Independenta Energetica Eolian Diesel

LUCRARE DE LICENȚĂ

INDEPENDENȚA ENERGETICĂ

EOLIAN – DIESEL

Cuprins:

Cap 1: Studiul literaturii de specialitateDefinirea Sistemelor hibride de energie (HPS) – terminologii

Avantajele și dezavantajele sistemelor energetice hibride

Tipuri de sisteme hibride de energie (HPS

Generatoare Eoliene

Dispozitive de monitorizare a vântului

Calculul puterii de ieșire a turbinei

Energia produsă de o turbină eoliană

Tipuri constructive de turbine

Componentele unei turbine eoliene obișnuite

Tipuri de turbine în funcție de direcția vântului

1.3.1.6.1 Turbine cu vânt ascendent

1.3.1.6.2 Turbine cu vânt descendent

1.3.1.7 Generatoarele

1.3.1.7.1 Generatoarele sincrone

1.3.1.7.2 Generatoare asincrone

1.3.2 Generatorul diesel

1.3.2.1 Generator mobil sau fix?

1.3.2.2 Generator monofazat/ trifazat

1.3.2.3 Dimensionarea puterii generatorului

1.3.2.4 Instalarea la exterior

1.3.2.5 Instalarea in interior

1.3.2.6 Nocivitatea emisiilor

1.4 Sisteme hibride cu energie regenerabilă pură

1.5 Sisteme energetice hibride legate la rețea

1.5.1 Sisteme utilitare legate la rețea

1.5.2 Sisteme legate la rețea cu sistem de înmagazinare de energie

1.6 Sisteme izolate de rețea sau mini sisteme hibride

1.6.1 Necesitatea pentru sisteme hibride nelegate la rețea

1.6.2 Electricitate de la sisteme hibride nelegare la rețea

1.6.2.1 Dispozitive de acumulare a energiei electrice

1.6.2.1.1 Acumulatori cu înmagazinare internă (bateriile chimice)

1.6.2.1.2 Baterii plumb-acid

1.6.2.1.3 Bateriile nichel-cadmiu

1.6.2.1.4 Baterii Nichel-metal-hibrid

1.6.2.1.5 Baterii Lithiu-ion și Lithiu-ion-polimer

Cap 2. Alegerea solutiei

2.1 Factorii care influenteaza alegerea solutiei

2.2 Elemente ce trebuiesc luate in considerare la alegerea soluției

2.3 Impactul amenajarii unei tubine eoliene asupra mediului inconjurator

Cap 3. Proiectarea instalației

3.1 Descrierea instalației

3.1.1 Consumatori

3.1.2 Listă componente

3.2 Schema electrică

3.3 Dimensionarea cablurilor

Cap 4. Programe de aplicație specifică

4.1 Dimensionarea sistemului folosind programul Homer

Cap 5. Evaluarea cost-investiție

Cap 6. Bibliografie

Cap 1: Studiul literaturii de specialitate

1.1 Definirea Sistemelor hibride de energie (HPS) – terminologii

Sistemele hibride de energie (HPS) reprezintă un sistem autonom de generare a energiei electrice, care conține cel puțin o sursă de energie regenerabilă, operând împreună cu echipamentul asociat (inclusiv de acumulare a energiei electrice) pentru a asigura energie spre rețea sau la locul dorit. Legarea mai multor surse de energie într-un singur sistem energetic este cea mai bună alegere pentru utilizarea surselor de energie regenerabile disponibile local.

Natura hibridizării este bazată în principal pe caracteristicile speciale și potențialul economic al diverselor procese de conversie a energiei ca și a caracteristicii de putere (figura 1).Această figură ne arată spectrul de aplicație al diverselor resurse energice în domeniul electrificării pe cuprinsul zonelor de energie.

Fig. 1: Clasificarea tehnologiilor de alimentare de la rețea pentru electrificare cu sisteme de energie regenerabile – surse primare de energie, domeniul de putere, starea și tendințe.

Tehnologiile sistemelor hibride acoperă în special sistemele izolate precum și sistemele conectate la rețelele de joasă sau medie tensiune. Mai mult, hibridizarea poate fi extinsă spre a acoperii rețelele regionale sau inter-regionale.

Sistemele hibride de putere (HPS) care pot genera curent alternativ de frecvență constantă sunt bune pentru a aproviziona cu energie electrică zonele izolate. Sistemele de curent alternativ conțin cel puțin următoarele elemente: un generator diesel obișnuit, un sistem de distribuție energetic și sarcini alternative distribuite. Un sistem hibrid ar putea include de asemenea și alte surse de putere cum ar fi cele regenerabile (turbine eoliene, panouri fotovoltaice, biomasă, SHP) și dispozitive de înmagazinare a energiei electrice.

Sistemele mai mari, cu puteri nominale ce depășesc 100 kW, conțin de obicei generatoare diesel, surse regenerabile, sarcini și, ocazional, subsisteme de înmagazinare a energiei. Pentru sisteme sub 100 kW, se folosesc uzual atât componente de curent continuu cât și de curent alternativ precum și dispozitive de înmagazinare a energiei.

Componentele de curent continuu pot fi: generatoare diesel, surse regenerabile și dispozitive de înmagazinare. Sursele mici hibride care generează doar sarcină continuă, în general fiind mai mici de 5 kW, au fost folosite comercial mulți ani în zonele izolate în cazul stațiilor de amplificare pentru telecomunicații și pentru alte aplicații de mică putere.

În general un sistem hibrid poate conține generatoare diesel de curent alternativ, generatoare diesel de curent continuu, un sistem de distribuție de curent alternativ, un sistem de distribuție de curent continuu, surse de energie regenerabile, dispozitive de înmagazinare, convertoare de putere, comutatoare, grupuri electrogene, dispozitive de control al încărcării, sau un sistem de control radio.

1.2 Avantajele și dezavantajele sistemelor energetice hibride

Principalele avantaje ale sistemelor hibride sunt:

Apără consumatorii de variații bruște ale prețurilor energiei electrice ca urmare a dezechilibrelor create de cerere și ofertă.

Crește siguranța distribuției energiei electrice, astfel evitând costuri semnificative asociate perioadelor de inactivitate a distribuției energiei electrice de la rețea .

Asigură o reducere a consumului carburanților clasici.

Realizează o scăderea a impactului surselor energetice asupra mediului.

Posibilele dezavantaje includ:

Proiectări mult mai laborioase prin creșterea efortului proiectării și complexitate mai mare in operații.

Necesitatea sistemelor de control mai complexe pentru a comanda diversele generatoare, dispozitive de înmagazinare, de transmisie și de utilare care pot fi integrate în aceste sisteme.

1.3 Tipuri de sisteme hibride de energie (HPS)

Generatoarele diesel, turbinele eoliene de mici dimensiuni și sistemele fotovoltaice sunt cele trei tehnologii de bază ale sistemelor hibride și pot fi folosite în combinații de două câte două sau chiar toate trei în același sistem. Un HPS cu două surse de energie se numește sistem bivalent, iar un sistem cu mai multe surse se numește multivalent . În general centralele energetice de mici dimensiuni alimentate cu biomasă (până la 5MW), centralele mici hidroenergetice și celulele de combustie au fost utilizate, sau se așteaptă să fie utilizate în viitor împreună cu celule fotovoltaice sau/și cu turbine eoliene, pentru a produce un sistem hibrid.

1.3.1 Generatoare Eoliene

Energia vântului este o formă de energie solară care se produce prin încălzirea neuniformă a suprafeței terestre. Resursele eoliene sunt bune de-a lungul coastei și pe dealuri, dar energie eoliană utilizabilă poate fi găsită peste tot. Ca sursă de energie, cea eoliană este mai puțin productivă decât cea solară, dar se găsește mai mult tip de-a lungul zilei. Turbinele eoliene pornesc în general de la viteze de 3-4 m/s, deși anumite turbine pot genera electricitate și la viteze mai mici ale vântului.

Determinarea resurselor eoliene ale unei anumite locații este o operațiune vitală în determinarea energiei electrice capabile de a fi generată de o turbină. Cunoscând cantitatea de energie pe care o poate produce o turbină se pot determina aprecieri economice inițiale. Resursele eoliene sunt determinate de topografia regiunii și de distanța de la cantitățile mari de ape. În zonele deluroase, resursele eoliene sunt mai mari pe vârfuri sau în văi de trecere prin care se creează circulație de vânt. Partea de jos a dealurilor va avea vânturi mult mai reduse.

Existența copacilor și a clădirilor trebuie luate în considerare deoarece creează turbulență și estomparea vântului. O turbină eoliană poate funcționa în bune condiții timp de 20 de ani, chiar și mai mult, așa că plantațiile de copaci și construcțiile ulterioare pot influența forma vântul.

Atlasul european al vânturilor prezintă o imagine de bază asupra resurselor accesibile. Multe țării au harți ale resurselor eoliene, care reprezintă o bază reală a resurselor. Aceste hărți naționale se obțin prin extrapolarea matematică a informațiilor meteorologice existente, colectate în general de la senzori aflați la câțiva metrii înălțime și sunt influențate de construcțiile din împrejurimi. Aceste hărți naționale nu iau în considerare copacii, clădirile și terenul mai complex, sau briza marină. De acea aceste date trebuie considerate doar ca informație în determinarea utilității zonei de amplasare.

Altă sursă de informare asupra potențialului eolian al unei zone este aceea a datelor oferite de către senzorii centrelor meteorologice locale.

