Proiecte colaborative de cercetare aplicativa PCCA - 2 RAPORTUL STIINTIFIC SI TEHNIC IN EXTENSO (RST) Proiect: Sistem hibrid de energie regenerabila bazat pe turbina eoliana cu ax vertical cu panouri fotovoltaice integrate si suspensie magnetica Acronim: WIPHRES Contract: Nr. 40/2012 / Act. Ad. 2/2014 Etapa 3 Realizare model structural si turn fixare VAWT, echiparea WIPHRES cu sistemul electric, sistem de suspensie magnetica. Perioada etapei: decembrie 2013 - noiembrie 2014 CO: Institutul de Statistica Matematica si Matematica Aplicata Gh. Mihoc C. Iacob - Bucuresti P1 : AEROSTAR S.A. - BACAU P2 : Universitatea POLITEHNICA din Bucuresti - CCSAE Director proiect CO: Dr. ing Horia Dumitrescu 1
C U P R I N S CAPITOL Denumirea etapei... 3 Rezultatele asteptate ale etapei de executie... 3 Obiectivele etapei... 5 Rezumatul etapei... 6 Descrierea stiintifica si tehnica... 10 Introducere... 10 A3.1. Proiectarea sistemului fotovoltaic (Partea II-a)... 10 A3.2. Realizarea prototipului (modelului structural) VAWT (Partea II-a)... 12 A3.3. Realizarea turnului de fixare pentru doua variante... 22 A3.4. Realizarea sistemului de suspensie magnetica si echiparea VAWT (Partea II-a)... 26 A3.5. Analiza numerica si teste structurale pentru cazurile de funcţionare considerate critice. (Partea II-a)... 30 A3.6. Interpretarea rezultatelor... 32 A3.7.Ajustarea configuraţiei structurale a sistemului hibrid. (Partea I)... 33 A3.8 Realizarea cablajelor electrice ale modelului WIPHRES (Partea I). 36 A3.9 Realizarea si testarea sistemului fotovoltaic (Partea I)... 36 A3.10 Testare generator electric (Partea I)... 37 A3.11 Diseminare... 38 Concluzii... 42 Bibliografie... 43 Pg. 2
DENUMIREA etapei 3 Realizare model structural si turn fixare VAWT, echiparea WIPHRES cu sistemul electric, sistem de suspensie magnetica. Prezentul raport prezinta rezultatele obtinute de consortiul compus din CO - Institutul de Statistica Matematica si Matematica Aplicata (ISMMA) si partenerii P1 - AEROSTAR Bacau si P2 - Universitarea Poitehnica Bucuresti, la finalizarea lucrarilor de cercetare-dezvoltare corespunzatoare etapei 3, in cadrul proiectului PNII -Sistem hibrid de energie regenerabila bazat pe turbina eoliana cu ax vertical cu panouri fotovoltaice integrate si suspensie magnetica - WIPHRES. REZULTATE ASTEPTATE Conform Planului de realizare a proiectului, in cadrul Etapei 3, au fost stabilite urmatoarele activitati (extras din Planul de realizare / Act aditional nr. 2/2014 la Contractul pentru executie proiecte de cercetare nr. 40/2012) pentru care au fost notificate urmatoarele rezultate asteptate: An Etapa/ Denumirea Activitatii/Rezultate astepate Partener implicat Categori a de activitate Data de finaliza re a etapei Rezultate asteptate 0 1 2 3 4 8 Etapa 3: 2 0 Realizare model structural si turn fixare VAWT, echiparea WIPHRES cu sistemul electric, sistem de suspensie magnetica./ 8 articole publicate in reviste indexate ISI; 3 articole publicate in reviste indexate in baze de date internationale; 9 participari la conferinte; Turnul de fixare al rotorului pentru prototipul turbinei de vant. 3.1. Proiectarea sistemului fotovoltaic (Partea II) 30.nov. 2014 1 P2 A2 4 3.2. Realizarea prototipului (modelului structural) VAWT (Partea II) 3.3. Realizarea turnului de fixare pentru doua variante. P1 A2 3.4. Realizarea sistemului de suspensie magnetica si 3 CO P1 P2 CO P1 A2 A2 A2 A2 A2 Raport tehnic ce contine: - proiectul sistemului
echiparea VAWT (Partea II) 3.5. Analiza numerica si teste structurale pentru cazurile de functionare considerate critice. (Partea II) 3.6. Interpretarea rezultatelor. 3.7.Ajustarea configuratiei structurale a sistemului hibrid. (Partea I). 3.8. Realizarea cablajelor electrice ale modelului WIPHRES (Partea I). P1 A2 3.9. Realizarea si testarea sistemului fotovoltaic (Partea I). 3.10. Testare generator electric (Partea I). P2 CO P1 P2 P1 P2 CO P1 P2 P2 CO P1 P2 CO P1 P2 CO A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 A2 D2 fotovoltaic si a sistemului electric de comanda (II) - elemente tehnice privind realizarea si integrarea sistemului electric - rezultate si concluzii privind testele efectuate la sistemul electric (I) - concluzii Prototip WIPHRES: echiparea prototipului cu sistemul fotovoltaic, cablajele electrice, sistemul electric de comanda si generatorul electric (I) 3.11. Diseminare P2 D2 4
OBIECTVELE ETAPEI 3 În vederea obținerii rezultatelor preconizate au fost stabilite urmatoarele obiective Denumirea activității A3.1. Proiectarea sistemului fotovoltaic (Partea II) A3.2. Realizarea prototipului (modelului structural) VAWT (Partea II) A3.3. Realizarea turnului de fixare pentru doua variante. A3.4. Realizarea sistemului de suspensie magnetica si echiparea VAWT (Partea II) A3.5. Analiza numerica si teste structurale pentru cazurile de funcţionare considerate critice. (Partea II) A3.6. Interpretarea rezultatelor. A3.7.Ajustarea configuraţiei structurale a sistemului hibrid. (Partea I). A3.8 Realizarea cablajelor electrice ale modelului WIPHRES (Partea I). A3.9 Realizarea si testarea sistemului fotovoltaic (Partea I). Obiective - Definitivare proiect sistem fotovoltaic/alegere invertor - Definitivare proiect VAWT - Prototip VAWT - Definitivare proiect turn de fixare in doua variante - Prototip turn de fixare - Echiparea butucului turbinei cu component suspensie magnetica - Analize de rezistenta pentru componente VAWT si turn de fixare - Analiza modurilor de vibratii ale palelor - Analize, ajustari/imbunatatiri ale proiectului in urma interpretarii rezultatelor - Schema electrica a sistemului integrat- - Dimensionarea/identificarea si achizitia componentelor electrice conform schemei electrice -Asamblarea si testarea individuala a sistemului fotovoltaic A3.10 Testare generator electric (Partea I). -Verificare caracteristicilor de putere ale generatorului functie de turatie A3.11 Diseminare -Participare conferinte/publicare in reviste de specialitate 5
