DEZVOLTAREA ȘI PRODUCEREA GENERATORULUI CU ROTOR EXTERIOR ȘI FLUX RADIAL ANTRENAT DE O TURBINĂ EOLIANĂ CU AX VERTICAL

Proiect finanțat prin:

Programul Operaţional Competitivitate 2014 – 2020,

Axa 1 – Cercetare, dezvoltare tehnologică și inovare (CDI) în sprijinul competitivităţii economice și dezvoltării afacerilor

Acțiunea: : 1.2.1 STIMULAREA CERERII INTREPRINDERILOR PENTRU INOVARE PRIN PROIECTE DE CDI DERULATE DE INTREPRINDERI INDIVIDUAL SAU IN PARTENERIAT CU INSTITUTELE DE CD SI UNIVERSITATI

Nr. contract de finanțare: 18/Axa1/1.2.1C/04.10.2017

Titlul proiectului: DEZVOLTAREA ȘI PRODUCEREA GENERATORULUI CU ROTOR EXTERIOR ȘI FLUX RADIAL ANTRENAT DE O TURBINĂ EOLIANĂ CU AX VERTICAL ID: 38_926
MySMIS: 113382

Obiectivul proiectului

Principalul obiectiv al proiectului este acela  de a scoate pe piață un produs nou, inovativ: un generator electric cu rotor exterior și flux radial antrenat  turbină verticală, pe baza rezultatelor obținute de directorul de proiect în timpul stagiului doctoral finalizat.

Acest produs, prin construcția lui, poate fi utilizat atât în zonele unde rețeaua de electricitate este deja existentă și beneficiari doresc să adopte o sursă de energie regenerabilă cu costuri reduse,  dar și în zonele izolate, neracordate la un sistem centralizat sau cu slabe perspective de racordare.

Obiectivele specifice ale proiectului sunt:

– Construcția unui generator eolian  cu aproximativ 20 % mai ieftin, în comparație cu cele existente în piață, prin abordarea rotorului exterior în construcție. Astfel se elimina reductorul de turație, iar prin adoptarea înfășurării toroidale, care nu pune probleme în realizare din punct de vedere tehnic, se reduc costurile de execuție;

– Reducerea costului de încălzirea apă caldă, la eventuali beneficiari, cu pana la 80 % prin posibilitatea descărcării energiei produse de generator direct pe rezistența electrică de la un boiler electric.  În condițiile unei viteze a vântului de 8 – 10 m/s, la un boiler cu volumul de 200 litri, un generatorul de putere 2kW  va ridica temperatura apei de la  10 0C  la 50 0C   în aproximativ 4 ore. În acest caz nu este necesară instalarea unui sistem redresor-invertor și sistem de stocare energie (baterii). Astfel costul generatorului ar putea fi amortizat în aproximativ 2  ani. De asemenea, generatorul își poate descărca energia și în sistemul de încălzire cu  agent termic, pe timp de iarnă, montând o rezistență electrică în cazanul unei centrale termice cu combustibil solid.

– Utilizarea în tandem, generatorul eolian și sistemele de alimentare cu energie fotovoltaice, ar putea fi aplicate cu succes în realizarea caselor independente din punct de vedere energetic, cele două surse de energie completându-se reciproc.

– Scăderea costurilor de montaj și întreținere prin crearea unei structuri realizate modular, din generator și sistemul de antrenare eoliană, ușor de instalat.  Acest generator poate fi montat pe un suport metalic cu fundație sau pe structuri deja existente, acoperișuri de case, hale, etc.

Dezvoltarea modelului experimental

Generatorul este realizat fizic

În baza proiectului mecanic al generatorului s-a recurs la realizarea fizică a acestuia.

Datele nominale ale generatorului proiectat sunt următoarele:

  • Puterea nominală a generatorului: 2 kW;
  • Tensiunea nominală, de fază, a generatorului: 48 V;
  • Turația nominală a generatorului: 130 rot/min;
  • Numărul de faze: 3 cu eventuala posibilitate de adaptare la 5 faze;
  • Factorul de putere: 0,95 – deoarece tensiunea produsă poate fi redresată și eventual descărcată pe o rezistență;
  • Gradul de protecție – IP 64;

Având în vedere statisticile de mediu din zona Moldovei, puterea nominală de 2 kW ar putea fi obținută la o viteză a vântului de 6-8 m/s, adică o viteză de rotație la ax de 130 rot/min, pentru o turbină de tip Darrieus de diametru  4m  și înălțime 6m.

