3. c) Cazul încărcării cu 0.2A; în acest caz frâna generează un moment rezistent corespunzător unui curent de alimentare de 0.2 A; o parte din rezultate fiind exemplificate comparativ în tab. 5.4 şi fig. 5.2 şi 5.3. d) Cazul încărcării cu 0.3A; în acest caz frâna generează un moment rezistent corespunzător unui curent de alimentare de 0.3 A; o parte din rezultate fiind exemplificate comparativ în tab. 5.5 şi fig. 5.2 şi 5.3. 30

Tabel 5.2. Cazul 1a) fără frână Caracteristici Nr. pală 9 10 13 Fără frână,cu palele înclinate la 45 Fără frână,cu palele înclinate la 55 Fără frână,cu palele înclinate la 65 P 1,57 3,97 1,439 M 0,15 0,38 0,25 n 100 100 55 V 2 2 2 Loc I II III P 6,28 4,35 4,396 M 0,5 0,32 0,3 n 120 130 140 V 2 2 2 Loc III II I P 9,96 4,396 M 0,68 0,35 n 140 120 V 2 2 Loc II I unde: P = puterea minimă, [mw]; M = moment minim, [Nmm]; n = turaţia minimă, [rot/min]; V = viteza vântului minimă, [m/s] Tabelul 5.3 Cazul 1b), încărcare la 0.1A Caracteristici Nr.pală 5 6 9 0.1A, cu P 194,05 177,09 190,28 palele M 20,6 18,8 20,2 înclinate la n 90 90 90 45 V 4 4 4 0.1A, cu palele înclinate la 55 Loc I III II P 245,23 236,02 275,06 M 21,3 20,5 21,9 n 110 110 120 V 4 4 4 P 255,59 271,29 291,18 M 22,2 21,6 21,4 n 110 120 130 V 4 4 4 Loc III II I unde: P = puterea maximă, [mw]; M = moment maxim,[nmm]; n = turaţia maximă, [rot/min]; V = viteza vântului minimă, [m/s] Analiza coroborată a diagramelor din fig. 5.2, b, c şi d, cu diagramele din fig. 5.3, arată că prin creşterea vitezei aerului se produce o creştere a puterii turbinei datorată cu precădere creşterii turaţiei: în timp ce gradientul de creştere al turaţiei este relativ ridicat (fig. 5.3), gradientul de creştere al momentului este redus (momentul rămânând aproape constant, fig, 5.3). Comparaţiile rezultatelor obţinute în urma testărilor (tab. 5.3, 5.4 si 5.5) evidenţiază faptul 31

că palele cu nr. de ordine 9, 6, 5 şi 13 realizează cele mai bune performanţe pentru unghiuri de înclinare de 65 (palele nr 6 şi 9) şi 55 (palele 5, 13, 9 şi 6, tab. 5.5). Datelor numerice obţinute au permis determinarea variaţiilor coeficientului de putere (Cp). Tabel 5.4 Cazul 1c) încărcare la 0.2A Caracteristici Nr. pală 5 6 9 P 390,3 300,18 413,22 0.2A, cu palele înclinate la 45 0.2A, cu palele înclinate la 55 0.2A, cu palele înclinate la 65 M 33,9 23,9 32,9 n 110 120 120 V 5 5 5 Loc I III I P 507 479,16 576,08 M 34,6 32,7 34,4 n 140 140 160 V 5 5 5 Loc II III I P 470,79 489,42 607,9 M 34,6 33,4 35,2 n 130 140 165 V 5 5 5 Loc III II I unde: P = puterea maximă, [mw]; M = moment maxim,[nmm]; n = turaţia maximă, [rot/min]; V = viteza vântului minimă, [m/s] Tabel 5.5 Cazul 1d), încărcare la 0.3A Caracteristici Nr.pală 5 6 9 13 P 637,94 692,05 675,1 833,6491 0.3A, cu palele M 53 55,1 51,6 49,78 înclinate la 45 n 115 120 125 160 V 6 6 6 6 Loc IV II III I P 888,38 851,72 901,49 873,6736 0.3A, cu palele 54,76 52,5 52,2 52,17 M înclinate la 55 n 155 155 165 160 V 6 6 6 6 Loc II IV I III P 802,84 882,54 932,37 758,7496 M 52,9 52,7 52,4 51,78 n 145 160 170 140 V 6 6 6 6 Loc III II I IV unde: P = puterea maximă, [mw]; M = moment maxim,[nmm]; n = turaţia maximă, [rot/min]; V = viteza vântului minimă, [m/s] 32 0.3A, cu palele înclinate la 65