R E Z U M A T Orice turbina de vânt urmărește un dual scop pentru maximizarea performanței: pornire autonomă la viteze mici și putere extinsă, tinzând la limită lui Betz. Dacă pentru turbinele cu ax orizontal (HAWT) studiate o îndelungată perioadă, problemele necunoscute sunt în număr redus, pentru turbinele cu ax vertical (VAWT), deși avantajate de o funcționare omnidirecțională, funcționarea lor mai are multe necunoscute, în special la pornire unde fenomenele aerodinamice sunt puțin cunoscute la acest regim. Prezentul proiect urmărește, în special, să analizeze, prin simulare numerică și experimentală pe modele in tunel aerodinamic (și apoi in-situ), aceste aspecte mai puțin cunoscute, și apoi să utilizeze rezultatele cercetării la implementarea și validarea lor la un model funcțional la scară naturală. Pe scurt, rezultatele obținute până în prezent în cadrul proiectului, constă în: - studii teoretice asupra aerodinamicii VAWT, cu rezultate comunicate în țară și străinătate și publicate în reviste de specialitate (continuate in toate etapele proiectului); - experimentări în suflerie, a unui model modular de rotor cu ax vertical, pentru testarea diferitelor configurații: număr de etaje, număr de pale și diferite valori ale raportului coardă/diametru; - proiectarea unui sistem hibrid eolian-solar, combinând o turbină cu ax vertical cu un sistem solar cu celule fotovoltaice. - Au fost proiectate 2 tipuri de rotoare, unul cu pale drepte (cu doua etaje) si unul cu pale curbe, respectiv pentru utilizare în mediu rural (pale drepte) și utilizare în mediu urban (pale curbe). Rotorul cu pale curbe este adaptat să funcționeze în condiții de vânt puternic perturbat de clădiri, fiind în același timp mai silențios (condiții de confort). Sistemul solar se bazează pe un captator solar original, numit tip floare de soare (sun-flower type) pentru care se va depune o cerere de brevet în etapa următoare (în combinație cu sistemul eolian). - Realizarea tuturor părților componente ale instalației WIPHRES, (părțile importante fiind turnul de susținere si palele rotorului) urmând ca în următoarea etapă să se asambleze și achiziționeze restul de componente necesare finalizării echipării și testării sistemului la scară naturală pe platforma AEROSTAR - Bacău. Obiectivele etapei a III-a, stabilite pentru îndeplinirea activităților aferente A 3.1 - A3.11, in perioada dec 2013 - noiembrie 2014, au fost: - Definitivare proiect sistem fotovoltaic/alegere invertor - Definitivare proiect VAWT - Prototip VAWT - Definitivare proiect turn de fixare in doua variante - Prototip turn de fixare - Echiparea butucului turbinei cu componenta suspensie magnetica - Analize de rezistenta pentru componente VAWT si turn de fixare - Analiza modurilor de vibratii ale palelor - Analize, ajustari/imbunatatiri ale proiectului in urma interpretarii rezultatelor 6
- Schema electrica a sistemului integrat-(i) - Dimensionarea/identificarea si achizitia componentelor electrice conform schemei electrice (I) -Asamblarea si testarea individuala a sistemului fotovoltaic (I) -Verificare caracteristicilor de putere ale generatorului functie de turatie (I) -Participare conferinte/publicare in reviste de specialitate In etapa III-a a proiectului WIPHRES, toti partenerii au concurat la realizarea activitatile alocate prin Planul de realizare la niveul rezultatelor asteptate, respectiv, prin îndeplinindirea completă a obiectivelor prevăzute: - au fost efectuate ajustarile necesare in urma analizelor, definitivandu-se astfel proiectele pentru turbina si turn de sustinere. - au fost realizare prototipurile pentru turbina si turn de sustinere - a fost finalizata configuratia butucului turbinei in vederea echiparii cu suspensia magnetica - au fost efectuate analize de rezistenta pentru componente VAWT si turn de fixare pentru cazurile de funcţionare considerate critice, in urma interpretarii rezultatelor acestora fiind realizate ajustari/imbunatatiri ale proiectului - a fost elaborata schema electrica a sistemului WIPHRES si au fost dimensionate/identificate si achizitionate componentelor electrice necesare. - Au fost testate preliminar atât sistemul fotovoltaic cât și generatorul electric. - Au fost diseminate rezultate științifice prin participare la manifestări științifice și prin publicare în reviste de specialitate. Au fost publicate sau acceptate la publicate un numar de 13 lucrări și s-a participat cu lucrari științifice la 10 conferințe internaționale. După doi ani de la începutul proiectului există deja un feed-back al comunității științifice prin cele peste 9 citări ale lucrărilor publicate. Menționăm, de asemenea, continuarea cercetărilor atât experimentale (chiar dacă activitățile prevăzute inițial s-au finalizat) cât și simulări numerice pentru a analiza și găsi soluții optime pentru viitoare configurații hybride de energii regenerabile cât și atragerea tinerilor în acest tip de cercetari (prin teme de doctorat sau licență). A se vedea rotorul cu pale cu prag si lucrarea prezentată la ICNPAA 2014: Numerical Investigations on Dynamic Stall Control with Passive Elements sau Numerical Simulation of Vertical Axis Wind Turbine at Low Speed Ratio (poz. 10 in lista). Pala cu prag (step) 7
Pale Turn 8
Ridicare turn de sustinere Generator Panouri fotovoltaice 9