Cea mai sigură metodă de a determina potențialul eolian al zonei este aceea de a monitoriza viteza și direcția vântului. Acest lucru poate consuma timp și bani astfel devenind impracticabil pentru generatoarele de dimensiuni mici. Adesea sunt suficiente datele aflate din hărțile locale sau oferite de către centrele meteorologice zonale.

Altă metodă de apreciere este numită Griggs-Putnam și se referă la determinarea unghiului de creștere al vegetației din zonă. Acest lucru este util în cazul în care vântul bate in principal dintr-o singură direcție.

1.3.1.1 Dispozitive de monitorizare a vântului

Pentru a determina resursele eoliene exacte ale unei zone trebuie monitorizată viteza și direcția vântului. Monitorizarea resurselor eoliene implică instalarea unor dispozitive meteorologice.

Cele mai corecte măsurători se iau la înălțimea instalației eoliene. Acest lucru înseamnă că anemometrul trebuie să fie situat la o înălțime suficient de mare pentru a nu fi influențat de turbulențele create de copaci sau de către clădiri. Instalarea dispozitivului de monitorizare poate fi la fel de greu, sau chiar mai greu, decât instalarea turbinei propriu zise.

Adesea costurile sunt extreme și folosirea pilonilor din beton nu reprezintă fiabilitate. Turnul trebuie să fie înalt (până la 60 de metrii) și trebuie să reziste la influențele meteo ale zonei (care pot fi extreme).

Condițiile dintr-o zonă se modifică adese pe perioade mai lungi datorită creșterii copacilor sau apariției de construcții noi.

Anemometru Giruetă

Fig. 2: Dispozitive de monitorizare a vântului

Anemometrul determină viteza vântului iar girueta determină direcția lui. Datele privind viteza vântului sunt înregistrate drept grafice iar observatorul trebuie să estimeze media vitezei vântului din ora precedentă. Dacă apare o modificare semnificativă a vitezei vântului, numai informația de după schimbare va fi folosită. Informația privind direcția vântului este înregistrată de asemenea pe hârtie și este diferențiată orar. Direcția vântului se măsoară din 10 în 10 grade de la nord unde se consideră 00 până la 350 de grade.

Roza vânturilor ne arată grafic frecvența direcțională a vântului.

Fig. 3: Roza vânturilor

O medie anuală a vitezei vântului într-o zonă nu oferă informații exacte deoarece vântul nu bate constant cu aceeași viteză. Un generator eolian depinde de cubul vitezei vântului, acest lucru poate afecta estimarea puterii vântului accesibilă anual.

1.3.1.2 Calculul puterii de ieșire a turbinei

Cea mai simplă metodă de a calcula puterea de ieșire a unei turbine este de a folosii ecuația (1) de putere a vântului:

(1)

unde:

P – Puterea în witive de monitorizare a vântului

Pentru a determina resursele eoliene exacte ale unei zone trebuie monitorizată viteza și direcția vântului. Monitorizarea resurselor eoliene implică instalarea unor dispozitive meteorologice.

Cele mai corecte măsurători se iau la înălțimea instalației eoliene. Acest lucru înseamnă că anemometrul trebuie să fie situat la o înălțime suficient de mare pentru a nu fi influențat de turbulențele create de copaci sau de către clădiri. Instalarea dispozitivului de monitorizare poate fi la fel de greu, sau chiar mai greu, decât instalarea turbinei propriu zise.

Adesea costurile sunt extreme și folosirea pilonilor din beton nu reprezintă fiabilitate. Turnul trebuie să fie înalt (până la 60 de metrii) și trebuie să reziste la influențele meteo ale zonei (care pot fi extreme).

Condițiile dintr-o zonă se modifică adese pe perioade mai lungi datorită creșterii copacilor sau apariției de construcții noi.

Anemometru Giruetă

Fig. 2: Dispozitive de monitorizare a vântului

Anemometrul determină viteza vântului iar girueta determină direcția lui. Datele privind viteza vântului sunt înregistrate drept grafice iar observatorul trebuie să estimeze media vitezei vântului din ora precedentă. Dacă apare o modificare semnificativă a vitezei vântului, numai informația de după schimbare va fi folosită. Informația privind direcția vântului este înregistrată de asemenea pe hârtie și este diferențiată orar. Direcția vântului se măsoară din 10 în 10 grade de la nord unde se consideră 00 până la 350 de grade.

Roza vânturilor ne arată grafic frecvența direcțională a vântului.

Fig. 3: Roza vânturilor

O medie anuală a vitezei vântului într-o zonă nu oferă informații exacte deoarece vântul nu bate constant cu aceeași viteză. Un generator eolian depinde de cubul vitezei vântului, acest lucru poate afecta estimarea puterii vântului accesibilă anual.

1.3.1.2 Calculul puterii de ieșire a turbinei

Cea mai simplă metodă de a calcula puterea de ieșire a unei turbine este de a folosii ecuația (1) de putere a vântului:

(1)

unde:

P – Puterea în wați

– densitatea aerului (aproximativ 1,225 kg/m3 la nivelul mării și scade cu înălțimea)

A – aria rotorului care se află în calea vântului (m2)

V – viteza vântului în m/s

Această formulă ne arată că puterea vântului este proporțională la cubul vitezei vântului. Acest lucru definește faptul că cantitatea de putere accesibilă generatorului crește exponențial cu creșterea vitezei vântului. Ca exemplu o zonă cu media vitezei vântului de 5,6 m/s oferă de două ori mai multă energie decât o zonă în care viteza vântului este de 4,5 m/s.

Problema ecuației puterii vântului este că estimează folosirea întregii puteri a vântului. Totuși deoarece o circulație de vânt trebuie menținută prin rotor este imposibil să fie extrasă toată energia din vânt. În final există o limită a energiei care poate fi extrasă din vânt. Conform legii lui Betz numai 59% din energia cinetică a vântului poate fi convertită în energie mecanică folosind o turbină eoliană.

În realitate o turbină eoliană bine proiectată poate convertii doar 35% din energia cinetică a vântului. Astfel este necesar să fie introduse acestea și alte ineficiențe în formula puterii vântului.

(2)

unde:

Cp – coeficientul de performanță (0,59 – limita Bentz – este maximul teoretic posibil, 0,35 este considerat corect pentru o proiectare bună) determinat de aerodinamica palelor.

Ng – eficiența generatorului (80% sau chiar mai mult pentru un generator cu magneți permanenți sau generator sincron conectat la rețea)

Nb – eficiența cutiei de viteze(poate ajunge până la 95% funcție de calitate)

Deoarece aria rotorului este proporțională cu pătratul razei, (sau de lungimea unei pale) creșteri mici ale lungimii palelor pot determina creșteri mari ale ariei portante. Dublarea diametrului rotorului mărește de patru ori aria portantă cu o creștere corespondentă in energia electrică debitată.

1.3.1.3 Energia produsă de o turbină eoliană

În vreme ce turbinele eoliene sunt clasificate în general după puterea nominală oferită la o anumită viteză a vântului, energia produsă anual este de fapt o măsură mai importantă pentru evaluarea valorii unei turbine într-o anumită zonă.

(3)

Asta înseamnă că durata timpului în care o turbină produce o anumită putere este la fel de important precum este nivelul de putere produsă.

Energia anuală care se poate aștepta de la o turbină eoliană poate fi calculată atunci când se cunoaște factorul de capacitate (fc) al turbinei dat pentru o viteză medie anuală.

(4)

Factorul de capacitate se determină ca raportul energiei produse de turbină într-un an funcție de energia produsă de către turbină dacă ar funcționa la putere nominală tot anul.

(5)

1.3.1.4 Tipuri constructive de turbine

Turbinele pot fi împărțite în turbine cu ax vertical sau cu ax orizontal.

Turbine cu ax orizontal Turbine cu ax vertical

Fig. 4: Tipuri constructive de turbin

Turbinele orizontale (HAWT) în general au două sau trei pale deși unele turbine mici pot avea mai multe. Turbina cu trei pale este cea mai eficientă din punct de vedere energetic, astfel majoritatea turbinelor comerciale tind să aibă trei pale.

Mult studiu s-a făcut pe baza turbinelor cu ax vertical la scară mare și mică. Totuși turbinele verticale de dimensiuni mari nu au fost dezvoltate suficient pentru a putea fi o soluție viabilă la turbinele cu ax orizontal dezvoltate de danezi la începutul anilor 80. Unii producători (de exemplu Ropatech și Oz Windside) încă produc turbine cu ax vertical de mici dimensiuni pentru aplicații izolate.

Cercetările recente au arătat că turbinele cu ax vertical se potrivesc mai bine montate pe clădiri pentru că sunt mai puțin influențate de turbulențe decât cele HAWT.

1.3.1.5 Componentele unei turbine eoliene obișnuite

O turbină eoliană lucrează invers unui ventilator. În loc de a utiliza electricitatea pentru a produce mișcarea palelor ventilatorului, turbina utilizează vântul pentru a produce electricitate. Vântul învârte palele turbinei, acestea rotesc axul, care e conectat cu un generator pentru a produce electricitate. Electricitatea este trimisă prin linii de transmisie și distribuție spre o substație și apoi spre locuințe, birouri și școli. Turnuri înalte, denumite și stâlpi, sunt utilizate pentru montarea turbinei la o înălțime suficientă pentru a avea acces direct la vânt (fără obstrucționări), astfel încât rotorul să primească vânturile cele mai puternice și liniștite. Deoarece direcția vântului se schimbă, turbina eoliană trebuie să se poată orienta în vânt. La turbinele de dimensiuni mari, acest fapt se poate realiza utilizând motoare electrice, în timp ce la turbine de dimensiuni mici, se realizează în mod pasiv utilizând o vană ca parte a cozii din spatele turbinei.

