Captarea Energiei Eoliene și Conversia Ei în Electricitate

Scopul lucrării este de a prezenta construcţia specială a unui rotor de turbină eoliană, având unghiul paletei variabil cu raza, instalaţia de încercare a rotorului la diverse intensităţi ale curentului de aer şi sarcini impuse turbinei eoliene, aparatele de măsurare specifice, precum şi performanţele rotorului eolian obţinute prin efectuarea măsurătorilor aerodinamice şi mecanice aferente.

O atenţie deosebită se va acorda protecţiei împotriva impactului cu elicea de avion adiacentă sufleriei şi curentului de aer în special la temperaturi joase ambiante, iar excitaţia în paralel a motorului electric nu se va reduce în timpul funcţionării.

Descrierea instalaţiei experimentale

Construcţia instalaţiei de încercare este reprezentată în figura 1 şi constă dintr-o tubulatură deschisă 1 (executată din tablă roluită), sprijinită pe suport 2 şi conţinând la interior rotorul turbinei eoliene 3, al cărui arbore este sprijinit prin intermediul a doi rulmenţi în suportul cu bare de susţinere 4. Pentru determinarea cuplului de franare se montează la celălalt capăt al arborelui o frână mecanică 5 cu doi saboţi.Braţul de lungime cunoscută L = 450 mm al frânei transmite efortul printr-o tijă

Fig. 1. Schema tunelului aerodinamic mare de încercare a rotorului unei turbine eoliene

din aluminium 6, pe platanul unei balanţe 7, care permite măsurarea forţei F şi deci a cuplului de frânare a rotorului. Curentul de aer este realizat de elicea de avion 8, acţionată cu turaţii dorite folosind un motor electric de curent continuu 9, cu ajutorul redresoarelor de curent alternativ 10 ce furnizează curentul continuu pentru periile indusului şi excitaţia separată, ce asigură stabilitatea regimului de funcţionare.

Aparatele de măsurare utilizate.

Viteza V (m/s) = l / t a curentului de aer este măsurată cu anemometrul cu palete 11, prin cronometrarea timpului t (s) în care curentul de aer parcurge o distanţă l (m), anemometrul fiind plasat imediat la intrarea în tubulatura aerodinamică de diametru D = 2 m, unde beneficiază de o repartiţie de viteze perfect constantă.

Turaţiile relativ joase ale rotorului turbinei eoliene pot fi numărate, timpul fiind măsurat cu ajutorul unui cronometru de precizie.

Cuplul de frânare al rotorului se măsoară cu ajutorul unei balanţe cu diviziunea minimă de 5 grame.

Formulele de calcul utilizate sunt următoarele.

Prin măsurarea vitezei V (m/s) de curgere a aerului incident pe discul rotorului, putem calcula puterea teoretică cu formula

iar prin măsurarea forţei F (N) cu o balanţă putem calcula puterea mecanică extrasă de rotor de la curentul de aer

în care turaţia N (rot/s) a rotorului turbinei eoliene este măsurată cu ajutorul unui cronometru.

Densitatea aerului ρat se calculează prin citirea greutăţii specifice în diagrama din laborator γo = g ρ cu g = 9.81 m2/s, în funcţie de temperatura T (oC) şi umiditatea relativă U (%) a aerului din laborator la presiunea atmosferică normală P0 = 760 mmcol Hg sau 1013 mbari, urmând a se corecta aceasta pentru presiunea efectivă Pat (mb) măsurată cu barometru, aplicându-se formula at = o Pat / P0.

Coeficientul de utilizare al energiei totale a vântului, sau eficienţa rotorului eolian, se calculează cu formula

n=N/t, , , din diagrama Betz ,

Modul de lucru. Se măsoară temperatura T, umiditatea relativă U şi presiunea absolută Pat a aerului din laborator, citindu-se valoarea greutăţii lui specifice din diagramă şi calculându-se densitatea efectivă a aerului ce va acţiona asupra paletelor rotorice cu formula at = o Pat / Po.

Se stabileşte o anumită strângere a şuruburilor de reglare a cuplului de frânare a rotorului şi se porneşte elicea, pentru a realiza diferite viteze ale curentului de aer măsurate cu anemometru. Pentru fiecare din aceste viteze se citeşte valoarea forţei de frânare măsurată cu balanţa şi se calculează momentul de frânare, simultan cu cronometrarea turaţiei corespunzătoare a rotorului turbinei.

Se repetă operaţia pentru alte strângeri ale şuruburilor frânei mecanice, acoperindu-se tot domeniu de lucru, de la ambalarea maximă corespunzătoare frânării zero şi până la frânarea completă a rotorului corespunzătoare cuplului maxim de frânare.

Prelucrarea rezultatelor. Valorile obţinute prin măsurători şi cele calculate vor fi trecute în tabelul 1 de mai jos şi reprezentate ca în graficul din figura 4, care are rolul să stabilească regimul optim de rotire al rotorului turbinei eoliene pentru o anumită valoare a vitezei vântului.