Model platforma hybrida WIPHRES Continuarea activităților. Realizarea componentelor principale (turn de susținere, pale rotor, suporți de prindere), analizele de rezistență și a modurilor de vibrații și rezultatele corespunzătoare, testarea și verificarea panourilor fotovoltaice și a generatorului electric, în cadrul acestei etape constituie baza de lucru pentru desfășurarea în bune condiții a activităților prevăzute pentru următoarea etapă (Et. IV) din Planul de realizare a proiectului WIPHRES. Descrierea științifica si tehnica Introducere Dacă pentru turbinele cu ax orizontal (HAWT) studiate o îndelungată perioadă, problemele necunoscute sunt în număr redus, pentru turbinele cu ax vertical (VAWT), deși avantajate de o funcționare omnidirecțională, funcționarea lor mai are multe necunoscute, în special la pornire unde fenomenele aerodinamice sunt puțin cunoscute la acest regim. Prezentul proiect urmărește, în special, să analizeze, prin simulare numerică și experimentală pe modele in tunel aerodinamic (și apoi in-situ), aceste aspecte mai puțin cunoscute, și apoi să utilizeze rezultatele cercetării la implementarea și validarea lor la un model funcțional la scară naturală. Obiectivele aferente activităților etapei a III-a au fost : - Definitivare proiect sistem fotovoltaic/alegere invertor - Definitivare proiect VAWT - Prototip VAWT - Definitivare proiect turn de fixare in doua variante - Prototip turn de fixare - Echiparea butucului turbinei cu componenta suspensie magnetica 10
- Analize de rezistenta pentru componente VAWT si turn de fixare - Analiza modurilor de vibratii ale palelor - Analize, ajustari/imbunatatiri ale proiectului in urma interpretarii rezultatelor - Schema electrica a sistemului integrat-(i) - Dimensionarea/identificarea si achizitia componentelor electrice conform schemei electrice (I) -Asamblarea si testarea individuala a sistemului fotovoltaic (I) -Verificare caracteristicilor de putere ale generatorului functie de turatie (I) -Participare conferinte/publicare in reviste de specialitate A3.1. Proiectarea sistemului fotovoltaic. Prima activitate pentru demararea programului etapei a III-a a fost proiectarea sistemului fotovoltaic, realizată de partenerul P2 Pentru realizarea sistemului fotovoltaic a fost ales modulul SM-250PC8 produs de firma S-ENERGY. Valorile mărimilor caracteristice ale acestui modul, în condiții tehnice standard de funcționare (25 0 C, 1000 W/m 2 ), sunt următoarele (www.s-energy.com): Dimensiunile: 1665mm x 999mm x 50mm; Greutatea: 20 kg; Puterea de vârf (P max ): 250 Wp; Tensiunea la puterea de vârf (U Pmax ): 30,8 V; Curentul la puterea de vârf (I Pmax ): 8,14 A; Tensiunea de mers în gol (U 0 ): 37,5 V; Curentul de scurtcircuit (I sc ): 8,67 A; Eficiența: 15,03 %; Coeficientul de temperatură al tensiunii de mers în gol: 0,313 %/ 0 K; Coeficientul de temperatură al curentului de scurtcircuit: 0,052 %/ 0 K; Coeficientul de temperatură al puterii: 0,429 %/ 0 K; Temperatura normală de funcționare a celulei (NOCT: 20 0 C, 800 W/m 2 ); Cablurile de conexiune: RHW-2; 12AWG (4mm 2 ); Valoarea nominală a curentului siguranței fuzibile: 15 A. A 3.1.1 Calculul valorilor extreme ale tensiunilor modulului În condițiile climatice ale Europei centrale, cele mai mari valori ale tensiunilor modulului se realizează în timpul iernii, când temperatura modulului poate fi de 10 0 C, iar cele mai mici valori se realizează în timpul verii, când temperatura modulului poate fi de + 70 0 C. În grade absolute, diferențele de temperatură în condiții climatice extreme față de temperatura standard de 25 0 C sunt: 35 K la 10 0 C și 45 K la 70 0 C. Valorile extreme ale tensiunilor modulului sunt următoarele: U 0 (la 10 0 C) = 37,5 V + ( 35 K x 0,313 V/ 0 K) = 48,45 V U Pmax (la 10 0 C) = 30,8 V + ( 35 K x 0,313 V/ 0 K) = 41,75 V U Pmax (la + 70 0 C) = 30,8 V + (+ 45 K x 0,313 V/ 0 K) = 16,67 V 11
A 3.1.2 Alegerea invertorului Sistemul fotovoltaic funcționează împreună cu sistemul eolian formând un sistem hibrid autonom. Invertorul care urmează să furnizeze tensiunea cu valoarea efectivă de 230 V și frecvența de 50 Hz trebuie să aibă intrări de curent continuu separate, una pentru sistemul eolian de cu puterea de 5 kw și alta pentru sistemul fotovoltaic. Invertorul care îndeplinește aceste condiții este invertorul WWS50-220- 800 produs de firma Guang Zhou Esg New Energy Technology (http://esg100.com). Caracteristicile acestui invertor sunt următoarele: Tensiunea nominală a bateriei: 220 V; Puterea nominală de intrare de la turbina eoliană: 5 kw; Puterea maximă admisă a turbinei eoliene: 7,5 kw; Curentul de frânare a turbinei eoliene: 23 A; Puterea nominală de intrare de la panourile fotovoltaice: 1,5 kw; Tensiunea de încărcare fluctuantă: 266 V; Greutatea convertorului: 7,5 kg; Gabaritul convertorului: 140mm x 500mm x 170mm; Greutatea rezistenței de disipare a excesului de putere: 7 kg; Gabaritul rezistenței de disipare a excesului de putere: 770mm x 390mm x 180 mm. Având în vedere că tensiunea maximă furnizată de un panou fotovoltaic este de 48,45 V (la 10 0 C), numărul maxim de panouri fotovoltaice care se pot înseria (n S ), astfel ca tensiunea rezultantă a lor să nu fie peste tensiunea de curent continuu permisă de invertor, este: Se aleg 5 panouri fotovoltaice care să fie înseriate. Vederea din spate, cu dimensiuni, a panoului fotovoltaic ales este dată în figura 1: 12
Fig. 1. Vederea din spate, cu dimensiuni, a panoului fotovoltaic SM-250PC8. A3.2. Realizarea prototipului (modelului structural) VAWT (Partea II). Datele de intrare definite in etapele anterioare, au stat la baza proiectelor pentru modelul structural VAWT si turnul de fixare, echiparea WIPHRES cu sistemul electric, sistemul de suspensie magnetica. Denumirea Parametrul tehnic Descriere Inaltimea turbinei 4.0 m Rotorul VAWT Diametrul turbinei 3.6 m Numarul de tronsoane ale turbinei 2 Numarul de pale in sectiune 3 Unghiul format de pale pentru un modul 120º Unghiul de decalare intre tronsoane 60º 13
