Conversia Energiei - Proiect de an - Proiectarea unei ferme eoliene

UNIVERSITATEA TEHNICA CLUJ –NAPOCA

FACULTATEA DE INGINERIE ELECTRICA

SECTIA ENERGETICA INDUSTRIALA

Conversia Energiei

Proiect de an

Proiectarea unei ferme eoliene

Proiect Instalatie Eoliana

Cuprins

Cap.1. Memoriu de prezentare (MP)

1.1.  Surse de energie regenrabila

1.2.  Conversia energiei eoliene

1.3.  Obiecul proiectului

1.4.  Solutia adoptata

Cap.2. Breviar de calcul (BC)

2.1. Date de proiectare

2.2. Alegere turbina

2.3. Alegere regulator de incarcare

2.4 Alegere acumulatori

2.5. Alegere invertor

2.6. Schema de conexiuni

2.7. Alegere echipament de protectie si comanda

2.8. Alegere cabluri

Cap.3. Caiet de sarcini (CS)

3.1. Descriere si functionare

3.2. Caracteristici tehnice

3.3. Instructiuni de instalare

3.4. Norme de protectia muncii la executie

Cap.4. Notita tehnica

4.1. Descriere si principiu de functionare

4.2. Caracteristici tehnice

4.3. Instructiuni de exploatare

4.4. Defecte probabile si modul lor de inlaturare

4.5. Protectia muncii la utilizarea turbinelor eoliene

Cap.5. Documentatia economica (DEc)

5.1. Extras de materiale

5.2. Fisa de manopera

5.3. Deviz estimativ

5.4. Costul estimativ al energiei electrice livrate timp de 10 ani ( durata de viata

5.5. Studiul comparativ cu o linie aeriana.

6. Bibliografie

Anexe

Jurnal de cabluri si conducte

Schema de conexiuni

Cap. 1. MEMORIU DE PREZENTARE (MP)

1.1. Surse de energie regenerabila

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

energia eoliana;

energia solara;

energia apei:

o      energia hidraulica;

o      energia mareelor;

energia geotermica;

energie derivata din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz.

Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, apei calde, etc.

Investitiile globale anuale in energia regenerabila au crescut in ultimii ani de la 39 de miliarde de dolari in 2005 la 55 de miliarde de dolari in 2006. Pentru anul 2007 investitiile vor atinge un nivel de 100 miliarde dolari.

Conform unei directive a Uniunii Europene, statele membre trebuie sa amestece treptat combustibilul traditional utilizat in transport cu biocombustibil, astfel incat, pana in 2010, biodieselul sa reprezinte 5,75% din motorina de pe piata, urmand ca, in 2020, ponderea sa creasca la 20%.

In trei ani, Romania trebuie sa creasca utilizarea de energie regenerabila cu patru procente, de la 29% din consumul total, la 33%. Ministerul Mediului a aratat, in 3 august 2007, harta potentialului de energie din Romania si a anuntat facilitatile pentru viitorii investitori ai acestui sector.

Potrivit ministrului Mediului, Attila Korodi, harta este un instrument util atat autoritatilor care vor trebui sa respecte tratatul european in privinta utilizarii surselor alternative de obtinere a energiei, cat si investitorilor care doresc sa dezvolte o afacere in domeniu.

Attila Korodi a amintit estimarile Agentiei Internationale pentru Energie, potrivit carora resursele de petrol se vor epuiza in 40 de ani, cele de gaze naturale in 60 de ani, iar cele de carbune in 200 de ani.

„Asta inseamna ca in jurul anului 2030 Europa va fi nevoita sa importe 70% din necesarul de energie. Este si normal, cata vreme combustibilii fosili reprezinta la ora actuala 80% din energia utilizata in intreaga lume.

Un exemplu concret a ceea ce se intampla astazi: in Uniunea Europeana, aproximativ 40% din consumul energiei unei gospodarii este risipit, din cauza functionarii in gol a aparaturii electrocasnice si a sistemelor de iluminat” a spus ministrul.

