Destinate fie instalărilor restrânse (ori chiar individuale), fie fermelor mari (ocupând zone largi de teren, ori în largul apropiat al mărilor/oceanelor), turbinele eoliene cunosc astăzi – după doar câteva decenii de evoluţie – o gamă largă de tipuri şi dimensiuni. Referindu-ne doar la agregatele de putere mare, vom observa firul evolutiv: dacă în 1996 turbina eoliană depăşea, cu eforturi, limita de un megawatt, astăzi s-a ajuns la o putere instalată 6 MW (şi la un diametru al elicelor de 150 de metri).
Două abordări distincte
În principiu, captarea energiei vântului la nivelul unei turbine se întâmplă astfel: suflul aerului roteşte elicea, aceasta, la rândul ei, antrenează un generator electric rotativ, iar curentul electric alternativ produs este, eventual, convertit în curent continuu şi retransformat în curent alternativ de 50/60Hz compatibil cu reţeaua electrică (la care turbina este cuplată). Deci o serie de transformări de energii, cărora proiectanţii/producătorii sunt chemaţi să le asigure un cât mai bun randament (în limitele fezabilităţii industriale, de obicei).
O turbină de vânt tipică pentru putere mare:
- putere instalată: 2,5MW
- viteza vântului: 3 – 25 m/s
- înălţimea turnului/butucului: 90 – 140m
- turaţia elicei: 6 – 15 rotaţii/minut
- diametrul elicei: 100 – 110 m
- masa totală: 20 – 200 tone
Schema clasică a turbinei eoliene prevede existenţa unui reductor cu roţi dinţate între rotorul elicelor şi rotorul generatorului electric, de fapt un amplificator de turaţie care transformă rotirea lentă a elicei în turaţie înaltă, potrivită generatorului tipic. (Pentru a acţiona un generator cu 1000-3000 rotaţii pe minut ar fi nevoie de un raport de transmitere mecanică de 1:50. Dar astăzi se construiesc şi turbine cu rapoarte de peste 1:100). Abordarea are avantajul unui know-how evoluat pe partea de conversie electrică (generatoare de volum relativ mic şi de eficienţă mare), dar şi dezavantajul transmisiei mecanice cu oarecare pretenţii de mentenanţă (figura 1).
FIGURA 1. Secţiuni schematice prin turbinele eoliene cu şi fără reductor mecanic
În ultimii ani se experimentează tot mai mult abordarea unei turbine eoliene fără reductor, numită şi gear-less ori direct-driven (figura 2). Aceasta evită problemele mecanice ale ansamblului mecanic intermediar (pierderile şi întreţinerea), dar ridică provocări deosebite pentru generatorul electric, care trebuie să fie de o concepţie deosebită spre a putea lucra la turaţii atât de mici. Astfel, generatorul – pentru a atinge o eficienţă bună – necesită soluţii speciale de proiectare (pornind implicit de la cerinţa unui diametru mare, necesar pentru a găzdui mai mulţi poli magnetici), materiale deosebite (precum Nd2Fe14B – aliaj supermagnetic de neodim, fier şi bor), subsisteme pretenţioase de monitorizare, ajungând, deci, la greutăţi şi costuri semnificative.
FIGURA 2. Schemă generator electric tipic „gear-less”
Proiectanţii sunt nevoiţi să recurgă la diverse artificii de concepţie: pentru a creşte eficienţa electromagnetică, pentru a reduce masa generatorului, pentru optimizarea fluxurilor magnetice active, pentru a minimiza pierderile de flux, pentru a reduce reacţiunile/forţele dintre rotor şi stator, pentru a creşte inducţia prin întrefier, pentru a optimiza răcirea maşinii electrice, pentru diminuarea zgomotului ş.a.m.d.. De exemplu, se folosesc poli cu magneţi permanenţi şi respectiv profil în „C” pentru rotor (figura 3).
FIGURA 3. Schema generatorului electric de turaţie mică
Controlul unghiului de atac al palelor de elice
Multe dintre turbinele eoliene moderne de putere mare (mai ales cele „gear-less”, unde frecvenţa curentului indus depinde drastic de turaţia elicei) sunt prevăzute cu sisteme de controlare a unghiului de înclinare a palelor. Astfel, când viteza vântului variază semnificativ, aceste acţionări electro-mecanice modifică unghiul de atac al elicei pentru a menţine turaţia rotorului în limitele nominale de operare. Unghiul de răsucire a palelor poate varia între 0 şi 90°, iar o valoare extremă este aplicată inclusiv pentru oprirea (blocarea) elicei pe durata reviziilor tehnice sau a furtunilor.
Cum mai toate turbinele mari au elice cu trei pale, în butucul elicei se află trei sisteme de acţionare independente, câte unul pentru fiecare pală. Majoritatea acestor acţionări se bazează pe transmisii mecanice cu roţi dinţate, dar pot exista şi varainte mai originale (precum cea cu curea dinţată, de la Vensys).
Decizia de modificare a unghiului de atac se ia atât pe baza datelor de la anemometru (privind viteza determinată a vântului), cât şi monitorizând turaţia rotorului (sau puterea electrică generată). Când viteza mişcării de rotaţie devine prea mare, se emite automat o comandă către acea acţionare electrică spre a determina o uşoară rotire a palelor elicei, în sensul de a fi mai puţin sensibile la suflul vântului. Această funcţie de reglare automată nu doar că menţine procesul de conversie energetică într-un domeniu nominal, dar asigură şi o eficienţă aerodinamică şi respectiv o reducere a solicitărilor mecanice (în structura turnului, în structura elicei, în lagăre şi în transmisii), prelungind viaţa turbinei şi scăzând costurile de mentenanţă. În plus, recunoscând importanţa funcţiei de reglare a unghiului de atac al elicei, cele trei sisteme de acţionare nu doar că sunt independente, dar sunt şi prevăzute cu alimentare electrică redundantă (şi din surse alternative).
Componente cheie:
pale de elice; subsisteme de ajustare a înclinări elicelor; transmisii mecanice (cu roţi dinţate); generatoare electrice; rulmenţi/lagăre; convertoare de electricitate (invertoare/redresoare); transformatoare electrice; turnuri; sisteme de echilibrare (offshore); subsisteme de monitorizare.
Producători majori de turbine eoliene: Alstom, Enercon, Gamesa, General Electric, Goldwind, Hitachi, Mitsubishi, Siemens, Sinovel, Suzlon, Vensys, Vestas, WinWinD, etc.
Mircea Băduț este inginer, consultant CAD/IT