Lungimea palei 2 m Profilul palei NACA 0018 Coarda profilului palei 300 mm Turn de sustinere Inaltimea 10.3 m Pozitionarea centrului de presiune pentru turbina 11.1 m Pe parcursul Etapei 3, in cadrul analizelor comune efectuate de CO si parteneri, au fost efectuate ajustarile necesare proiectelor mentionate, având la baza si analiza rezultatelor experimentarilor pe modelul de suflerie executate in etapa 2. Principalii parametri avuti in vedere pentru aceste ajustari au fost: - pentru VAWT - coarda profilului teoretic: 325 mm - unghiul de incidenta a palei fata de tangenta: 0 -:- +2.5º - lungimea palei: 2.1 m - pentru sistem WIPHRES - amplasarea panourilor fotovoltaice in proximitatea turnului de sustinere - sistem de protectie impotriva descarcarilor electrice atmosferice - pentru analiza numerica si teste structurale - vânt maxim 180 km/ora A.3.2.1 Elemente de proiectare constructiva, tehnologice si de executie. Proiectarea constructiva pentru toate piesele componente ale rotorului VAWT si ale turnului de sustinere si, respectiv, pentru ansambluri a fost realizata prin modelare 3D folosind soft-uri Autodesk (MDT4, Inventor) si CATIA. Desenele rezultate cuprind toate datele dimensionale necesare executiei, inclusiv indicatii tehnologice, caracteristicile materialelor, acoperiri de protectie etc. Desene sunt listate in documentele, cu ultima revizie Oct. 2014, cuprinse in dosarul proiectului : Lista de desene _Ansamblu turbina WIP10-30-1000LD Lista de desene _Ansamblu turn WIP15-20-1000LD Lista de desene _Ansamblu turn WIP12-20-1000LD Marea majoritate a pieselor au fost executate pe centre de prelucrare cu comanda numerica si masini cu comanda numerica. Pentru aceasta, modelele 3D (.stp) ale pieselor au fost transmise catre programatorii CNC care au realizat transferul modelelor 3D in NX.CAD si apoi au realizat programele de masinare in NX.CAM. 14
Debitarea tablei din aliaj de aluminiu pe masini cu comanda numerica Si tablele din aliaj de aluminiu pentru unele piese ( bratele de sustinere a palelor) au fost taiate pe masini cu comanda numerica rutaj. Deasemenea unele componente ale turnului de sustinere au fost taiate din tabla groasa pe masini cu comanda numerica pentru taiere cu plasma. Sudura componentelor turnului de sustinere a fost executata de lucratori specializati. Sudura componentelor turnului de sustinere Modelele 3D ale subansamblurilor au fost utilizate si pentru analizele numerice de rezistenta structurala a VAWT la conditiiile critice de solicitare. Pentru modelarea constructiei s-au folosit elemente de tip "PSOLID", iar pentru modelarea suruburilor de prindere dintre tronsoanele de turn s-au folosit elemente de tip BEAM (BOLT CONNECTION din NX 7.5.3.1, modulul "ADVANCED SIMULATION"). Verificarea rezistentei turbinei, turnului si fixarii acestuia la sol au fost calculate pentru fortele aerodinamice induse pe turbina de un vânt cu viteza de 50 m/s (180 km/h). Pentru componentele rotorului s-au determinat si modurile fundamentale de vibratie, masa componentelor fiind calculata in programele de proiectare prin alocarea caracteristilor materialului fiecaruia. 15
Moduri fundamentale de vibratii ale palelor Modul de oscilatie pentru a 2-a frecventa fundamentala Valoarea eforturilor unitare in feruri Valoarea eforturilor unitare echivalente in balama In conformitate cu cele definite la 5.1.1 componentele VAWT au fost realizate pentru realizarea configuratiei: - coarda profilului teoretic : 325 mm, coarda fizica a palei: 340 mm - unghiul de incidenta a palei fata de tangenta: 1.5 ' - lungimea palei: - intre articulatiile de cuplare cu bratele 2.118 m - lungimea cu profil NACA0018 : 2.083 m 16
Turbina cu doua rotoare cu 3 pale drepte A.3.2.2 Definitivarea configuratiei palelor Pentru determinarea vitezei minime a vântului care determina inceperea rotatiei turbinei eoliene, au fost efectuate analize numerice asupra dinamicii turbinei, pentru diferite situatii ale parametrilor de intrare: unghiuri de incidenta ale palelor, turatie preconizata, putere preluata de generator etc. Analizele s-au facut intr-un program realizat in EXCEL care cuprinde inclusiv funcții de definire a coeficientilor de portanța si rezistenta la inaintare pentru profilul palei. Pentru realizarea pornirii autonome a rotatiei turbinei tip Darrieus la viteze mici, la capetele palelor din zona mediana a turbinei au fost concepute si realizate componente cu proprietati de functionare care îmbina caracteristicile palelor tip Darrieus cu cele ale palelor tip Savonius (la care pornirea se face la viteze mici ale vântului). 17
Linii de curent in jurul pieselor de capat A.3.2.3 Constructia palelor Piesa de capat al palei Palele sunt construite in sistem aripa: invelis din tabla 0.5 mm cu lonjeron pozitionat la grosimea maxima a profilului, asamblare prin nituire (in figura, modelul palei drepte): Pala dreapta cu piese de capat Piesele de capat sunt executate din aliaj de aluminiu si sunt conectate la invelis prin nituire. Pentru pastrarea configuratiei profilului si marirea rezistentei la incovoiere/flambare, interiorul palelor este umplut cu spuma poliuretanica. Asamblarea primara a palei, inclusiv umplerea cu spuma, se face intr-un dispozitiv-matrita, finalizarea asamblarii prin nituire facându-se dupa intarirea spumei și scoaterea palei din matrița. 18
Dispozitiv matrita Acest tip de constructie asigura, practic la aceeasi greutate ca a unei construcții din materiale compozite, caracteristici superioare in ceea ce priveste prelucrabilitatea, rezistenta mecanica si rigiditate mai bune, posibilitati de reparatie si mentenanta mai facile, rezistenta mai mare la actiunea factorilor externi agresivi: variatii de temperatura, radiatii solare etc. Componente pentru pale 19