P_45_ff P_55_ff P_65_ff n_45_ff n_55_ff n_65_ff P_45_0.1A P_55_0.1A P_65_0.1A n_45_0.1a n_55_0.1a n_65_0.1a 450 1100 400 1000 900 350 800 P [mw], n [rot/min] 300 250 200 150 P [mw], n [rot/min] 700 600 500 400 100 300 50 0 2 3 4 5 6 7 V [m/s] 200 100 0 4 5 6 7 V [m/s] Fig. 5.2. a) fără frână Fig. 5.2. b) încărcare cu 0.1 A, 33

P_45_0.2A P_55_0.2A P_65_0.2A P_45_0.3A P_55_0.3A P_65_0.3A n_45_0.2a n_55_0.2a n_65_0.2a n_45_0.3a n_55_0.3a n_65_0.3a P [mw], n [rot/min] 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 V [m/s] P [mw], n [rot/min] 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 5 6 7 V [m/s] c) încărcare cu 0.2 A d) încărcare cu 0.3 A. Fig. 5.2. Exemple de variaţii ale turaţiei (n) şi ale puterii (P), in cazul unei turbine cu pale nr.9, în funcţie de viteza aerului (V), pentru anumite valori ale înclinării şi ale sarcinii frânei. 34

M_0A n_0a M_0.1A n_0.1a 400 M_0.2A n_0.2a M_0.3A n_0.3a 350 300 M [Nmm], n [rot/min] 250 200 150 100 50 0 2 3 4 5 6 7 V [m/s] Fig 5.3. Exemple de variaţii ale momentului (M) şi ale turaţiei (n), în cazul unei turbine cu pale nr. 9, în funcţie de viteza aerului (V), pentru anumite încărcări ale frânei: 0A, 0.1A, 0.2A şi 0.3A. Pentru exemplificare, în fig, 5.4,a sunt reprezentate variaţiile coeficientului de putere Cp, în funcţie de viteza aerului, în cazul turbinei echipate cu 6 pale nr. 9, şi respectiv nr. 1, înclinate la 55 faţă de axa turbinei, cu frână încărcată la 0.2 A; alături, în fig. 5.4,b, sunt ilustrate variaţiile coeficientului Cp pentru 3 turbine existente (v, tab. 5.6 [***11], [***12], [***13], [***14], [***15], [***16], [***17], [***18], [***19], [***20], [***21], [***22], [***23]) împreună cu variaţia coeficientului Cp al turbinei cu pale nr. 9 (v. fig. 5.4,a). 0,06 Cp pentru pala 1 si 9 0,6 T.B. - 1 kw T.H.- 500W T.R. - 1,5 kw T. - teza T.F.-1,4kW 0,055 0,5 Cp 0,05 0,045 0,04 0,035 5 5,5 6 6,5 7 V[m/s] 9_0.2A 1_0.2A Cp 0,4 0,3 0,2 0,1 0 5 6 7 V [m/s] a) cazul turbinei echipate cu 6 pale nr. 9, şi b) pentru 3 turbine existente împreună cu respectiv nr. 1, înclinate la 55 cu frâna încărcată variaţia coeficientului Cp al unei turbine cu pale nr. 9. la 0.2 A Fig. 5.4 Variaţii ale coeficientului de putere Cp în funcţie de viteza aerului 35