Turbinele cu ax orizontal au multe componente cum se poate vedea mai departe.

Fig. 5: Componentele tipice ale unei turbine eoliene de dimensiuni mari

1.Palele – majoritatea turbinelor au două sau trei pale. Vântul bate asupra palelor și le imprimă palelor un efect de portare și de rotire.

2.Rotorul – ansamblul format din pale și butuc.

3.Rotitorul – Palele sunt rotite din calea vântului pentru a nu permite rotorului sa meargă la vânturi cu viteze prea mari sau prea mici pentru a produce electricitate.

4.Frâna – O frână disc, care poate fi aplicată mecanic, electric sau hidraulic pentru a oprii rotorul în caz de urgență.

5.Axul de viteză mică – axul acționat de către turbină.

6.Cutia de viteze – ea conectează axul cu viteză mică la cel cu viteză mare prin mărirea vitezei de la 30, 60 de rotații pe minut până la aproximativ 1200 – 1500 rotați pe minut, viteza necesară majorității generatoarelor pentru a produce energie electrică. Cutia de viteze este o parte scumpă și voluminoasă a turbinei astfel inginerii cercetează generatoare cu conectare directă la turbină.

7.Generatorul – de obicei un generator asincron care produce curentul la frecvența rețelei.

8.Controlerul – Pornește mecanismul la viteze ale vântului de aproximativ 13 până la 26 km/h și-l oprește la aproximativ 104km/h. Turbinele nu pot funcționa la viteze ale vântului mai mari decât 104km/h deoarece generatorul s-ar supraîncălzi.

9.Anemometrul – măsoară viteza vântului și transmite datele despre vânt către controler.

10.Girueta – măsoară direcția vântului și comunică cu dispozitivul de deviere pentru a îndrepta turbina către vânt.

11.Nacela – rotorul este atașat nacelei, care se află în vârful turnului și care include în interior: cutia de viteze, ax-urile de viteză mare și mică, generatorul electric, controlerul și frâna. Un capac acoperă componentele din interiorul nacelei. Unele nacele sunt suficient de mari ca să permită tehnicianului să stea in ea cât timp lucrează.

12.Axul de viteză mare – acționează generatorul.

13.Dispozitivul de deviere – pentru turbinele pe curenți ascensionali sunt necesare aceste dispozitive care le îndreaptă înspre vânt, pentru cele care funcționează cu vântul venind din spate nu este necesar acest dispozitiv.

14.Motorul dispozitivului de deviere – acționează dispozitivul de deviere.

15.Pilonul – sunt construite din tuburi de oțel sau schelete de oțel. Deoarece viteza vântului crește cu înălțimea, turnuri mai înalte permit turbinei să capteze mai mult vânt astfel producând mai multă energie electrică.

Direcția vântului este de asemenea importantă deoarece aceasta este o turbină de curenți ascensionali deoarece funcționează cu fața spre vânt. Pot fi și turbine care funcționează cu spatele la vânt.

1.3.1.6 Tipuri de turbine în funcție de direcția vântului

Producătorii construiesc turbinele să funcționeze cu vânt ascendent (necesită coadă pentru orientarea turbinei spre vânt) sau cu vânt descendent (unde rotorul este acționat și orientat de propria formă).

1.3.1.6.1 Turbine cu vânt ascendent

Avantajul este că rotorul este direct în vânt și nu suferă de supracurent datorat pilonului. Totuși vântul tinde să se miște înaintea turnului și creează o scădere slabă.

Un dezavantaj major al acestui tip de turbină este acela că rotorul trebuie să fie la o distanță de restul pilonului deoarece la vânt puternic palele se pot flexa și se vor lovi de pilon. Acest lucru determină mărirea greutății componentelor, implicit a nacelei, care determină un pilon mai puternic. În plus, turbinele mai mari, necesită dispozitive de orientare a rotorului afară din vânt.

Chiar cu aceste dezavantaje turbinele eoliene de dimensiuni mari sunt majoritare cu vânt ascendent. Turbinele cu vânt ascendent de dimensiuni mici au o coadă pentru a fi orientate înspre vânt. Această coadă funcționează câteodată și ca dispozitiv de rotire a palelor în cazul vânturilor cu viteze prea ridicate.

Turbinele de dimensiuni mari se bazează pe controlerul pentru înclinarea a palelor în cazul vitezelor prea mari ale vântului.

1.3.1.6.2 Turbine cu vânt descendent

Avantajul acestor turbine este că permit o construcție mai flexibilă a rotorului. Acest lucru reduce greutatea palelor și a forțelor structurale asupra pilonului. El nu mai este așa de tensionat datorită reducerii greutății palelor dar mai ales faptului că în cazul vânturilor puternice palele se flexează reducând din sarcina aplicată pilonului.

Alt avantaj este acela că nu au nevoie de dispozitiv de deviere. Pentru turbine mari acest avantaj nu prea este util deoarece la vânturi puternice se poate roti nacela tensionând cablurile. Pentru turbinele mici se folosesc inele colectoare pentru a permite nacelei să se rotească în orice parte, dar pentru turbine mari este impracticabil procedeul deoarece sunt curenți electrici foarte intenși.

Un dezavantaj este acela că pilonul acționează ca un estompator de vânt astfel putând obosi palele cânt trec prin dreptul lui. Aceste tipuri de turbine nu se pot mișca din vânt pentru protecție, astfel necesită sistem de protecție al elicei folosind poziționarea elicei în drapel, plierea sau strângerea palelor.

1.3.1.7 Generatoarele

Generatoarele folosite la turbinele eoliene sunt fie generatoare sincrone fie asincrone. Turbinele de dimensiuni mici folosesc generatoare sincrone deoarece sunt acționate direct (nu necesită cutie de viteze astfel necesitând întreținere redusă și funcționare la zgomot redus) și au eficiență ridicată la transferul energiei mecanice în electrică la orice viteză de acționare.

Turbinele mari folosesc generatoare sincrone sau asincrone, necesită cutie de viteze și să aibă o viteză constantă a rotorului. Unele dintre turbinele mari au două viteze de funcționare pentru a produce energie maximă și la viteze mici și la viteze mari ale vântului.

1.3.1.7.1 Generatoarele sincrone

Generatoarele sincrone pot funcționa independent de rețeaua electrică astfel fiind potrivite pentru aplicații izolate. Ele au în construcție magneți permanenți care se rotesc între bobine; rotirea magneților determină o schimbare a câmpului din bobine creând astfel curent electric. Alte tipuri de generatoare sincrone funcționează cu rotorul alimentat în curent continuu astfel prin rotirea rotorului generând curent electric în bobinele statorice. Curentul continuu poate proveni de la un acumulator care este apoi alimentat de la ieșirea generatorului printr-un redresor.

Variațiile vitezei vântului determină generarea unui curent de valori variabile atât a formei cât și a frecvenței. Pentru rectificarea acestui neajuns se trece curentul de la generator printr-un redresor (care stabilizează valorile) iar apoi printr-un invertor.

Fig, 6: Generator sincron cu ieșire în curent continuu (stânga) și în curent alternativ (dreapta)

1.3.1.7.2 Generatoare asincrone

Generatoarele asincrone necesită conectare la rețea sau o sursă de curent alternativ pentru a porni. Generatorul este trifazat și funcționează având partea rotorică excitată de bobinele statorice astfel generându-se curent electric în înfășurările statorice. Rotorul trebuie să aibă o anume viteză pentru a putea genera electricitate.

Pentru a menține o viteză constantă se modifică pasul palelor și cutia de viteze este plasată între elice și generator. Acest lucru face ca nacela să fie mai grea și mai scumpă, totuși avantajul este acela că energia generată este în sincronism cu rețeaua electrică. Generatorul asincron poate produce curent alternativ sau curent continuu folosind un redresor.

Fig, 7: Generator asincron cu ieșire în curent continuu (stânga)și curent alternativ (dreapta)

1.3.2 Generatorul diesel

Alegerea generatorului necesită putine cunostințe în domeniu si se face în funcție de consumul de energie electrică, de preț si de calitatea produsului. Este bine să se facă o alegere optimă, un preț mic al generatorului nefiind neapărat un avantaj în raportul calitate – preț.

Fig. 8: Generator 3kW

1.3.2.1 Generator mobil sau fix?

La prima vedere poate sunteți tentat sa cumparați mai degrabă un generator mobil decat unul fix. Daca doriti sa țineți generatorul intr-o magazie si sa il cuplați in cazul unei pene de curent, acest lucru este posibil. Nu veți face insă mare economie, dar dacă veți folosi generatorul și in alte cazuri decat cele de urgența atunci generatorul mobil poate fi o alternativă. Este mai eficient si mai comod sa fie cumpărat un generator fix care sa deservească întreaga casă sau clădire. În acest fel, nu numai ca obțineti mai multa energie pentru banii investiți dar familia sau angajatii dumneavoastra nu vor trebui sa faca nimic în cazul unei pene de curent.

Funcționare de urgența sau funcționare continuă?

În primul rând trebuie sa va dați seama daca aveți nevoie de un generator pe care să-l utilizați ca o sursă de energie de urgența ( de intervenție, de rezervă, stand-by) sau continuă (producție). Pe scurt, o sursă continua de energie electrica este necesară atunci cand nu aveți nici o altă sursă de energie electrică sau folosiți generatorul ca sursă principală de energie. Un generator care este folosit in fiecare zi sau după un program fix este considerat un generator cu funcționare continuă. Un generator de rezervă are rolul de alternativă de urgență la energia electrică distribuita prin rețeaua națională. Generatoarele de rezervă sunt folosite numai atunci cand sursa normala de energie electrica nu este disponibila si nu sunt utilizate des.