Pale curbe A.3.2.4 Constructia suportilor palelor (brațe) Suportii palelor (bratele de sustinere) sunt construiti din tabla de aliaj de aluminiu de 1.5 mm grosime, profilata pentru alcatuirea unei constructii tip cheson, cu asamblare prin nituire. Sectiune suport pala Piesele de capat, pentru conectarea la pale si la butucul turbinei, sunt din aliaj de aluminiu și sunt asamblate la cheson prin nituire sau cu imbinari filetate, dupa caz. 20
Piese de capat A.3.2.5 Asamblarea turbinei Brate suport de sustinere pale Bratele suport pentru pale sunt asamblate pe butucul turbinei cu suruburi asigurate cu Loctite. In partea de jos a butucului este prinsa una din componentele lagarului magnetic, cealalta fiind pe generator. 21
Detalii prindere butuc Palele sunt prinse pe bratele suport prin articulatii care permit palei sa se incovoaie sub actiunea fortelor centrifuge, eliminand astfel eforturile de incovoiere in cuplajele dintre brate si pale. Detalii de prindere la capetele palelor 22
Piese de capat A3.3 Realizarea turnului de fixare pentru doua variante. Proiectul turnului de fixare (sustinere) a turbinei eoliene a fost realizat pentru doua variante de instalare a eolienei : - instalare in teren deschis (pe sol) - instalare urbana (pe cladire) Turnul de fixare (sustinere) a turbinei eoliene pentru instalare in teren deschis a fost realizat din trei componente principale : suportul fix fixat pe fundatie, partea mobila (care prin rabatare in articulatie permite accesul la turbina si generator) si suportul generatorului. Aceste componente principale sunt realizate in constructie sudata. Turnul asigura o inaltime de 12.5 m pentru rotor (in centrul de presiune) Constructia modulata permite conditii de transport si montaj mai facile, iar solutia stabilita, cu rabaterea turnului de sustinere, permite un acces imbunatatit la turbina si la generatorul electric pentru lucrarile de montare-demontare, intretinere si reparatii. Rabaterea turnului se realizeaza cu ajutorul unui utilaj de ridicare (macara auto). 23
Componente turn de susținere (sus) si turn de sustinere (jos) 24
Turnul de fixare are un amplasament in incinta Partenerului 1 intr-o zona, deschisa, fara obstacole pentru vânt, pe o fundatie betonata, construita in cadrul unei platforme de beton existenta, si este ancorat cu 4 perechi de ancore, conform figurii de mai jos. Componenta rabatare turn Operatii de ridicare a turnului de sustinere rotor 25
Ansamblu fundație și metoda de ancorare Acest sistem a fost verificat prin calcule pentru sarcini induse de greutatea componentelor și de sarcini aerodinamice induse de turbina eoliana și turn pentru un vânt de până la 180 km/ora. 26
Detalii prindere turn si ancore in fundație Turnul de fixare (sustinere) a turbinei eoliene pentru instalare urbana (pe cladire) a fost proiectat deasemenea in sistem modulat, rabatabil, cu dimensiuni ale componentelor care permit chiar si urcarea pe cladire inalta, putând fi transportate cu liftul. Componentele turbinei se asambleaza la fața locului. 27
Varianta turn de fixare pentru amplasare pe cladiri A.3.4. Realizarea sistemului de suspensie magnetica si echiparea VAWT (Partea II) A.3.4.1 Analiză teoretică. În figura 2 este prezentată schematic structura lagărului magnetic pasiv repulsiv axial-vertical al generatorului electric al turbinei eoliene și direcția forțelor magnetice de repulsie dezvoltate între cele două coroane de magneți. Fig. 2. Structura lagărului magnetic pasiv repulsiv axial-vertical 28
Se admite ipoteza că un magnet poate fi echivalat cu un ansamblu de două sarcini magnetice de semn contrar, distribuite uniform pe fețele lui polare. Valoarea unei sarcini magnetice Q m este dată de relația: în care H c este intensitatea câmpului magnetic coercitiv iar A este aria suprafeței polare. Expresia analitică a forței dintre doi poli magnetici cu sarcinile Q m1 și Q m2 este dată de relația: în care r 12 este distanța dintre cei doi poli magnetici iar u 12 este versorul acestei distanțe. Între sarcinile magnetice echivalente ale magneților discurilor statoric și rotoric ale lagărului din figura 2 acționează patru forțe magnetice: două forțe de repulsie între sarcinile cu aceeași polaritate și două forțe de atracție între sarcinile cu polarități diferite. Forța rezultantă este dată de suma vectorială a tuturor celor patru forțe. Magneții permanenți care formează coroanele din figura 2 au intensitatea câmpului magnetic coercitiv H c = 1000 ka/m, lățimea l = 15 mm și înălțimea h = 8 mm. Coroana magneților rotorici are raza medie R = 15 cm. În figura 3 este prezentată dependența forței de repulsie, exprimată în Newtoni, de distanța dintre discurile lagărului axial iar în figura 4 sunt prezentate dependențele forței de repulsie de raportul razelor coroanelor magnetice, pentru trei valori ale distanței dintre discuri (2 mm, 3 mm și 4 mm). Fig. 3. Dependența de distanță a forței de repulsie a lagărului axial-vertical 29
Fig. 4. Forța de repulsie a lagărului axial în funcție de raportul razelor coroanelor magnetice, pentru trei valori ale distanței între discuri Calculul fortelor magnetice de repulsie cu metoda elementului finit (programul FEMM) Coroanele magnetice ale lagărului axial-vertical se realizează din magneți permanenți NdFeB, cu dimensiunile 15mm x 15mm x 8 mm. Diametrul mediu de așezare al magneților componenți elementari este de 12 cm. Numărul de magneți care compun o coroană este n C = 22 (considerând și spații libere tehnologic între magneți). Calculele următoare sunt făcute pentru o singură pereche de magneți între care se exercită forțe de repulsie. Spectrul liniilor inducției magnetice al unei perechi de magneți în configurație repulsivă frontală este prezentat în figura 5. a) b) Fig. 5. Spectrul linilor de câmp ale inducției magnetice pentru o pereche de magneți în configurație repulsivă frontală: a) configurația câmpului, b) legenda culorilor. 30