Potentialul Romaniei in domeniul energiei verzi

• 65% biomasa ;

• 17% energie eoliana;

• 12% energie solara

• 4% microhidrocentrale ;

• 1% + 1% voltaic +geotermal .

Recent, Comisia Europeana a stabilit noi standarde de eficienta energetica, pentru a reduce consumul de energie cu 20% si, pentru un viitor mai bun, se mizeaza pe sursele de energie alternative (energia eoliana, energia solara, hidroenergia, biomasa si energia geotermala).

Tara noastra, in trei ani, trebuie sa ajunga sa ridice consumul de energie regenerabila la o treime din total. In prezent procentul de folosire a energiei verzi ajunge la 29%.

1.2. Conversia energiei eoliene

Energia eoliana este o sursa de energie regenerabila generata din puterea vantului.

Pe plan mondial, capacitatea totala a instalatiilor care folosesc energia eoliana este de 94.000 MW putere instalata in 2007, in crestere cu 31% intr-un an, in special datorita eforturilor depuse de SUA, Spania si China.

Din punctul de vedere al capacitatii instalate, Germania se situeaza pe primul loc, cu 22,3 GW, urmata de SUA (16,8 GW), Spania (15,1 GW), India (8 GW) si China (6,1 GW).

Energia cinetica din vant poate fi folosita pentru a roti niste turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, desi aceasta necesita o viteza a vantului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe ora. Putine zone de pe pamant au aceste viteze ale vantului, dar vanturi mai puternice se pot gasi la altitudini mai mari si in zonele oceanice.

Se crede ca potentialul tehnic mondial al energiei eoliene poate sa asigure de cinci ori mai multa energie decat este consumata acum. Acest nivel de exploatare ar necesita ca 12,7% din suprafata Pamantului (excluzand oceanele) sa fie acoperite de parcuri de turbine, presupunand ca terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vant pe kilometru patrat.

Pentru amplasarea agregatelor eoliene sunt interesante doar zonele in care viteza medie a vantului este cel putin egala cu 4m/s, la nivelul standard de 10 metri deasupra solului (la care, de altfel, se fac masuratorile in cadrul statiilor meteorologice).

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

Litoralul prezinta si el potential energetic intrucat, in aceasta zona, viteza medie anuala a vantului depaseste pragul de 4m/s. Pe baza evaluarii si interpretarii datelor inregistrate, in Romania se pot monta instalatii eoliene cu o capacitate de pana la 14000 MW, ceea ce inseamna un aport de energie electrica de aproape 23000 GWh/an.

In zona litoralului, pe termen scurt si mediu, potentialul energetic eolian amenajabil este de circa 2000 MW, cu o cantitate medie de energie electrica de 4500 GWh/an.

Principalele avantaje ale energiei eoliene sunt: emisia zero de substante poluante si gaze cu efect de sera, nu se produc deseuri, costuri reduse pe unitate de energie produsa, costuri reduse de scoatere din functiune.

De asemenea producerea energiei electrice eoliene prezinta si dezavantaje:  variatia in viteza a vantului, pretul destul de mare de producere a energiei si fiabilitatea relativ redusa a turbinelor; “poluarea vizuala' - adica, au o aparitie neplacuta; 'poluare sonora' (sunt prea galagioase), afecteaza mediul si ecosistemele din imprejurimi, omorand pasari si necesitand terenuri mari virane pentru instalarea lor.

Energia solara: se refera la o sursa de energie reinnoibila care este direct produsa prin lumina si radiatia solara. Aceasta poate fi folosita sa genereze electricitate prin: celule solare (fotovoltaice), centrale electrice termale, turnuri solare, precum si sa incalzeasca blocuri direct, prin pompe de caldura, sau prin cuptoare solare.

„Energia solara este utilizata in special pentru producerea de apa calda menajera din locuintele individuale. Potentialul energetic solar este dat de cantitatea medie de energie provenita din radiatia solara incidenta in plan orizontal care, in Romania, este de circa 1100 kWh/metri cubi pe an”, a declarat Korodi.

„Daca am exploata la maximum intregul potential solar din tara noastra, am putea substitui in aceasta forma aproximativ 50% din volumul de apa calda menajera sau 15% din cota de energie termica pentru incalzirea curenta”, a mai spus el.