V [m/s] C p1 Turbina Bergey XL.1 1 kw, d = 2.5 [m] Tabel 5.6 Coeficientul de putere Cp al unor turbine existente C p3 Turbina Hummer 500 W, d = 2.7 [m] C p4 Turbina Raum 1.5 kw, d = 2.9 [m] C p2 Turbina Fortis Passaat 1,4 kw, d = 3,12 [m] C p5 Turbina Endurance S3120 50 kw, d = 19.2 [m] 5 0,35918 0,50858 0,31295 0,19039 0,40714 6 0,3848 0,51506 0,34308 0,27544 0,44214 7 0,39486 0,46336 0,38471 0,24284 0,45428 V [m/s] C p0 Turbina det, d = 0.36 [m] Tabel 5.7 Calculul coeficientului de putere relativ la turbine existente. C p 0/1 Turbina Bergey XL.1 1 kw, d = 2.5 [m] C p 0/3 Turbina Hummer 500 W, d = 2.7 [m] C p 0/4 Turbina Raum 1.5 kw, d = 2.9 [m] C p 0/2 Turbina Fortis Passaat 1,4 kw, d = 3,12 [m] C p 0/5 Turbina Endurance S3120 50 kw, d = 19.2 [m] 5 0,05554 0,05565 0,05563 0,05565 0,05562 0,05573 6 0,04686 0,04684 0,04682 0,04677 0,04689 0,04717 7 0,04081 0,04082 0,04082 0,04081 0,04092 0,04065 Turbina Bergey XL.1-1kW, d=2.5 [m] Turbina Raum - 1,5kW, d=2.9 [m] Turbina Endurance S - 3120-50 kw, d = 19,2 [m] Turbina Hummer - 500W, d=2.7 [m] Turbina teza, d=0.36 [m] 0,06 0,05 0,04 Cp relativ 0,03 0,02 0,01 0 5 6 7 V [m/s] Fig. 5.5. Valorile coeficienţilor relativi C p0/1, C p0/2, C p0/3, C p0/4, C p0/5 comparate cu C p0 Pentru evidenţierea variaţiei coeficienţilor de putere ai turbinelor, din relaţia puterii: P = C 0 P0 2 1 3 π D0 ρ V, (5.1) 2 4 se deduce expresia de calculul a coeficientului de putere Cp : P0 C P 0 = 3 2 ρ V π D0 2 4 în care, notaţiile folosite au următoarele semnificaţii: 36 (5.2)

P 0 = Puterea turbinei eoliene testate în [W]; C p0 = coeficientul de putere al turbinei testate; V = viteza vântului în [m/s]; ρ = densitatea aerului la 500 m altitudine = 1,1 [kg/m 3 ]; D 0 = diametrul turbinei testate în [m]. Scriind relaţia puterii, atât pentru turbina testată (indice 0), cât şi pentru o turbina existentă (indice k): 2 1 3 π D0 P0 = CP0 ρ V (5.3) 2 4 2 1 3 π Dk Pk = CPk ρ V (5.4) 2 4 prin împărţire se obţine egalitatea: 2 P0 CP0 D0 = 2 Pk CPk Dk (5.5) din care, prin explicitare, se obţine expresia coeficientului de putere al turbinei testate, relativ la turbina de referinţă k: 2 P0 Dk CP0 = CP0 / k = CPk. 2 Pk D0 (5.6) Coeficientul CP0/k poate fi considerat drept coeficient de putere al turbinei de referinţa k, redusă la puterea şi diametrul turbinei testate. Aplicând relaţia (5.6), pentru datele din fig, 5.4 şi tab. 5.6, s-au obţinut rezultatele sistematizate în tab. 5.7; valorile numerice obţinute în tab. 5.7 şi reprezentate grafic în fig. 5.5 concordă suficient de bine cu valorile corespunzătoare turbinei testate (Tab. 5.6). 5.2. Concluzii şi contribuţii originale Din cercetările prezentate în acest capitol se desprind următoarele concluzii şi contribuţii: a) S-au efectuat testări pe stand a turbinei propuse în diverse configuraţii obţinute prin reglarea parametrilor de stare relevanţi ai sistemului eolian: încărcarea frânei electromagnetice (prin valoarea curentului de alimentare), numărul de pale, unghiul de înclinare a palelor (30, 45, 55, 65 si 75 ), viteza aerului (2-7 m/s) şi profilul palelor. b) S-au testat pale, de aceeeaşi arie, cu 13 profile distincte, pe baza unui program de reglare/modificare adecvată a parametrilor de stare. c) Testările au urmărit măsurarea turaţiei şi momentului şi implicit stabilirea puterii mecanice dezvoltate de turbina sub acţiunea vântului creat de tunelul aerodinamic, pentru fiecare set de valori stabilite anterior pentru parametri de stare nominalizaţi mai sus. d) S-au sistematizat şi prelucrat rezultatele numerice ale testărilor, pe baza de tabele şi diagrame, şi s-au identificat valorile parametrilor de stare care asigură cele mai bune performanţe ale turbinei sub sarcină. e) În testările cu frâna decuplată (mers în gol), turbina a pornit de la 2 m/s, pentru fiecare tip de pală. Din datele numerice au arătat că odată cu creşterea unghiului de înclinare, creşte momentul rezistent (de frecare) ca urmare a creşterii forţei axiale din lagăr. f) În cazul testărilor la mers în gol, unghiul de înclinare optim al unui anumit tip de pală este reprezentat de unghiul la care turbina realizează turaţia maximă; aşadar, la mersul în gol, palele cu cele mai bune performanţe sunt acelea pentru care turbina realizează turaţii cât mai 37