Multe generatoare stand-by lucreaza la 3000 RPM (rotații pe minut) si nu sunt construite pentru o utilizare zilnică .

1.3.2.2 Generator monofazat/ trifazat

Generatoarele de curent produc energie electrică monofazată sau trifazată. Ar trebui sa folosiți tipul de energie pe care o ofera tablourile dumneavoastră de branșare la rețeaua electrică națională. Locuințele si intreprinderile mici folosesc, de obicei, energie

monofazată. Cea trifazată este folosită de intreprinderile medii si mari, in special acolo unde energia este utilizată pentru pornirea si funcționarea motoarelor electrice. Generatoarele trifazate sunt construite să producă 230/400 Volți (pentru România). Generatoarele monofazate produc 230 de Volți. Tabloul dumneavoastră de branȘare la rețeaua electrică națională poate fi trifazat sau monofazat, asa ca nu aveți nevoie de un generator trifazat daca tabloul este monofazat.

Tabloul de distribuție este locul unde trebuie sa începeti procesul de determinare a puterii generatorului de care aveți nevoie. Uitați-vă la tabloul electric si vedeti care este amperajul. Daca pe panou sunt 100A atunci nu veti avea nevoie de un curent mai mare de 100A. Uneori este posibil sa instalați un generator pentru a alimenta doar o mică parte a consumatorilor alimentați de la panoul electric.

Echipamentele electrice sunt construite pentru a utiliza energie electrica cu o anumita frecventă – 50 Hz in Romania. Frecvența curentului furnizat de generator depinde de turația motorului cu care este echipat generatorul. Pentru a produce electricitate de 50Hz, majoritatea motoarelor funcționeaza la 1500 sau 3000 RPM (rotații pe minut). Fiecare situație are avantaje si dezavantaje.

Generatoarele de putere mare sunt echipate de obicei cu motoare de 1500 RPM cu alternatoare cu 4 poli. Ele oferă cel mai bun raport intre zgomot, eficiență, cost si durată de viața a motorului. Motoarele de 3000 RPM cu alternatoare cu 2 poli sunt mai mici și simple, potrivite pentru generatoarele portabile si mai ușoare. Generatoarele de 3000 RPM sunt considerate “Generatoare Stand-by” nu pot fi luate in considerare pentru utilizare continuă (de producție). Majoritatea generatoarelor de 3000 rpm sunt echipate cu motoare de masini de tuns iarba, cu unul sau doi cilindri si racite cu aer, in timp ce cele de 1500 rpm racite cu apa, sunt motoare ce pot fi comparate cu cele intalnite la tractoare si utilaje pentru constructii. Ideea principala este că generatoarele la 1500 rpm racite cu apa vor rezista mai mult, vor crea mai putine probleme de intreținere si vor fi mai eficiente din punct de vedere al consumului de combustibil. In plus, generatoarele la 1500 rpm sunt proiectate pentru a fi reparate pe cand cele de 3000 rpm sunt proiectate pentru a fi înlocuite si sunt mult mai ieftine (de cele mai multe ori).

Tipul de motor:

Pentru o viața lunga si o funcționare silențioasă sunt recomadate motoarele in patru timpi. Răcirea cu aer sau lichid. Motoarele răcite cu aer au nevoie de o cantitate foarte mare de aer, au nevoie de aerisire foarte buna si sunt mai zgomotoase. Răcirea cu lichid ofera o funcționare mai silențioasa, un control mai uniform al temperaturii si deci, o viata mai lunga a motorului.

Sistemul electric.

Un generator standard ar trebui sa includa cel puțin urmatoarele:

– Un demaror de calitate si baterie.

– Generatoarele mai mari ar trebui sa includă un încarcator pentru baterie un regulator de tensiune eficient.

– Generatoarele diesel de dimensiuni mai mari ar trebui sa fie echipate cu un sistem de preîncalzire pe circuitul de răcire.

– Toate generatoarele ar trebui să fie prevazute cu un sistem de oprire de siguranța pentru protecția in caz de scadere a presiunii uleiului, supraturație , supratensiune, cresterea temperaturii apei sau temperaturii de functionare.

– Un intrerupator termic pentru a proteja generatorul. La generatoarele mici si portabile ar trebui sa existe un întrerupator

termic pe fiecare circuit.Alternatorul (Partea care face ca generatorul să “genereze” electricitate.) Un regulator automat de tensiune va asigura furnizarea de putere. Puterea normala utilă permite o variatie a tensiunii de +/- 6%; majoritatea generatoarelor sunt chiar mai performante cu valori cuprinse între +/- 5% si 0,25% sau chiar si mai scăzute. Majoritatea generatoarelor moderne sunt echipate cu AVR – regulator automat de tensiune – si pot fi utlizate cu încredere pentru alimentarea electronicelor moderne si calculatoare.Rulmenți lubrificați pentru totdeauna. Generatoarele ieftine nu au astfel de rulmenți. De cele mai multe ori acestea au nevoie de dezasamblare si de înlocuirea rulmenților la fiecare 2 sau 3 ani. Majoritatea alternatoarelor moderne sunt prevazute cu rulmenți de calitate industrială care nu necesita lubrificare ulterioară sau alte accesorii. În procesul de determinare a dimensiunii generatorului , faceti o lista cu echipamente opționale si de instalare de care aveți nevoie. Pentru un nivel al zgomotului redus, se recomandă un generator cu carcasă însonorizantă și eventual echipat cu eșapament rezidential.

De asemenea, este bine de știut ca sunt motoare special construite pentru a fi silențioase. Un filtru de combustibil este necesar pentru protecția sistemului de alimentare a motorului. Este recomandabil ca generatoarele stand-by sa fie prevazute cu un sistem electric de preîncalzire pe circuitul de răcire cu lichid pentru a mentine lichidul de răcire la o temperatură adecvata pentru o pornire mai usoara și cu mai puțin fum.

1.3.2.3 Dimensionarea puterii generatorului

Dimensionarea puterii generatorului este cel mai important pas. Nimic nu este mai critic in alegerea unui generator. Un generator care este prea mic nu va avea o viață prea lungă și poate să cauzeze defecțiuni echipamentelor electrice alimentate.Se secomandă ca un generator utilizat pentru funcționare continuă sa nu funcționeze niciodata cu o încarcare mai mica de 40% din puterea maximă ce poate fi furnizată – optim ar fi între 50% si 70% .Alți factori care pot afecta funcționarea eficienta a generatorului sunt altitudinea si temperatura aerului. Acesti factori vor scădea randamentul generatorului. Trebuie sa luați in considerare altitudinea la care va functiona generatorul, temperaturile normale si cele extreme. Cand cumpărați generatorul, cereți informații in acest sens. Luați in calcul cel putin trei procente de pierdere din eficienta pentru fiecare 300m deasupra nivelului marii. Verificați specificațiile producatorului. Nimic nu este mai rau decat să cumparați un generator care este prea mic.

Sistemul de evacuare

Sistemul de evacuare poate avea nevoie să fie acoperit cu material izolant pentru a preveni izbucnirea incendiului in caz de contact cu substanțe inflamabile.

1.3.2.4 Instalarea la exterior

Generatoarele care sunt inchise in carcase însonorizante sunt proiectate pentru

a fi instalate afară. Generatorul trebuie fixat pe o platformă de beton armat turnată într-o locație usor accesibilă pentru mentenanța si alimentare cu combustibil. Trebuie ales un loc aproape de tabloul de distribuție. Generatorul trebuie sa fie la cel putin 1 m de substanțe inflamabile. In jurul generatorului trebuie lăsat cel puțin 1 m (sau mai mult daca dimensiunile ușilor carcasei o necesită) pentru acces la interior. Esapamentul nu trebuie sa aibă posibilitatea acumularii monoxidului de carbon in spatii închise.

1.3.2.5 Instalarea in interior

Nu se recomandă amplasarea generatoarelor in interiorul locuințelor, spațiilor comerciale sau industriale. Primul motiv pentru care ar trebui evitată instalarea in interior este siguranța.