In conditiile meteo-solare din Romania, un captator solar-termic functioneaza, in conditii normale de siguranta, pe perioada martie - octombrie, cu un randament care variaza intre 40% si 90%.

Dezavantaje

Desi energia solara este reinnoibila si usor de produs, problema principala este ca Soarele nu ofera energie constanta in nici un loc de pe Pamant. Adica, deoarece soarele apune noaptea, lumina solara nu poate sa genereze electricitate decat pentru un timp limitat in fiecare zi. In plus, pe zile noroase, potentialul de energie este redus, limitand aplicatiile acestei forme de energie reinnoibila.

Schema de principiu a unei instalatii eoliene

Fig. 1.2 Schema de principiu a unei instalatii eoliene.

1.3. Obiectul proiectului

Proiectul are ca scop exploatarea potentialului eolian al unei regiuni date si utlizarea lui in vederea alimentarii cu energie electrica a unui numar dat de locuinte.

Se va dimensiona o ferma eoliana formata din mai multe turbine eoliene functionand interconectat.

Se va alege o energie medie consumata de o locuinta conventionala si prin multiplicareaacesteia cu numarul n de case date se estimeaza consumul total.

Se aleg echipamentele electrice necesare: convertorul/convertoarele eoliene, acumulatorii – in vederea stocarii energiei pentru N zile date consecutive fara vant – invertorul , regulatorulde incarcare si cablurile aferente pana la cel mai apropiat post de transformare.

Instalatia eoliana ce urmeaza a fi proiectata isi propune sa realizeze alimentarea cu energie electrica a unui grup de n=30 locuinte izolate, aflate la distanta de n km fata de cel mai apropiat post de transformare.

Viteza vantului se alege de pe harta din figura 1.3, cei cu numar n par vor alege culoarea mov si cei cu numar n impar vor alege culoarea albastru inchis, referitor la locul de amplasare. Se adopta solutia optima din punct de vedere tehnico-economic si se simuleaza in softul EDSA modificarea parametrilor retelei odata cu conectarea unei surse de generare distribuite.

Figura 1.3.  Harta potentialului eolian a Romaniei.

1.4. Solutia adoptata

Se va dimensiona o ferma eoliana formata din mai multe turbine eoliene functionand in paralel (ca in figura 1.4), in vederea alimentarii unui numar n=30 locuinte.Se alege un invertor conform consumului specific al fiecarei locuinte.

Se va evalua pretul si se va compara cu costul unei linii electrice aeriene ca varianta alternativa de alimentare cu energie electrica.

Cap. 2. BREVIAR DE CALCUL (BC)

2.1. Date de proiectare

Tabelul 2.1Date de proiectare.       

2.2 Evaluarea energiei electrice necesare.

Din Tabelul 2.1 se poate vedea

Fig. 2.1 structura consumatorilor de en. el.

2.2 Alegere turbina

Puterea consumata pe luna este de: Wluna=143.57kWh, de unde rezulta puterea consumata pe an:

Wan=Wluna*12; Wan=1722.84kWh

In functie de viteza vantului si tipul turbinei se afla puterea totala consumata, de unde vom afla si numarul de turbine de care avem nevoie pentru n=30 de locuinte.

Pentru Vm=6m/s →Wt=21900kWh

W=n*Wan/Wt W=30*1722.84∕21900W=2.36kWh

Vom alege 2 turbine.

Conform datelor de proiectare regasite in tabelul 2.1., s-a ales din catalogul Joliet o turbina tip Cyclone– 20kW

Aceasta turbina poate fi vazuta in figura 2.2. unde se pot vedea si principalele ei caracteristici tehnice.

Wind turbine Performance

The instantaneous power production of this wind turbine is the actual power it produces at any one time. The power produced increases as wind speed increases. This wind turbine has an automatic three stage shutdown procedure as wind speeds become too strong for power production. As the graph below shows, production drops off as maximum capacity is exceeded, slowing the wind turbine by turning away from the wind. This three stage braking function protects the wind turbine from over speed whilst continuing to produce power during strong wind conditions.

