Abordări inovatoare în domeniul turbinelor eoliene

Uneori ajung la noi informaţii despre soluţii inovative privind construcţia turbinelor eoliene, soluţii apărute fie din eforturile firmelor producătoare de echipamente energetice, fie din încercările unor echipe de cercetare academică. De exemplu, proiectul European WINDRIVE (referinţa 315485 / FP7-SME) aduce modificări benefice atât la concepţia generatorului electric al turbinei eoliene, cât şi la reductorul mecanic dintre elice şi generator.

Generatorul cu două circuite

Consorțiul proiectului WINDRIVE vizează implementarea industrială a unei soluții de turbină eoliană cu generator dublu-alimentat (doubly-fed induction generator – DFIG), soluție destinată aplicațiilor energetice multi-megawatt.

Generatorul electric dublu-alimentat este o mașină electrică rotativă în care înfășurarea electrică generatoare de câmp magnetic și înfășurarea electrică din armătura indusă sunt conectate separat, în afara mașinii, astfel încât – alimentând inductorul cu tensiune electrică alternativă de frecvență reglabilă – se poate obține un câmp magnetic capabil să se rotească, pentru a se adapta variației de rotație a arborelui generatorului.

Modificând parametrii tensiunii de la convertorul AC-DC-AC (vedeți schema) se poate controla răspunsul sistemului la modificarea vitezei vântului și/ sau se obține o acomodare la eventualele modificări parametrice impuse de rețeaua electrică în care generatorul injectează energie.

FIGURA 1. Schema de principiu DFIG

Generatorul cu dublă-alimentare (numit cam impropriu astfel) este derivat din generatorul electric de curent alternativ, însă concepția lui specială îi permite să funcționeze la viteze ceva mai mici sau mai mari decât turația de sincronism, ceea ce \ngăduie turbinelor eoliene să se adapteze mai bine la schimbările bruște ale vitezei vântului (și care schimbări nu pot fi compensate suficient de rapid prin ajustarea automată a unghiurilor palelor elicei). În abordarea clasică, generatorul este nevoit să se rotească la viteza de sincronism (care corespunde la rândul ei, prin concepție, parametrilor energiei de furnizat în rețeaua electrică), astfel că eventuala întețire a vântului determină apariția de forțe suplimentare în pale, în butucul elicii, în reductor și în generator. Acest fapt determină o uzură substanțială și crește riscul defecțiunilor mecanice. Generatorului dublu-alimentat îi este permisă o creștere a turației la intensificarea bruscă a vântului, astfel că solicitările mecanice sunt mai reduse iar energia este convertită mai eficient.

Transmisie mecanică reformată

Se știe că, dintr-o serie de perspective (eficiență, densitate, viabilitate), soluțiile de energii ,,verzi" încă sunt inferioare energiilor convenționale. Acel obiectiv ambițios al Europei, de a acoperi un procent de 20% din energie din surse regenerabile până în anul 2020 (obiectiv asumat de UE în 2009), motivează eforturile de cercetare și de adoptare a tehnologiilor performante, iar generatorul electric fără perii și cu dublu circuit constituie un pas înainte în domeniul energiei eoliene. O altă soluție inginerească interesantă vizează transmisia mecanică (subansamblul butuc-elice–reductor– abore-generator), și propune înlocuirea reductorului cu trei stagii cu unul cu două stagii, mai ales pentru aplicațiile eoline de viteză medie. Cele mai multe defecțiuni ale turbinelor eoliene apar în transmisia mecanică, iar repunerea în funcțiune presupune cheltuieli substanțiale și durate semnificative. Întrucât stagiul al treilea al amplificatorului de turație (numit impropriu ,,reductor" în condițiile în care turația generatorului este mai mare decât cea a elicei) este și cel mai vulnerabil, soluția cu două stagii promite să reducă eforturile de mentenanță a turbinelor, aspect de importanță extremă în cazul fermelor eoliene off-shore.

Un alt proiect comercial

O colaborare între companiile NREL și Romax Technology a produs un amplificator de turație cu un singur stagiu, pe care îl testează într-un ansamblu de turbină eoliană de 1,5 MW (ansamblu ce mai cuprinde un generator de viteză medie cu magnet permanent și un convertor electric DC-AC cu eficiență ridicată). Acest reductor cu o singură treaptă folosește  angrenaje cu roți planetare, iar roțile respective sunt susținute de rulmenți radiali (CRB/TRB) și de pivoți flexibili. Conceptul duce și mai departe ideea de rezistență la solicitările mecanice provocate de turbulențe ale vântului ori de situațiile de frânare bruscă a rotoru­lui. Reductorul din acest exemplu este foarte compact, are raportul de 1 la 5,8, și este optimizat pentru aplicări de viteză moderată și de medie tensiune.

Cum lucrează planetarele pe pivoți flexibili: când una dintre cele patru roți planetare ale angrenajului suferă o solicitare prea mare, axul acesteia se îndoaie un pic înspre exterior, ceea ce determină ca sarcina să se repartizeze pe celelalte roți planetare, conducând imediat la o uniformizare a solicitării.

 FIGURA 3. Transmisie mecanică cu roți planetare

Fiabilitatea amplificatorului de turație crește sub­stanțial prin astfel de soluții conceptuale, mai ales când roțile sunt montate pe rulmenți speciali (precum cei cu role tronconice simetrice), care fac o bună izolare a solicitărilor în cadrul transmisiei mecanice.

Despre convertorul din acest proiect comercial aflăm că folosește dispozitive semiconductoare de putere (diode) pe bază de carbură de siliciu, capabile să realizeaze comutații cu pierderi foarte mici. În plus, circuitul de comandă al convertorului poate derula algoritmi de compensare a tensiunii de invertor și a nivelelor de curent pentru a reduce cuplurile tranzito­rii pe durata defecțiunilor/opririlor, ceea ce contribuie (încă o dată) la diminuarea solicitărilor mecanice.

Interesant, din perspectiva diversității soluțiilor tehnice din acest domeniu, este faptul că în revista T&T nr. 4/2013 scriam despre soluția turbinelor eoli­ene fără reductor și despre generatoarele cu magneți permanenți montați pe un rotor exterior. Diversitatea poate fi privită astfel ca o garanție, ca o mărturie a eforturilor omenirii de a căuta neobosit soluții.

MIRCEA BĂDUŢ este inginer, consultant CAD/IT