Monoxidul de carbon este un gaz inodor , incolor si se poate acumula in spațiile închise.O acumulare de gaze in locuința poate omorî oameni.Pe langa siguranța, costul instalării unui generator la interior este mai mare decat cel pentru instalarea aceluiași generator prevazut cu carcasă insonorizantă. Când un generator este instalat la interior , clădirea trebuie sa fie proiectată cu grija pentru a asigura ventilația care sa elimine caldura si gazele de eșapament. Trebuie impiedicată orice scurgere care ar permite monixidului de carbon să se acumuleze in clădire. Generatorul are nevoie de un flux de aer curat si rece și o aerisire pentru aerul cald. Dimensiunea spațiului afectează temperatura camerei (cu cat este mai mic spațiul in care funcționeaza generatorul, cu atât temperatura este posibil sa devină mai mare). Trebuie luate în considerare și dimensiunea generatorului și temperatura mediului. Pentru o instalare la interior, sistemul de aerisire trebuie sa scadă temperatura camerei la un nivel acceptabil și să asigure un flux de aer curat si rece înauntru și scoaterea aerului cald din încapere. Nu trebuie ca aerul cald să fie circulat in încapere. Ventilatoarele de răcire a generatorului mișcă atat umezeala cat si aerul. Aerul umed este coroziv pentru sudurile de cupru ale generatorului, astfel încat trebuie sa ne asigurăm că alimentarea cu aer este poziționată astfel încat să minimizeze umezeala introdusă.De asemenea, este posibil sa fie nevoie și de un sistem automat de stingere a incendiului. Chiar si o instalare care respectă toate cerințele de mai sus și toate reglemetările de siguranța poate sa devină un pericol mai tarziu. Pentru ca o instalare sa rămână sigură, trebuie sa fie inspectată permanent și să fie întreținută pentru a se asigura că scurgeri sau alte situații periculoase nu vor apărea datorită vechimii sau uzurii. In locațiile care nu dispun de un personal de mentenanță instruit pentru a întreține un generator de interior nu ar trebui să instaleze un astfel de aparat.Un alt factor este costul initial. Este imposibil să construiești o cladire care să găzduiasca un generator și care să coste atat de puțin ca incinta cu care poate fi comandat si prevazut generatorul. Și chiar dacă clădirea exista deja, costurile pentru amenajarea si adaptarea ei pentru un generator vor depăși de obicei prețul carcasei cu care poate fi prevăzut generatorul.

1.3.2.6 Nocivitatea emisiilor

Peincipalele emisii ale generatorului sunt hidrocarburile. Aceste substanțe nu au un efect direct asupra sanătății, cu excepția hidrocarburilor policiclice aromate, despre care este stabilit caracterul lor cancerigen. S-a stabilit că aceste hidrocarburi nearse care sunt evacuate de motoarele cu ardere internă au un rol important în formarea smogului fotochimic. Smogul fotochimic reprezintă o ceață, caracteristică unor regiuni geografice (, ). Denumirea provine de la combinarea cuvintelor de origine engleză smoke + fog și este produs în atmosferă sub acțiunea razelor solare, în special datorită hidrocarburilor și oxizilor de azot. Smogul este iritant pentru ochi și mucoase, reduce mult vizibilitatea și este un pericol pentru traficul rutier. Mecanismul de formare este generat de 13 reacții chimice catalizate de prezența razelor solare. Aldehidele Substanțe organice prezente în gazele de evacuare în proporție relativ scăzută pentru combustibili clasici de natură petrolieră, dar cu o pondere mult mai mare pentru combustibilii proveniți din alcooli. Sunt substanțe iritante pentru organism, iar dintre acestea formaldehida are un important potențial cancerigen. CO (oxidul de carbon) – are unefect toxic generat de fixarea hemoglobinei în sânge prin care se împiedică alimentarea cu oxigen a creierului. O mare influență o are la persoanele cardiace, care pot avea crize cardiace cu o frecvență mult mai mare.

Oxizii de azot NO și NO2 Oxizii de azot au efecte dăunătoare prin contribuția adusă la formarea smogului, precum și prin efect direct asupra omului. Principalele efecte sunt legate de fixarea hemoglobinei și prin efecte mai ales la bolnavii pulmonari. De asenenea, oxizii de azot împreună cu oxizii de sulf contribuie la formarea ploilor acide. Particulele nemetalice Aceste particule, în special cele de carbon, sunt emise mai ales de motoarele diesel. Aceste particule pot fi inhalate în plămâni, unele din ele putând avea și efect cancerigen. Efectul particulelor se poate manifesta și asupra clădirilor. Particulele de plumb Acțiunea plumbului este foarte dăunătoare asupra omului și este bine cunoscută încă din antichitate. Concentrații scăzute de plumb provoacă tulburarea albuminelor și glucidelor, atacă rinichii și sistemele nervos și central. Intoxicația cronică de Pb se numește saturnism și provoacă colită, insuficiență renală,etc. Plumbul se găsește în combustibilii etilați pentru motoarele cu aprindere prin scânteie. Bioxidul de carbon este prezent în aerul atmosferic, iar la concentrații de până la 3-4 la mie este util în procesul de fotosinteză. Aspectul îngrijorător al creșterii concentrației de bioxid de carbon este dat de apariția efectului de seră (reducerea cantității de energie radiate de pământ către spațiul cosmic, datotorită reținerii căldurii în unele gaze). Acest efect de seră poate conduce la creșterea temperaturii medii la nivelul solului, iar motoarele cu ardere internă au o mare pondere în creșterea concentrației de bioxid de carbon.

Măsurarea produșilor poluanți La motoarele cu ardere internă măsurarea produșilor poluanți se poate face în mai multe moduri: Concentrația gazelor poluante în gazele de evacuare (exprimat în părți pe milion ppm sau procentual) Concentrația de emisie poluantă a unui motor care echipează un autovehicul raportat la unitatea de distanță parcursă (g/km sau g-milă) pentru a determina mai exact efectu produs de autovehicolul respectiv. Pentru motoarele diesel staționare de putere mare se poate utiliza o unitate de măsură raportată la energia produsă (g/(CPh) sau g/(kWh)) Legătura care există între cantitatea de emisii evacuată în atmosferă și regimul de funcționare al motorului a impus elaborarea unor norme de definire a ciclurilor funcționale considerate reprezentative pentru condițiile obișnuite de funcționare. De asemenea sunt standardizate tehnica de măsurare experimentală, metodele de prelevare a probelor de gaz și prelucrarea rezultatelor.

1.4 Sisteme hibride cu energie regenerabilă pură

Un sistem energetic hibrid uzual folosind energie regenerabilă este alcătuit din surse solare, eoliene și hidro. Principiul unui astfel de sistem hibrid în buclă deschisă este prezentat în figura 24. Energia produsă de generatoarele eoliene și hidro este de tensiune alternativă care poate fi transformată in curent continuu pentru a putea încărca bateriile. Controllerul protejează bateriile să nu se supraîncarce sau să se descarce complet. Cum tensiunea alternativă de valoare înaltă este folosită pentru a reduce pierderile sistemului, se introduce un invertor pentru a transforma tensiunea continuă de valoare mică spre o tensiune de 110V sau 230V, în funcție de sistemul din acea regiune.

Fig. 9: Prezentarea schematică a unui sistem hibrid regenerabil conținând surse eoliene, solare și hidro.

Aplicațiile în care se folosesc de obicei sunt în zonele izolate sau greu de accesat în care folosirea unor generatoare diesel e mai scump deoarece costul aducerii combustibilului ar fi mare. Aceste zone (exemplu: stații de retransmisie în telecomunicații) folosesc sarcinii continue. Aceste sistem tind să fie scumpe deoarece necesită o supradimensionare a generatoarelor de energie regenerabilă și a dispozitivelor de acumulare.

1.5 Sisteme energetice hibride legate la rețea

Când se consideră instalarea unui sistem electric regenerabil sau clasic, trebuie urmărit modul de utilizare a electricității. Un sistem de dimensiunii mici va reduce unele din cheltuielile adiacente și va fi folositor în cazul întreruperii alimentării de la rețea. Un sistem de dimensiuni mari va produce suficientă energie electrică pe care o poate vinde spre companii ca sa reducă din investiție. Mărimea sistemului hibrid va determina componența echipamentelor și costul.

1.5.1 Sisteme utilitare legate la rețea

Sistemele utilitare hibride legate la rețea nu au nevoie de înmagazinarea energiei electrice în baterii deoarece folosesc rețeaua ca să primească energie când au nevoie. Când sistemul hibrid produce mai multă energie decât este necesar, excesul este vândut înspre sistemul energetic. Când sistemul nu produce suficientă energie electrică, energia poate fi preluată de la rețea. Totul poate fi făcut printr-un program de plata folosind în majoritatea cazurilor încă un contor pentru măsurarea energiei furnizate rețelei.

Avantajul interconectării cu rețeaua este că există tot timpul energie electrică, nu doar când sistemul hibrid produce electricitate, și se evită costurile dispozitivelor de înmagazinare. Un dezavantaj este taxa de interconectare care diferă funcție de distribuitorul de energie electrică. Mărimea proiectului de interconectare depinde de cât de multă energie este necesară pentru a fi consumată și de mulți bani ar putea fi investiți.

1.5.2 Sisteme legate la rețea cu sistem de înmagazinare de energie

Fiind o combinație a sistemelor nelegate la rețea și a celor legate, aceste aplicații au avantajul ambelor sisteme. Sunt conectate la rețea în caz că nu vremea nu este favorabilă sistemelor eoliene și fotovoltaice, dar totodată au și baterii pentru a înmagazina energia electrică în cazul în care pică rețeaua electrică. Proiectarea și instalarea acestor sisteme este mai complicată și mai scumpă, dar este cea mai eficientă pentru asigurarea unei energii cât mai constantă și mai sigură.

1.6 Sisteme izolate de rețea sau mini sisteme hibride

1.6.1 Necesitatea pentru sisteme hibride nelegate la rețea

Energia, alături de apă, transport, educație și alți factori care sunt necesare dezvoltării, reprezintă o parte din serviciile, adesea, necesare în zone izolate pentru a contribuii la dezvoltarea rurală.

Prețul surselor convenționale de energie în zone izolate, cum ar fi lumânări, parafină, gaz, cărbune, baterii, este adesea mult mai scump decât in zonele urbane datorită izolării. Mai mult costul serviciului electric este mult mai scump decât la orașe, unde locuințele sunt conectate la rețea.

Mai sunt și alți factori legați de distribuția clasică de energie în zonele izolate, cum ar fi, adesea lung, transportul necesar pentru a obține combustibilii necesari și pericolul utilizării și depozitării lor.