The average total annual output of a Joliet 20kW wind turbine is the power produced in kWh during 12 months at a fixed average wind speed. The example below shows the annual production for this turbine at a wind speed of six meters per second (around 21Kilometers per Hour).

Local average wind speed (m/s) Your average annual total production will be (kWh)     

Total wind turbine control

The wind turbine controller :

The wind turbine controller is the 'heart' of the wind turbine system. The controller monitors wind speed and direction allowing the turbine to automatically adjust its position to make best advantage of the wind. The controller also conditions the 'raw' electricity produced into stable DC current required to charge batteries or supply an inverter. An internet communication interface allows Joliet engineers to access your wind turbine anywhere in the world for regular maintenance, trouble shooting, performance enhancement and software updates.

A touch activated screen gives users access to a series of sub menus allowing you to view and modify parameters that affect the wind turbines attitude towards the wind and overall performance.

The opening screen displays the actual and optimum wind turbine position relative to the wind direction, rotation times in either direction.

Digital readuts display 'real time' wind speed and wind turbine production values.

The wind turbine status monitor indicates the current state .

A graphical display shows 'at a glance' voltage production values over the previous twelve hours.

Touch activated 'setup' and 'auto/manual' buttons allow the wind turbine to switch between manual and automatic control and the menu bar gives access to several configuration screens explained below.

ReDriven controller software parameters are factory installed for Joliet Wind Turbines.

Advanced parameters can be adjusted to provide 'fine tuning' for wind turbines in order to optimise power production.

Remote access to these parameters by Internet allows Joliet engineers to evaluate historical performance, view error codes and assist with trouble shooting issues should they occur, without visiting the installation

Once installed a wind turbine can be monitored from.

Manual control

The wind turbine controller is completely automatic. Once initial parameters have been set the wind turbine will automatically track the wind direction, monitor wind speed and voltage production, and react accordingly to offer the highest power production possible.

A manual over ride allows users to operate the wind turbine yaw motors in manual mode. The wind turbine can be rotated in either direction and stopped at any specific point.

This mode is intended for use during installation or maintenance operations.

The controller provides a remote communication interface by GSM or internet, allowing you to monitor wind turbine performance, modify parameters, adjust, stop or start the turbine from any location.

Off grid Controller:

Generator

The generator is a three phase permanent magnet alternator.

BLADES:

For free standing tower (refer to figure 2)

Fig.2.2.2

Concrete base

For guy cable tower (refer to figure 3)

Fig.2.2.3

2.1.3. Alegerea acumulatorilor.

Energia produsa intr-o zi de aceasta turbina eoliana este:

Vom alege energia anuala produsa de turbina eolina din figura 2.2. la o viteza a vantului de aproximativ 6 m/s.

Daca consideram ca bateriile de acumulatore trebuie sa acumuleze energia produsa de turbina intr-o zi (adica sa avem cel mult 1 zi fara vant) atunci:

→

(2.1.3)

Deci vom allege 32 de baterii.

Vom alege baterii oferite tot de firma Joliet de tip cyclone 20 kW cu caracteristicile prezentate in tabelul 2.4.

2.1.4 Alegere invertor

Invertoarele sunt dispozitive care fac conversia curentului continu DC in curent alternativ AC asigurand calitatea frecventei la 50Hz, deci ele fac conversia tensiunii de 12V, 24V sau 48 V, provenita de la baterii, in tensiune 360V/ 220Vca. In general exista  doua tipuri de invertoare:

cu unda perfect sinusoidala (perfomante mult superioare in comparatie cu reteaua conventionala de energie);

cu unda sinusoidala modificata (unda este alternativa dar nu este sinusoidala, sunt mai ieftine ).

INVERTORUL:

Model: ZK220-15

Rated input voltage: DC220V

Rated output power :15kW

Maximum output power: 20kW

Floating charge voltage :DC249V

Over voltage protection: DC264V

Ambient temperature :-10 ℃ ~+45 ℃

Ambient humidity :85%RH

Dimension （ L * W * H ,mm ） 600*400*800