Variația forței de repulsie cu distanța dintre magneți este dată în figura 6. Pe baza acestei diagrame se poate dimensiona lagărul axial. Dacă diametrul interior al coroanelor este de 15 cm, ele conțin 30 de magneți și, pentru o distanță de 2 mm între magneți, forțele de repulsie pot suporta un rotor cu greutatea de 104 kg. Adăugarea unei coroane cu 40 de magneți, în exteriorul coroanei anterioare, ar spori forța de repulsie cu 140 kg. Stabilizarea laterală a lagărului axial se asigură cu lagăre radiale cu rulmenți, Fig. 6. Variația forței de repulsie cu distanța dintre magneți A.3.4.2. Realizarea practica. Pe suportul corespunzator de la extremitatea superioara a turnului este fixat generatorul. In partea superioara a generatorului este fixata una din componentele lagarului magnetic. Cealalta componenta a lagarului magnetic este fixata in partea inferioara a butucului turbinei, având posibilitatea de reglare a pozitiei, prin îmbinare filetata, Dupa ce este realizata distanta optima intre cele doua componente ale lagarului magnetic, pentru asigurarea fortei maxime de portanta, cea de pe butucul turbinei este blocata in pozitie prin intermediul unui surub. Detalii fixare lagar magnetic 31
Detaliu surub de fixare A 3.5. Analiza numerica si teste structurale pentru cazurile de funcţionare considerate critice. (Partea II-a) Analizele au constat in principal in verificarea la rezistenta structurala a componentelor principale ale VAWT si turnului de sustinere. Verificarea rezistentei turbinei, turnului si fixarii acestuia la sol au fost calculate pentru fortele aerodinamice induse pe turbina de un vant cu viteza de 50 m/s (180 km/h).pentru modelarea structurilor s-au folosit elemente de tip "PSOLID", iar pentru modelarea suruburilor de prindere dintre tronsoanele de turn s-au folosit elemente de tip BEAM (BOLT CONNECTION din NX 7.5.3.1, modulul "ADVANCED SIMULATION"). Mai jos sunt prezentate cateva exemple din documentele: Compendiu de calcul_ justificarea cerintelor de rezistenta la turbina eoliana, cod. WIP10-30-1000CR, Revizia Iun. 2014 32
Analiza rezistenta_instalare la sol turn eoliana, cod. WIP15-20-1000AR, Revizia Aug. 2014 Analiza rezistenta turbina eoliana, cod. WIP10-30-1000AR, Revizia Iun.2014 33
Analiza modurilor de vibratie ale palei, cod. WIP10-30-1000MV, Revizia Mai. 2014 Analiza rezistenta_instalare pe cladire turn eoliana, cod. WIP12-20-1000AR, Revizia Feb. 2014 A 3.6. Interpretarea rezultatelor. In urma rezultatelor analizelor prezentate la capitolul anterior a rezultat faptul ca structurile rezista la solicitarilor prevazute, in conditiile in care se fac cateva ajustari asupra proiectului, principalele constand in marirea numarului de suruburi de prindere a bratelor cu butucul rotorului si cu ansamblurile pala. 34
Modificarile au fost incluse in proiect, piesele executându-se in conformitate. In ceea ce priveste frecventele proprii de vibratie pentru componentele rotorului având in vedere ca este putin probabil ca frecvența rafalelor de vânt sa se suprapuna peste acestea frecventa, precum si faptul ca la viteze foarte mari ale vântului se poate folosi sistemul de frânare, se poate concluziona ca structura rotorului este stabila din punct de vedere vibrații. După cum amintit la A 3.3, pentru analiza eficientei turbinei eoliene, pe butucul turbinei se vor monta si pale fabricate de un producator consacrat pentru un sistem de 5kW in vederea compararii parametrilor caracteristici celor doua variante. A 3.7. Ajustarea configuraţiei structurale a sistemului hibrid (Partea I). A fost elaborata schema electrica pentru sistemul WIPRHRES (Fig. 7), prezentata in documentul WIPRHRES Schema electrica, cod. WIP00-00-0000SE, Revizia Sep. 2014, agreata pe partenerii la proiect. 35
In baza acesteia au fost dimensionate/identificate componentelor electrice care mai erau necesare si au fost achizitionate, principalele fiind: - panouri fotovoltaice si suporti adecvati - baterii acumulatoare - cabluri cu diferite caracteristici functie de portiunea de circuit - contor electic - diverse accesorii, cuple electrice Sistemul va alimenta consumatori din cadrul unui laborator de incercari al Partenerului 1: banc pentru incercari, calculator cu sistem de prelevare parametri etc. Alte componente si echipamente ce vor fi necesare in fazele de testare vor fi identificate in etapele urmatoare. 36
Fig. 7 Schema electrica pentru sistemul WIPHRES 37
3.8. Realizarea cablajelor electrice ale modelului WIPHRES (Partea I). Pe baza schemei electrice si de comandă a sistemului WIPHRES in partea I a acestei activități au fost identificate și dimensionate în vederea realizării sau achiziției a componentelor electrice necesare. Fig. 8. Conectarea la convertorul de putere a bateriei, surselor de energie și rezistenței de disipare Lista acestui necesar de echipamente a fost elaborată de partenerii P1 si P2 și există in dosarul proiectului la partenerul P1 până la finalizarea acestei activități în etapa următoare. A3.9 Realizarea si testarea sistemului fotovoltaic (Partea I). După ce s-a proiectat sistemul fotovoltaic si s-a convenit asupra dimensiunii acestuia (geometrie, configurații, numar de panouri ) s-a testat caracteristicile individuale ale panoului solar, confom fig. 9. Caracteristicile curent-tensiune pentru diverse valori ale radiației solare incidente și diverse temperaturi ale panoului fotovoltaic ales sunt date în figura 9: Fig. 9. Caracteristicile curent tensiune ale panoului fotovoltaic SM-250PC8 38