1.6.2 Electricitate de la sisteme hibride nelegare la rețea

Aprovizionarea cu energie electrică a zonelor rurale este adesea asociată cu prețuri ridicate din partea distribuitorilor decât dacă această energie ar proveni de la surse hibride. Rețeaua electrică în zonele rurale, izolate, ar fi ineficientă din punct de vedere economic datorită consumului redus. Sistemele izolate de rețea, cu o singură sursă sau hibride, pot fi în unele cazuri alternativa economică la rețelele electrice.

Energia electrică izolată de rețea poate fi generată de sisteme cu o singură sursă folosind celule fotovoltaice, generatoare eoliene, centrale hidroenergetice mici sau de generatoare diesel, sau combinate cu două sau mai multe din aceste tipuri de surse formând sisteme hibride. Sistemul adesea conține dispozitive de înmagazinare cum ar fi bateriile plumb-acid. Un sistem hibrid izolat de rețea poate oferii energie de tensiune continuă sau alternativă, sau chiar pe amândouă. Pentru a transforma unul din tipurile de energie, continuă sau alternativă, în celălalt se folosesc convertoare. Dispozitive de control pe componente sau pe întreg sistemul sunt folosite pentru a regla operațiile generale.

Un tip de sistem hibrid izolat de rețea este un sistem solitar, care este nelegat la rețeaua electrică, astfel evitând posibilitatea lipsei energiei în momentul în care rețeaua electrică pică. Energia generată poate fi înmagazinată în baterii pentru a fi folosită pe timp de noapte sau în zilele fără vânt. Se pot folosi si generatoare diesel ca siguranță. Pentru aplicațiile fotovoltaice, mărimea sistemului izolat este în general de până la 50kW, și pentru sistemele eoliene nelegate la rețea aplicațiile sunt în general de 100kW sau mai puțin.

1.6.2.1 Dispozitive de acumulare a energiei electrice

Sistemele de acumulare a energiei pentru alimentarea caselor izolate sunt cele electro-chimice

– Cu acumulare internă (exemplu Pb, NiCd, Li-Ion)

– Cu acumulare externă

– Acumulare în gaze (electroliză, celule de combustie)

– Acumulare cu electrozi lichizi (vanadium redox)

– Baterii primare cu regenerare externă (Zn-Aer)

Aceste tipuri de acumulatoare sunt convertoare reversibile de energie. Pot converti energia electrică în energiei chimică și invers. Energia este înmagazinată în ingrediente chimice. Ingredientele pot fi depozitate în interiorul convertorului sau într-un container separat.

1.6.2.1.1 Acumulatori cu înmagazinare internă (bateriile chimice)

Bateriile chimice cum ar fi cele plumb-acid, nichel-metal-hibrid, lithium-ion și cele nichel-ion-polimer, aparțin unui grup de acumulatori cu înmagazinare internă. Conversia energiei și înmagazinarea ei nu pot fi separate fizic în aceste tipuri de baterii. O barieră între materialul activ și electrolitul reprezintă echivalentul unui convertor.

Principiul de funcționare este asemănător la toate bateriile. Bateria este formată din celule conectate în serie. Celulele sunt alcătuite din doi electrozi și materialul activ, care sunt imersate în electrolit. Bateriile diferă unele față de altele prin materialul electrozilor și tipul de electrolit. Procesul de încărcare poate fi înțeles în general ca o acumulare de material activ în jurul electrozilor. Energia este eliberată apoi prin procesul de descărcare.

În funcție de materiale, celulele diferă în numărul de cicluri, densitatea energetică, timpul de încărcare, rezistența internă, prețul, etc. Alegerea tipului bateriei care va fi folosit în fiecare loc în parte va fi făcută în funcție de condițiile de lucru si cele economice.

1.6.2.1.2 Baterii plumb-acid

Aceste tipuri de baterii se folosesc de peste 100 de ani pentru acumularea energiei electrice. Sunt cele mai utilizate tipuri de acumulatoare. Diverse tipuri de proiecte au fost create pentru diversele aplicații. Aceste tipuri de baterii sunt cele mai ieftine în comparație cu altele care au aceleași caracteristici. Un dezavantaj major al bateriilor plumb-acid este conținutul scăzut de energie gravimetrică datorită densității mari plumbului.

Fig. 12: Schița unei celule plumb-acid

Bateriile plumb-acid în starea de încărcare conțin ca materiale active un electrod pozitiv cu dioxid de plumb (PbO2) și un electrod negativ cu plumb (Pb). Ambii electrozi sunt acoperiții de o grilă din aliaj de plumb. Electrolitul folosit este acidul sulfuric (H2SO4).

Valoarea normală a unei baterii plumb/acid este de 2V , iar valoare în circuit deschis a unei astfel de baterii este de 2,1V, funcție de concentrația electrolitului. Potențialul pozitiv in circuit deschis al unui acumulator încărcat la maxim este de aproximativ +1,75V.

Bateriile plumb-acid sunt ieftine, sigure, și sunt reciclabile. Deșii sunt ieftine, sunt foarte grele și limitează valoare energetică funcție de greutate. Astfel nu pot fi folosite la alimentare unui vehicul în locul benzinei deoarece sunt foarte grele.

Bateriile plumb-acid nu ar trebui descărcate sub 80% din capacitatea de descărcare (DOD). Dacă se scade sub această valoare duce la scăderea vieții bateriei.

1.6.2.1.3 Bateriile nichel-cadmiu

Bateriile nichel-cadmiu se găsesc pe piață de câțiva zeci de ani. Au proprietăți bune privind durata de viață și numărul de cicluri de încărcare/descărcare. Bateriile standard NiCd pot fi folosite la temperaturi de -20 și 0C. Totuși aceste baterii NiCd conțin cadmiu care este un material nociv mediului înconjurător.

În comerț se găsesc diverse tipuri de baterii NiCd cu diferențe în tehnologia plăcilor și tratamentul gazelor. Reacția de bază este asemănătoare pentru toate bateriile NiCd.

2NiOOH + 2H2O + Cd → 2Ni(OH)2 + Cd(OH)2 (15)

Electrolitul este hidroxidul de potasiu (KOH). Nu-și modifică concentrația sau densitatea semnificativ în timpul încărcării sau a descărcării. Doar apa participă la reacție. Bateriile NiCd se găsesc cu electrolit lichid și sunt închise ermetic.

Tensiunea nominală a unei celule NiCd este de 1,2V. Bateriile NiCd se pot descărca până la valori mai mari, fără ca valoare accesibilă să scadă cu mult sub capacitatea nominală. Chiar pentru o rată de descărcare de 5 C/5, o baterie de capacitate ridicată poate oferii 60% până la 80% din capacitatea nominală. De asemenea influența temperaturii asupra capacității este mică în comparație cu bateriile plumb-acid. Totuși temperaturi de peste 400C ar trebui evitate. Atunci, eficiența încărcării scade foarte mult și rata de autodescărcare crește semnificativ. Rata de autodescărcare la 200C este de aproximativ 20%/lună.

Eficiența energetică este între 60% și 70%, care este semnificativ mai mică decât la cea specifică bateriilor plumb-acid.

Celulele NiCd au o rezistență internă mică. Valoare specifică a unei rezistențe de curent continuu este de câțiva ohmi. În condiții normale de funcționare, o baterie NiCd poate ajunge până la 2000 cicluri de descărcare la 100%. Durata de viață poate fi între 8 si 25 de ani. Deșii au proprietăți electrice bune, piața acestor tipuri de baterii este mică pentru alimentarea sistemelor autonome datorită prețului ridicat. Bateriile NiCd au un preț aproximativ de trei ori mai mare decât bateriile plumb-acid.

1.6.2.1.4 Baterii Nichel-metal-hibrid

Materialul activ al electrodului pozitiv al unei baterii nichel-metal-hibrid (NiMeH sau NiMH) în starea încărcată este NiOOH, același material ca și la bateriile NiCd. Materialul activ negativ în starea încărcată este hidrogenul ca și componentă a materialului hibrid.

Reacția pentru procesul reversibil de încărcare/descărcare este:

NiOOH + MH ↔ Ni(OH)2 + M (16)

În celulă, oxigenul poate fi transportat de la electrodul pozitiv la cel negativ și este recombinat acolo cu hidrogenul pentru a forma apă. Astfel, celulele pot fi folosite ca celule uscate și pot fi instalate în orice poziție dorită. Tensiunea în circuit deschis este între 1,25 – 1,35V/celulă, și tensiunea nominală este de 1,2V. Eficiența este de aproximativ 80 – 90%. Puterea maximă este mai mică decât la bateriile NiCd. Autodescărcarea la 250C este de asemenea la aproximativ 20%/lună dar la 450C este de 60%/lună.

Bateriile Nichel-metal-hibrid înlocuiesc bateriile NiCd pentru aplicațiile portabile datorită compatibilității mai bune cu mediul și a densității energiei gravimetrice mai mari.

Totuși nu se găsesc comercial pentru capacități mai mari. Costul lor este de aproximativ cinci ori mia mare decât al bateriilor plumb-acid.

1.6.2.1.5 Baterii Lithiu-ion și Lithiu-ion-polimer

Bateriile lithiu sunt cele mai evidențiate baterii în ultimii anii. În prezent bateriile lithiu-ion și lithiu-polimer acaparează piața dispozitivelor mobile. Nu se folosesc pentru sisteme energetice, chiar dacă eficiența și rata de încărcare/descărcare este foarte bună, datorită prețului foarte ridicat pentru aceste sisteme unde densitatea energetică mare nu este importantă.