ridicate şi momente rezistente (prin frecare în lagăre) cât mai reduse: astfel, pala cu nr. de ordine 13 realizează cea mai ridicată turaţie (140 rot/min) şi cel mai redus moment (0.3 Nmm) pentru unghiul de înclinare de 55. Creşterea vitezei aerului, la mers în gol, este însoţită atât de creşterea turaţiei, cât şi de cea a momentului rezistent. g) La testările sub sarcină, momentul de încărcare este controlat prin valoarea curentului de alimentare a frânei electromagnetice (0, 0.1, 0.2 şi 0.3 A); în aceste cazuri, viteza de pornire a turbinei creşte cu creşterea sarcinii frânei. h) Din analiza datelor numerice şi grafice, rezultă că, în funcţie de tipul palei, puterile maxime ale turbinei corespund unghiurilor de înclinare de 55 şi 65. Dintre tipurile de pale testate, turbina prevăzută cu pale nr.9 realizează puteri maxime, pentru toate sarcinile frânei, la unghiul de înclinare de 65 ; rezultate apropiate sunt obţinute însă şi pentru unghiul de înclinare de 55 ; spre deosebire de pala nr. 9, palele nr. 5 şi nr.13 realizează puteri maxime, apropiate de pala nr. 9, la unghiul de înclinare de 55. i) Testările sub sarcină arată că prin creşterea vitezei aerului se produce o creştere a puterii turbinei datorată cu precădere creşterii turaţiei: în timp ce gradientul de creştere al turaţiei este relativ ridicat, gradientul de creştere al momentului este redus (momentul rămânând apropape constant). j) Analiza comparativă a rezultatelor obţinute în urma testărilor evidenţiază faptul că palele cu nr. de ordine 9, 6, 5 şi 13 realizează cele mai bune performanţe pentru unghiuri de înclinare de 65 (palele nr 6 şi 9) şi 55 (palele 5, 13, 9 şi 6). k) Pe baza datelor numerice obţinute din testări s-au determinat variaţiile coeficientului de putere (Cp) realizat de turbină în condiţiile de testare sub sarcină. Analiza comparativă, cu turbine existente de alte dimensiuni, arată că valorile coeficientului de putere al turbinei de mici dimensiuni, testate pe stand, se află într-o concordanţă satisfăcătoare cu cele ale turbinelor de referinţă considerate. 38