Configurațiile posibile pentru sistemul WIPHRES sunt: - sub formă de floare de soare, sau - sub formă de piramidă (fig. 10). Fig. 10 Configurație piramidală cu panouri solare pentru sistemul WIPHRES A 3.10. Testare generator electric (Partea I). Turbina de vant cuplata cu un generator sincron trifazat, cu magneti permanenti, este solutia aproape unanim utilizata in constructia eolienelor de puteri mici si medii. Actionarea este de tip direct, adica turbina este pe acelasi ax cu generatorul electric, pentru ca sistemul sa fie mai robust. După alegerea generatorului electric (Fig. 11) adecvat gamei de putere al turbinei s-a efectuat a verificare caracteristicilor de putere (Fig. 12).Generatorul este tip sincron TECHMLV 5kw, cu următoarele caracteristici: Putere nominală: 5kw, max: 6kw Turatie nominala 100 (120) rot/min rated wind speed : 11 (12) m/s viteza de lucru a vântului : 3.2-25 m/s; Tip generator : PMG 3 phases AC viteza maximă admisă : 50 m/s Protecție pentru supraviteză :electromagnetică Fig. 11. Generatorul electric sincron cu magneți permanenți 39
Integrarea generatorului in sistemul WIPHRES a fost aratata in RST- etapa 2/2013. Fig. 11 Caracteristica de putere funcție de turație. Concluzia este că generatorul este bine calculat deoarece are caracteristica aproape liniara in regiunea de interes. Comparând valorile puterilor nominale ale generatorului, realizat pentru aplicaţia eoliana, cu valorile maxime ale puterilor mecanice la arborele turbinei eoliene, pentru diferite viteze ale aerului, rezulta compatibilitatea cuplajului direct turbina/ generator electric, in gama de viteze ale curentului de aer 5-14m/s, pentru gama de puteri pana la 6000 W și de turaţii de până la 250 rot/min A 3.11 Diseminare Membrii consortiului de cercetare au reusit și in anul 2014 sa prezinte si sa publice unele din rezultatele obținute in tematica proiectului, adica al energiei vantului sau energiei solare. A fost organizata a cincea sesiune speciala in cadrul unei conferinte internationale cu traditie: ICNAAM 2014 (International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics, Grecia, Rodos, 23-30 Septembrie 2014; http://2014.icnaam.org/.: State of the Art of Mathematical Modeling, Numerical Analysis, Optimization and Control of Hybrid Renewable Energy Systems (Wind Power / Photovoltaic Energy) organizatori: Alexandru Dumitrache, Florin Frunzulica Aceasta sectiune dedicata performantelor si controlului turbinelor eoliene a avut ca obiective diseminarea rezultatelor obtinute, schimb de informatii si discutii stiintifice si pregatirea tinerilor doctoranzi prin oportunatatea de a prezenta si publica lucrari stiintifice necesare stagiului de doctorat. 40
De asemenea a fost organizata o alta sectiune speciala (pentru a doua oara) in cadrul conferintei 10 TH INTERNATIONAL CONFERENCE OF MATHEMATICAL PROBLEMS IN ENGINEERING, AEROSPACE AND SCIENCES (ICNPAA 2014), 14-20 July 2014, Narvik, Norvegia: SESSION 17. State of the Art of Mathematical Modeling, Numerical Analysis, Optimization and Control of Renewable Energy Systems. organizatori: Alexandru Dumitrache, Florin Frunzulica Si aici fost prezentate 2 lucrari stiintifice in cadrul acestei sectiuni (acceptate spre publicate apoi in AIP Conference Proceedings ) in tematica proiectului. Inca 5 lucrari au fost prezentate in cadrul unor conferinte internationale sau nationale cu tematica de energii neconventionale sau de mecanica fluidelor (Tabelul 2 ) Tabelul 1 Nr. Crt. Titlu articol An aparitie Revista Autori Status 1 Numerical Investigations of Passive Flow Control Elements on the Vertical Axis Wind Turbine -0001* AIP Conference Proceedings Frunzulica Florin Dumitrache Alexandru Acceptat 2 Numerical Investigations on Dynamic Stall Control with Passive Elements 2014* American Institute of Physis Conference Proceedings - Frunzulica Florin - Dumitrache Alexandru - Suatean Bogdan Publicat 3 Turbulence Models in CFD Simulation of Low-Reynolds Number Airfoils Flow -0001* American Institue of Physics Conference Proceedings - Bogos Stefan - Dumitrache Alexandru - Frunzulica Florin Acceptat 4 Influence of Unsteady Flow on the Aerodynamics and Aeroacoustics of Vertical Axis Wind Turbines -0001* American Institute of Physics Conference Proceedings - Dumitrache Alexandru - Frunzulica Florin - Crunteanu Daniel Acceptat 5 The Use of Experimental Design to Find the Operating Maximum Power Point of PEM Fuel Cells -0001* American Institute of Physics Conference Proceedings - Craciunescu Aurelian - Patularu Laurentiu - Ciumbulea Gloria - Olteanu Valentin - Pitorac Cristina - Drugan Elena Acceptat 6 The Analyze of the Dynamic Performances of Two Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Systems -0001* American Institute of Physics Conference Proceedings - Craciunescu Aurelian - POPESCU CLAUDIA LAURENTA - Popescu Mihai Octavian - Florea Marin Leonard - Elena Drugan - Colt Gabriel Acceptat 41
7 Aerodynamic Study Of Active Flow Control Using Blowing Jets Over Some Trailing Edge Configurations -0001* American Institute of Physics Conference Proceedings - Isac Andrei - Crunteanu Daniel - Frunzulica Florin Acceptat 8 State of the Art of Mathematical Modeling, Numerical Analysis, Optimization and Control of Hybrid Renewable Energy Systems (Wind Power / Photovoltaic Energy )- Preface Session 105-0001* American Institute of Physics Conference Proceedings - Dumitrache Alexandru - Frunzulica Florin Acceptat 9 INFLUENCE OF GEOMETRIC AND AERODYNAMIC PARAMETERS ON THE PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF A SMALL VERTICAL AXIS WIND TURBINE -0001* American Institute of Physics Conference Proceedings - Dumitrache Alexandru - Frunzulica Florin - Dumitrescu Horia - Bogos Stefan In Evaluare 10 Blowing jets as a circulation flow control to enhancement the lift of wing or generated power of wind turbine 2014 INCAS Bulletin - Dumitrache Alexandru - Frunzulica Florin - Dumitrescu Horia - Cardos Vladimir Publicat 11 Numerical Investigations of