Generatorul a fost proiectat astfel încât să beneficieze de rezervă de putere în condițiile creșterii vitezei vântului în funcționare. Această rezervă de putere va fi suportată prin creșterea artificială a secțiunii conductoarelor din crestăturile generatorului. Astfel, densitatea de curent adoptată pe înfășurări în faza inițială de proiectare a fost de 1,5 A/mm2 în condițiile în care la nominal se pot adopta densități de curent de până la 7,5 A/mm2.  Chiar dacă densitatea de curent adoptată este prea mică și acest lucru conduce la o slabă utilizare a mașinii,  în funcționare nominală, acest aspect aduce avantajul că pentru anumite perioade de lucru cu viteze mari ale vântului, generatorul este capabil să suporte încărcări suplimentare fără a mai fi necesară frânare a acestuia.

În urma calcului de proiectare și analiza a 5 propuneri de structuri electromagnetice ale generatorului,  a rezultat, pentru obținerea unei structuri electromagnetice cât mai ieftine din punct de vedere tehnologic și cu performanțe energetice superioare, următoarea variantă:

structura-circuit-magnetic
Structura circuitului magnetic al generatorului sincron cu magneți permanenți pe rotorul exterior și înfășurare în inel pe dinții statorici

Tabelul. 1

Viteza nominală 130 rot/min
Număr de poli 20
Diametrul interior al statorului 180 mm
Diametrul statorului la întrefier 350 mm
Diametrul exterior al rotorului 400 mm
Diametrul minim la întrefier al rotorului 352 mm
Lungimea pachetului de tole 100 mm
Număr magneți 300 (15 pentru fiecare pol)
Dimensiuni magneți Lxlxh 20x15x5 mm
Secțiune conductor 8 mm2
Număr de conductoare/dinte 19
Factorul de umplere al crestăturii 0,25
Factorul de acoperire polară 0,81

Realizarea miezului statoric

          Dimensiunile circuitului magnetic al generatorului sunt date in imaginea de mai jos, după cum urmează:

dimensiuni-circuit-magnetic
Dimensiunile circuitului magnetic al generatorului

Circuitul magnetic s-a realizat din segmente de tolă deoarece masa de tăiere poate debita în diametre maxime de 320 mm . Astfel s-a procedat la debitarea tolelor rotorice în segmente din ¼ din diametrul iar în cazul tolelor statorice în lățimi de ½ din diametru, conform structurilor de mai jos.

segment-tola-rotorica

segment-tola-rotorica

Segment de tolă rotoică

segment-tola-statorica
segment-tola-statorica

Segment tolă statorică

În urma debitării și întrețeserii tolelor rotorice, respectiv statorice, structura circuitului magnetic arată conform imaginilor de mai jos.

În ceea ce privește consolidarea pachetului de tole, în cazul rotorului acest lucru s-a realizat prin sudare, iar în cazul statorului consolidarea s-a realizat prin utilizarea unor buloane de prindere.

După ce rotorul a fost consolidat acesta s-a introdus prin presare în carcasa rotorică care s-a află în funcționare în mișcare de rotație, și care va susține turbina eoliană.

rotor-generator
stator-generator
stator-generator-asamblat

Mai jos sunt prezentate datele nominale de lucru ale tablei silicioase utilizată pentru realizare miezului magnetic rotoric și respectiv statoric.

După ce structura a fost consolidată s-a procedat la rectificare exterioară a statorului pentru a beneficia de un întrefier uniform al structurii.

tole-stator-generator
rectificare-tole-stator-generator
caracteristici-masina-electrica

Bobinajul statoric

Bobinajul statoric a fost realizat prin utilizarea a două conductoare în paralel de secțiune 4,9 mm2. Spre deosebire de conductoarele utilizate în simulare de 8 mm2, acum s-a mărit secțiunea cu 20 %, la 10 mm2. Acest lucru s-a realizat astfel deoarece conductor de 2 mm2 nu am găsit la furnizor.

stator-generator-asamblat

Creșterea la 10 mm2 a conductorului a condus la creșterea dificultății în realizare a bobinajului pentru cele 19 conductoare (câte 2 în paralel) pentru fiecare dinte. Procedura de realizare a înfășurării  a fost una manual, realizându-se câte 3 bobine consecutive, pe 3 dinți consecutivi, realizând astfel jumătate dintr-o fază.

Capetele de bobină se vor conecta la un tablou electric de pe structura de eoliană, urmând ca în acel tablou să se realizeze conexiunile pentru a obține cele trei faze.

Bobinajul statoric s-a realizat după ce în prealabil s-a izolat miezul statoric cu bandă de contracție și s-au izolat crestăturile cu folie DMD.

infasurari-generator-bobinate
infasurari-generator-bobinate

Realizarea bobinelor statorice

Pentru conductorul din cupru sunt descrise astfel parametrii tehnici după cum urmează:

Informații tehnice:

caracteristici-fir-bobinaj-cupru

După realizarea înfășurării,structura este încălzită până la aproximativ 50 grade Celsius, apoi este imersată în lac electroizolant și uscată ulterior pentru 2 ore la temperatura de 80 grade Celsius.