6. Conceperea şi realizarea unui kit eolian didactic ca instalaţie amovibilă de laborator În urma rezultatelor obţinute pe standul experimental de testări (prezentate în capitolul anterior), s-a conceput şi dezvoltat un kit eolian didactic pentru elevi şi studenţi, destinat evidenţierii factorilor determinanţi ai conversiei energiei eoliene în energie electrică şi pregătirii acestora pentru întelegerea, modelarea şi optimizarea turbinelor eoliene. Pe baza unor teste similare, efectuate pe cele două instalaţii, este prezentată o comparaţie între rezultatele obţinute pe standul experimental şi pe kitul eolian propus şi realizat ca echipament de laborator. În finalul capitolului este propusă o lucrare de laborator, bazată pe utilizarea kitului eolian propus, care pune în evidenţă principalii factori care influenţează practic conversia energiei eoliene în energie electrică. 6.1. Structura kitului eolian didactic Conceperea şi realizarea kitului eolian didactic, ca echipament de laborador, s-a bazat pe rezultatele oferite de experimentele desfăşurate pe standul experimental de testări (prezentate în capitolul 5); s-a urmărit realizarea unui echipament de dimensiuni reduse, caraterizat prin: viteză de pornire mică şi puteri cu momente şi turaţii reduse. Fig. 6.1. Componentele generatorului turbinei eoliene de mică putere Generatorul electric al turbinei eoliene, realizat în universitate, este ilustrat în figurile 6.1. şi 6.2.Generatorul turbinei eoliene este o maşină electrică sincrona cu magneţi permanenţi, de mică putere (5 W), capabilă să funcţioneze la turaţii reduse: 20 400 [rot/min]; acest generator transformă energia mecanică preluată de la turbină în energie electrică, generând un curent alternativ monofazat. Maşina electrică, utilizată ca generator, este formată dintr-un stator (1) fixat pe suportul turbinei şi un rotor (2); statorul (1) are formă de oală şi este prevăzut cu şase înfăşurări dispuse echiunghiular, iar rotorul (2) este de tip disc cu ax central şi este prevăzut cu şase magneţi permanenţi echiunghiulari (fig.6.1). 39

Fig. 6.3. Kit eolian didactic Pe lângă ansamblul turbină-generator deja prezentat, kitul eolian didactic conţine: un ventilator cu trei trepte de viteză pentru reglarea vitezei vântului, o riglă (utilizată la reglarea distanţei dintre ventilator şi turbină), un aparat de măsurare pentru tensiune şi curent, un anemometru pentru măsurarea vitezei vântului, un turometru pentru măsurarea turaţiei turbinei şi un suport pe care sunt montate toate componentele (fig. 6.3), cu posibilitatea demontării rapide a acestora. 6.2. Comparaţia rezultatelor oferite de standul de testări şi de kitul eolian didactic Conform capitolului 5, structura standului experimental (notat simplificat în diagrame cu: st1) a permis testarea puterii mecanice ( P m = T ω ) dezvoltată de turbină; spre deosebire de stand, structura kitului didactic (notat simplificat în diagrame cu: st2) permite testarea puterii electrice ( P e = U I ), debitată de generator sub acţiunea puterii mecanice debitată de turbina eoliană. În urma testărilor efectuate pe standul experimental de testări şi pe kitul didactic, s-a realizat, pentru verificare, o comparaţie între puterile oferite de cele două instalaţii în aceleaşi condiţii de testare. Pm si Pe, pentru 8 pale, nr.1, inclinate la 30, 45, 55 900 800 700 Pm, Pe [mw] 600 500 400 300 200 Pm_1_30 Pm_1_45 Pm_1_55 Pe_1_30 Pe_1_45 Pe_1_55 100 0 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 V [m/s] Fig. 6.4. Variaţii ale puterii mecanice Pm şi puterii electrice Pe, dezvoltate de turbina eoliană pe stand (Pm) şi respectiv pe kit (Pe), în cazul a 8 pale nr. 1, cu unghiurile de înclinare: 30, 45 si 55 40