Reacția pentru procesul reversibil de încărcare/descărcare este:

Li1-xCoO2+CnLix → LiCoO2+Cn (tip cobalt) (17)

Li1-xMn2O4+CnLix → LiMn2O4+Cn (tip mangan) (18)

Bateriile lithium-ion moderne comerciabile în zilele noastre au o tensiune nominală de 3,6V. Electrolitul este un solvent organic cu săruri de lithiu solubile. Comparativ cu bateriile NiCd sau NiMH, un dezavantaj al bateriilor lithiu-ion este acela că sunt mai puțin tolerante la lucrul cu intensității ridicate. Descărcarea la curenți mari este dificilă. Nu au nici aceleași cicluri de viață față de bateriile NiCd sau NiMH.

Bateriile pe bază de lithiu necesită valorii constante pentru curentul sau tensiunea de încărcare. Comportamentul la reîncărcare este foarte bun. Încărcarea bateriei în totalitate pentru a obține durata de viață adecvată nu este necesară ca la bateriile plumb-acid. Dar valorile maxime ale tensiunii de încărcare trebuie urmărite foarte atent. Valoare maximă a tensiunii de încărcare este de 4,1V și nu trebuie depășită cu mai mult de 50mV. Mai mult, descărcare bateriilor pe bază de lithiu trebuie limitată la valoarea specifică materialului. Valoarea maximă de descărcare este de 2,3V-celulă pentru cobalt și de 2,7V-celulă pentru mangan. Valoarea maximă a curentului de descărcare este de aproximativ 2xC/5.

Un dispozitiv de acumulare a energiei cuprinde: bateriile, invertorul, chargerul, transformatorul, distribuitorul de curent alternativ și incinta care le va înmagazina.

Acumularea de energie cu bateriile are câteva avantaje. Deoarece sistemele pe baterii pot fi adăugate cu valori mici, astfel putând urmării creșterea necesarului.

Acumularea de energie cu bateriile are beneficii dinamice datorită controlului tensiunii și frecvenței și creșterii siguranței sistemului. Pentru că sunt mici și pentru că sunt compatibile cu mediul pot fi amplasate lângă surse astfel reducând pierderile sistemului.

Ca dezavantaj îl reprezintă costul inițial foarte ridicat. În prezent bateriile necesită înlocuiri la fiecare 8 până la 10 ani.

În prezent singura baterie pentru aplicațiile de acumulare a energiei în cantitate foarte mare este cea plumb-acid. Eficiența tipică este de aproximativ 72%, cu baterii de eficiență 78% și sisteme de condiționare e energiei de 94%.

Cap 2. Alegerea soluției

2.1 Factorii ce influențează alegerea soluției

Pentru ca un sistem hibrid să fie eficient ar trebui ca unele din următoarele condiții să fie îndeplinite:

existența unor bune resurse de energie e vântului

lipsa unei rețele de electrificare în zonă sau nesiguranța rețelei de electrificare din zonă

existența unei cereri de electricitate sau căldură, în special pentru clădiri de dimensiuni mari

existența unor bune resurse de energie solară, etc.

Sistemul hibrid instalat este un sistem de producere de energie „verde”, adică produce energie electricǎ din surse regenerabile de energie- vântul. Pentru fiecare kWh produs zilnic de acestǎ instalație, se evită emisia a cel puțin 0,75kg de CO2, gaz care este acuzat de efectul de serǎ.

Sistemul hibrid eolian- diesel garantează furnizarea de energie electrica in regim permanent folosind puterea vintului, iar atunci cind vantul lipseste mai mult timp, functioneaza generatorul diesel. Petru o functionare optima a generatorului trebuie verificat periodic nivelul motorinei in rezervor.Cu un consum mediu de motorină de aproximativ 2 – 3 litri pe zi, veti avea nu doar o sursa de energie ecologica, dar si foarte ieftina. Sistemul hibrid poate fi folosit pentru a acoperi în totalitate nevoile de energie a tuturor marimilor de case, precum și pentru întreprinderi mici, ateliere, birouri. Amortizarea in mai puțin de 10 ani a investiției face ca acest sistem sa fie pretabil pentru orice zona. Un element foarte important este faptul ca acest sistem nu are nevoie de autorizatii de constructie. Instalarea este foarte simplă si rapidă. Pentru o amortizare cât mai rapidă, ar fi bine ca amplasamentul sa se faca intr-o zona cu vănt.

2.2 Elemente ce trebuiesc luate in considerare la alegerea soluției

Generatoarele hibride trebuie să fie alese astfel încât generatoarele componente să fie complementare, când nu funcționează unul celălalt să funcționeze.

Orice sistem hibrid trebuie să aibă un sistem de siguranță care să asigure necesarul de energie în cazul în care vremea nu permite generarea electricității. Acest sistem este de preferat să fie alcătuit din baterii deoarece sunt mai puțin nocive asupra mediului decât alte sisteme. În cazul caselor izolate de rețeaua electrică aceste baterii trebuie să asigure funcționarea casei la valori nominale ale sarcini timp de 5 până la 9 zile.

Pentru sistem eoliene trebuie să existe o bază de date asupra valorilor meteo cu privire la viteza vântului. Aceste date sunt de preferat a fi luate pe o perioadă mai îndelungată, 3 ani reprezintă o perioadă suficientă pentru a reduce erorile la valori neglijabile.

În timpul amplasării turbinei eoliene trebuie luat în considerare efectul asupra mediului. Estimarea resurselor eoliene probabile ale unei zone este vitală în determinarea cantității de energie care poate fi produsă. Cantitatea de energie posibilă a fi produsă într-o zonă determină cheltuielile. Pentru construcții mari este necesară măsurarea vântului cu dispozitive specializate. Pentru construcții mici datele meteorologice sunt suficiente împreună cu estimările de la fața locului.

Când se cumpără o turbină eoliană trebuie cunoscută puterea nominală și viteza vântului la care se obține această putere. Dacă turbina eoliană se folosește într-un sistem hibrid este necesar să se supradimensioneze turbina și să se folosească disipatoare de energie în cazul depășiri puterii nominale. Când se selectează o turbină calitatea construcției este importantă. Protecțiile împotriva coroziunii și folosirea oțelului inoxidabil la construcția componentelor sunt la fel de importante ca și robustețea construcției.

Deși turbinele eoliene sunt foarte sigure, disponibilitatea pieselor de schimb și necesarul întreținerii trebuie luate în considerare pentru zonele izolate

Pentru sistemul fotovoltaic trebuie avute în vedere date de intensitate a radiației solare și trebuie totodată să fie avut în vede înclinația soarelui și direcția în care sunt îndreptate panourile. Pentru optimizări ale producției cât mai bune se prevăd sistemele cu dispozitive de urmărire a soarelui care permit o captare a energiei solare cât mai bună.

Metodele de acumulare electrochimice sunt mult mai atractive decât bateriile pentru aplicații izolate cu energii regenerabile cu perioade lungi de acumulare a energiei.

Bateriile trebuie alese funcție de curentul de încărcare și caracteristicile de funcționare, astfel se observă optimul necesar privind alimentarea și totodată timpul de încărcare al bateriilor. Bateriile trebuie să fie alese și funcție de timpul cât trebuie să alimenteze și cât de dese vor fi întreruperile de energie produse de către generatoarele alese.

Trebuie urmărit și consumul care trebuie și el redus cât se poate alegând dispozitive cu consum redus. Totuși aceste alegeri nu trebuie să reducă din confortul locatarilor.

O problemă a energiei regenerabile în România este faptul că nu există un avantaj pentru producător, în cazul generatoarelor conectate la rețea, el neprimind subvenționări pentru energia produsă

2.3 Impactul amenajarii unei tubine eoliene asupra mediului inconjurator

Ca orice echipament industrial si turbinele eoliene produc în funcționare

zgomote, datorită sistemelor mecanice în funcționare, a despicării aerului de palele în rotire sau a trecerii palelor prin dreptul stâlpului de susținere, când se produce o comprimare a aerului.

Pentru a nu avea un impact negativ în special în zonele dens populate,

sursele de zgomot sunt foarte riguros controlate de fabricanții de turbine și se iau

măsuri tehnologice speciale pentru fiecare sursă. Așa se face că în urma unor

măsurători în natură, fabricanții dau garanții ferme asupra limitei superioare a

zgomotelor produse de turbina respectivă .

Putem afirma însă că turbinele de vânt moderne nu sunt zgomotoase,

majoritatea fabricanților garantând că la nivelul rotorului turbinei zgomotul

(presiunea sunetului) nu depășește 100 dB (A), echivalent cu un zgomotul din orice industrie prelucratoare.

În cazul în care vântul bate în direcția unui receptor, nivelul presiunii

sunetului la o distanță de 40 m de o turbină tipică este de 50-60 dB(A), ceea ce

echivalează cu nivelul unei conversații umane obisnuite. La 150 m zgomotul scade la 45,5 dB(A), echivalent cu zgomotul normal dintr-o locuință, iar la distanța de peste 300 m zgomotul funcționării unor turbine se confundă cu zgomotul produs de vântul respectiv. Daca vântul bate din direcție contrară, nivelul zgomotului recepționat scade cu circa 10 dB(A).

Conform specificului fiecărui amplasament în parte, pentru ca nivelul de

zgomot sa fie cel acceptat, trebuie avută în vedere păstrarea unei distanțe suficiente fată de asezările umane, diverse anexe gospodărești, instituții publice, monumente

istorice si de arhitectură, parcuri, scuare, spitale si alte așezăminte de interes public. În ceea ce privește vibrațiile, acestea sunt nesemnificative pentru mediu.