Dynamic Stall Control 2014* INCAS Bulletin - Frunzulica Florin - Dumitrescu Horia - Dumitrache Alexandru Publicat 12 Reynolds number effects on the aerodynamic performance of small VAWTs 2014 U.P.B. Scientific Bulletin, Series D - Bogateanu Radu - Dumitrache Alexandru - Dumitrescu Horia - Stoica Cornel Publicat 13 Investigations on Dynamic Stall Control with Passive Elements -0001* Proceedings of Applied Mathematics and Mechanics - Frunzulica Florin - Dumitrescu Horia - Dumitrache Alexandru Acceptat 14 Numerical Simulation of Vertical Axis Wind Turbine at Low Speed Ratio 2014 Global Journal of Researches in Engineering: In Numerical Methods - Malael Ion - Dumitrescu Horia - Cardos Vladimir Publicat -0001* - An aparitie 2014 sau 2015 In anul 2014 au fost acceptate la publicare sau publicate 13 articole stiintifice cu autori membrii ai consortiului, dintre care 9 in reviste cotate ISI si restul indexate in baze de date. Alte 3 articole sunt acceptate la publicare sau in evaluare (tot in reviste cotate ISI) (Tabelul 1). 42
Majoritatea lucrarilor prezentate au avut inclusi sau au fost prezentate de tineri doctoranzi, care sunt astfel la curent cu ceea ce este mai nou in domeniul cercetarii energiilor neconventionale. Tabel 2 / Conferinte Crt. Titlu articol prezentat An Tip Publicatie/Conferinta ISSN / ISBN Proceedings Conferinta 1 Investigations of Passive Flow Control Devices for VAWT 2014 Articol Proceedings of Applied Mathematics and Mechanics/ GAMM 2014 Conference N/A / N/A 2 Comparison of Artificial Bee Colony Algorithm with other Algorithms used for Tracking of Maximum Power Point of Photovoltaic Arrays 2014 Articol Renewable Energy and Power Quality Journal/ ICREPQ'2014 2172-038X / N/A 3 Wind Tunnel Experiments on H- rotor VAWTs with Straight Blades 2014 Articol Renewable Energy and Power Quality Journal (RE&PQJ)/ ICREPQ'2014 2172-038 X / N/A 4 Blowing jets as a circulation flow control to enhancement the lift of wing or generated power of wind turbine 2014 Prezent are Orala N/A / International Workshop on Numerical Modelling in Aerospace Sciences N/A / N/A 5 Effect of Passive Flow Control on the Vertical Axis Wind Turbine 2014 Articol AIP Conference Proceedings (publicare in 2015) 0094-243 X / N/A 6 Influence of geometric and aerodynamic parameters on the performance characteristics of small vertical axis wind turbine 2014 Articol AIP Conference Proceedings (publicare in 2015) / ICNAAM 2014 0094-243 X / N/A 7 Vortical structures in the near wake of a VAWT 2014 Prezent are Orala N/A / International Conference of Aerospace Sciences "AEROSPATIAL 2014" N/A / N/A 8 Numerical Investigations on Dynamic Stall Control with Passive Elements 2014 Articol AIP Conference Proceedings (publicare in 2015) / ICNAAM 2014 0094-243 X / N/A 9 Turbulence Models in CFD Simulation of Low-Reynolds Number Airfoils Flow 2014 Articol AIP Conference Proceedings (publicare in 2015) / ICNAAM 2014 0094-243X / N/A 10 Influence of Unsteady Flow on the Aerodynamics and Aeroacoustics of Vertical Axis Wind Turbines 2014 Articol AIP Conference Proceedings (publicare in 2015) / ICNAAM 2014 0094-243 X / N/A Mentionam inițierea actiunii de completare a documentației în vederea înaintării unei cereri la OSIM de obținere a unui brevet de invenție pentru soluțiile propuse în cadrul proiectului WIPHRES. 43
CONCLUZII Se pot evidenția următoarele concluzii: Indeplinirea obiectivelor propuse In etapa III-a a proiectului WIPHRES, toți partenerii au concurat la realizarea activitatile alocate prin Planul de realizare la nivelul rezultatelor asteptate, respectiv, prin îndeplinirea completă a obiectivelor prevăzute: - au fost efectuate ajustarile necesare in urma analizelor, definitivându-se astfel proiectele pentru turbina și turn de susținere. - au fost realizare prototipurile pentru turbina si turn de sustinere - a fost finalizata configurația butucului turbinei în vederea echipării cu suspensia magnetica - au fost efectuate analize de rezistenta pentru componente VAWT si turn de fixare pentru cazurile de funcţionare considerate critice, în urma interpretării rezultatelor acestora fiind realizate ajustări/îmbunătățiri ale proiectului. - a fost ridicat turnul de susținere pe platforma de la AEROSTAR. - a fost elaborată schema electrica a sistemului WIPHRES și au fost dimensionate/identificate și achiziționate componentele electrice necesare. - Au fost testate preliminar atât sistemul fotovoltaic cât și generatorul electric. - Au fost diseminate rezultate științifice prin participare la manifestări științifice și prin publicare în reviste de specialitate. Au fost publicate sau acceptate la publicate un numar de 13 lucrări și s-a participat cu lucrari științifice la 10 conferințe internaționale. După doi ani de la începutul proiectului există deja un feed-back al comunității științifice prin cele peste 9 citări ale lucrărilor publicate. Menționăm de asemenea continuarea cercetărilor atât experimentale (chiar dacă activitățile prevăzute inițial s-au finalizat) cât și simulări numerice pentru a analiza și găsi soluții optime pentru viitoare configurații hybride de energii regenerabile cât și atragerea tinerilor în acest tip de cercetari (prin teme de doctorat sau licență). Continuarea activităților Realizarea componentelor principale (pale rotor, suporți de prindere), analizele de rezistență și a modurilor de vibrații și rezultatele corespunzătoare, testarea și verificarea panourilor fotovoltaice și a generatorului electric, în cadrul acestei etape constituie baza de lucru pentru desfășurarea în bune condiții a activităților prevăzute pentru următoarea etapă (Et. IV) din Planul de realizare a proiectului WIPHRES. 44
Bibliografie 1. RST etapa 3 - partener P1 - AEROSTAR 2. RST etapa 3 - partener P2 - UPB 45