Caracteristicile lacului electroizolant sunt:

          Lacul seria EZ528 este un lac electroizolant de impregnare alchido-epoxi-melaminic, de clasă de izolatie F (155 °C), cu uscare la temperatura de 150 °C.

uscare-email-infasurari
Proprietati:

– Produs cu bune proprietati electrice si mecanice;

– Rezistenta buna la medii chimice (acizi, baze);

– Are aderenta buna pe suprafete din cupru, aluminiu, pertinax, etc.

-Asigura o buna rigidizare a bobinajelor, o buna disipare a caldurii, evita descarcarile interne intre spirele bobinajelor, evita patrunderea umezelii.

-Anduranta termica (clasa de izolatie): F (155 °C).

Utilizare:

Impregnarea bobinajelor masinilor si aparatelor electrice, transformatoarelor in scopul rigidizarii si a protectiei contra umiditatii. Poate fi aplicat prin imersie, vid – presiune, pensulare.

Lipirea magneților permanenți

Pe circuitul magnetic rotoric s-au lipit magneții permanenți. Polii rotorici s-au realizat segmentați din câte 6 magneți pe fiecare pol. Astfel au fost lipiți 120 de magneți pe întreg rotorul.

Această operație s-a realizat manual din pricina forței de atracție și respingere dintre magneți. Lipirea magneților s-a realizat prin utilizare  de adeziv special de magneți.

Dimensiunile magneților utilizați și proprietățile acestora sunt prezentate mai jos:

proprietati-magneti-generator
fante-rotor-generator
lipire-magneti-rotor-generator
lipire-magneti-rotor-generator

Structura mecanică

Urmând proiectul mecanic al generatorului, în urma achiziției de materiale s-a procedat la realizarea structurii mecanice a generatorului. Astfel s-au realizat reperele mecanice ale generatorului după cum urmează:

1. Capacul superior

Acesta capac s-a realizat din două subansamble și anume: structura interioară care însemnă suportul pentru rulmenți ce asigură mascarea de rotație și structura interioară ce are rol de susținere a miezului rotoric.

Structura interioară s-a realizat prin strunjire din țeavă de diametru mare 150 mm și groasă 10 mm.

Carcasa exterioară s-a realizat prin roluirea de tabla debitată la dimensiuni și sudată la capete. Grosimea tablei este de 8 mm.

roluire-caracasa-generator
roluire-caracasa-generator

Realizarea fundului de capac s-a realizat prin strunjire din tabla groasă de 40 mm. Carcasa exterioară a fost sudată de capac iar apoi întregul ansamblu a fost rectificat pe strung.

sudare-presare-carcasa-generator
strunjire-carcasa-generator

2. Realizarea axului statoric și a plăcii de susținere

Placa de susținere s-a realizat prin strunjire din material, tablă de grosime 40 mm, la toate cotele conform proiectului mecanic al generatorului. Prin frezare s-au realizat fantele de răcire și de asemenea,  canalul de pană.

Axul, s-a realizat de asemenea prin strunjire din material plin de grosime 170 mm, supus de asemenea, operației de filetare exterioară.

La final ansamblul este constituit prin sudarea plăcii de susținere de placa de axul rotoric, sudura fiind întărită  prin sudarea unor aripioare de susținere. Structura s-a finalizat prin găurirea umărului de susținere stator, și prin strunjire s-a finalizat centrarea structurii.

strunjire-suport generator
suport-generator

3. Asamblarea finală a generatorului sincron cu magneți permanenți

După realizarea tuturor  reperelor mecanice ale generatorului s-a asamblat structura generatorului.

asamblare-generator

Concluzii finale

  1. Se propune ca în cele ce urmează să se adopte o turnare în prealabil a unor repere mecanice pentru diminuarea operațiilor de lucru. Astfel strungarul va fi nevoit să prelucreze doar suprafețele de final.
  2. Se recomandă realizarea unui suport pe masa de lucru a mașinii de eroziune pentru a evita prezența continuă a unui operator având în vedere faptul că această operație este de durată.
  3. Se recomandă utilizarea unui magnet pe toată dimensiunea polului magnetic în scopul optimizării procesului de lipire a magneților.
  4. Se recomandă utilizarea de mai multe conductoare în paralel pentru o mai bună așezare în crestătură a acestora, adică realizarea cu ușurință a acestora și limitarea problemelor din punct de vedere al izolației.
  5. Urmează să se elaboreze în urma operațiilor efectuate să se realizeze un manual tehnic de realizare a generatorului prin care vor fi descriși toți pașii de lucru, și evidențierea problemelor ce pot fi întâmpinate în realizate.