Principalul impact pus în discuție pentru protejarea mediului este cel legat

de impactul păsărilor zburătoare cu rotoarele turbinelor eoliene în mișcare, precum și perturbarea habitatului (la sol), dacă în areal se află colonii semnificative de păsări. Această problemă a suscitat – încă de acum mai bine de un deceniu – intense dispute în țările vest europene promotoare ale tehnologiei. Din acest motiv, în multe țări au fost demarate multiple studii de impact ale funcționării turbinelor eoliene asupra păsărilor.

Astăzi în țările vest-europene ecologiștii și promotorii centralelor eoliene au

ajuns la un consens: impactul dintre turbinele eoliene si păsări este mai mic decât se afirmase la început și în orice caz mai redus decât impactul altor activități umane ca vânătoarea, transportul rutier și aerian, sau chiar existența structurilor statice ca stâlpii si liniile electrice ori a clădirilor înalte, de care păsările se ciocnesc deoarece le văd greu.

Această concluzie a permis dezvoltarea explozivă a energeticii vântului în

toate țările UE. Asa cum arătam existau peste 40.000 MW instalați la finele anului 2005.

Un studiu olandez (întocmit de Biroul teritorial pentru energia vântului în

cooperare cu Fundația olandeză pentru protecția păsărilor) estimează că anual sunt omorâte 1500 păsări prin vânătoare, 1000 de liniile electrice, 2000 de traficul rutier și numai 20 păsări/1000 MW de turbinele eoliene. Rezultă că numărul păsărilor omorâte de mașini este de 300 ori mai mare decât numărul păsărilor omorâte de turbinele de vânt, iar cel al vânătorii de 70 ori mai mare.

Aceste estimări sunt confirmate de un studiu al Ministerului Mediului din Danemarca, ce conclude că stâlpii și liniile de înaltă tensiune sunt un pericol mult mai mare pentru păsări decât turbinele eoliene, care în rotație fiind constituie un avertisment vizual și sonor semnificativ pentru păsări, acestea evitând zona. Studiile radar din Tjaeborg – vestul Danemarcei unde funcționa o turbină de 2 MW, arată că păsările au avut tendința să-și schimbe ruta de zbor cu 100-200 m față de turbine și trec pe lângă sau pe deasupra lor la o distanță sigură. Acest comportament a fost observat atât ziua cât și noaptea .

La Port- la-Nouvelle în sudul Franței, cinci turbine sunt plasate într-o importantă rezervație de păsări, prin care trec mii de păsări, inclusiv prădătoare, mai ales în timpul migrațiilor. Studiul, întocmit de Liga Franceză pentru Protecția Păsărilor a constatat că majoritatea păsărilor mai mari zburau în mod deliberat în jurul turbinelor. În cinci ani de exploatare a parcului eolian nu s-a raportat la ligă nici o pasăre rănită sau omorâtă. Aceste constatări extrem de pozitive nu elimină necesitatea unei analize specifice în fiecare amplasament,care să țină cont de faptul că sunt sau nu sunt semnalate păsări din specii protejate cu habitat stabil și dacă speciile respective pot suferi o extincție prin realizarea parcului eolian,sau dacă pasajul păsărilor călătoare trece exact pe deasupra ampasamentului propus. În aceste cazuri se impun unele precauții suplimentare cum ar fi creșterea distanței dintre turbine, amplasarea lor în măsura posibilului tehnic-sub creasta culmilor (în cazul unor amplasamente pe culmi de dealuri sau asemănătoare), iar în cazuri extreme nedemararea execuției proiectului până la efectuarea unui studiu concret al organismelor abilitate ale Ministerului Mediului care să determine efectele posibilului impact. Suntem însă convinși că aceste concluzii nu pot fi decât pozitive, așa cum s-a întâmplat în toate celelalte țări care au dezvoltat producția din energie eoliană.

Undele radio și microundele sunt folosite într-o gamă variată în scopul comunicării. Orice structură mare mobilă poate produce interferențe electromagnetice. Turbinele de vânt pot cauza interferența prin reflectarea semnalelor electromagnetice de palele turbinelor, astfel încât receptorii din apropiere preiau atât semnalul direct cât și cel reflectat. Interferența se produce deoarece semnalul reflectat este întârziat atât datorită lungimii de undă frecvențelor proprii ale turbinei cât și efectului Doppler datorat rotirii palelor. Interferența este mai pronunțată pentru materiale metalice (puternic reflectante) și mai slabă pentru lemn sau epoxi (absorbante). Palele moderne, construite dintr-un longeron metalic de rezistență, îmbrăcat cu poliester armat cu fibră de sticlă sunt parțial transparente la undele electromagnetice.

Frecvențele de comunicație nu sunt afectate semnificativ dacă lungimea de undă a emițătorului este de 4 ori mai mare decât înălțimea totală a turbinei. Pentru 16 turbine comerciale uzuale, limita frecvenței este de 1,5-2 Hz (150 – 200 m).Teoretic nu există o limită superioară.

Nu există impact asupra apelor de suprafață și subterane și nu sunt afectate ecosistemele acvatice și nici folosința apelor.

Nu există nici un fel de emisii de poluanți care pot afecta vegetația și fauna terestră. Neexistând emisii de poluanți în aer datorită realizării unor astfel de proiecte, nu se produc dispersii și nici modificări ale calității aerului. Modificările intervenite în calitatea și în structura solului, precum și a subsolului datorită realizării drumurilor suplimentare de acces, a platformelor de montaj, a turnării fundațiilor (din beton armat), a realizării camerei de comandă și liniilor electrice de racord la rețea sunt minore. Măsurile preconizate prin proiecte (de refacere a solului, de înierbare s.a.) după lucrările de construcții montaj sunt suficiente. Un efect care poate fi receptat și de la distanțe mai mari, deci de mai mulți localnici vecini ai parcului eolian, este fenomenul de licărire al palelor când sunt bătute direct de soare, care ar putea fi deranjant. Acest fenomen se produce numai în zilele senine de la răsăritul soarelui până la prânz și este perceput numai când vântul bate din spre direcția privitorului, ceea ce înseamnă cel mult câteva zeci de ore pe an, practic în orice configurare a parcului eolian și topografie a locului. Prin faptul că palele sunt vopsite în alb fenomenul este mult estompat.

Efectele pozitive asupra calității aerului, vegetatei și faunei terestre.

La trecerea vântului prin rotoarele turbinelor, acestea extrag circa 30 % din

energia cinetică a vântului transformând-o în energie electrică, iar imediat în aval

de turbine viteza scade cu circa 15 %. Datorită acestui scăderi de viteză a vântului este de așteptat ca local umiditatea relativă a aerului să crească cu câteva procente.

Prin creșterea umidității, vegetația se dezvoltă mai bine cu efecte benefice asupra întregului lanț trofic din acest areal. Din trecerea în revistă a experienței occidentale putem afirma că parcurile eoliene mari, cu un număr semnificativ de turbine, dacă sunt amplasate rațional, în majoritatea amplasamentelor nu va produce impact major asupra aerului, apelor de suprafață și subterane, vegetației și faunei terestre, solului și subsolului și nici asupra așezărilor umane sau altor obiective din zonă. Tehnologia în sine oferă unele avantaje între care au fost menționate:

– la trecerea vântului prin rotoarele turbinelor, viteza scăzând este de așteptat ca

local umiditatea relativă a aerului să crească, fapt care poate conduce la o

dezvoltare mai bună a vegetației cu efecte benefice asupra întregului lanț trofic din areal.

– peisagistic, parcurile eoliene nu numai că nu deranjează dar pot constitui o

atracție turistică semnificativă, iar vizitarea parcului poate deveni un punct important din programul turistic local.

Deși nu se referă strict la populația dintr-o anumită zonă cu parc eolian, nu

putem neglija efectul global și deosebit de important al reducerii emisiilor de CO2,SO2 și Nox prin producere de energie electrică utilizând forța vântului. Aceste reduceri sunt evaluate la: 670 Kg CO2/MWh, 2,4Kg SO2/ MWh și 2000Kg Nox/MWh.

Fără să se întrevadă impact majore asupra mediului, în amplasamente din zone sensibile din punct de vedere ecologic (spre exemplu Rezervația Naturală Delta Dunării sau alte arii protejate), și lipsiți fiind de o experiență specifică națională, considerăm că e necesar chiar de la momentul demarării proiectului să se facă sub egida Ministerului Mediului – investigații specifice pentru aprecierea concretă a impactului de mediu. Concluziile unor astfel de studii vor crea o opinie corectă atât în rândul specialiștilor români cât și al populației și vor fi utile întregii dezvoltări a energeticii vântului în România.

Deși pe plan mondial energetica vântului se află într-un stadiu avansat de maturitate tehnologică, se poate aprecia că în România ponderea energiei din surse eoliene în balanța energetică, pe termen scurt, se situează sub posibilitățile reale de valorificare , datorită prețului dificultăților administrative. Aceste motive au împiedicat prezent energiile regenerabile cu adevărat competiție cu combustibilii fosili. Nu putem decât acest lucru se de curând .

Cap 3. Proiectarea instalației

3.1 Descrierea instalației

3.1.1 Consumatori

3.1.2 Listă componente

1) Turbina Eoliană :

Synergy S20000

Putere electrică : 3 kW la 10 m/s;

Număr de pale : 3

Înălțimea pilonului : 11m

2)Generatorul

Generator monofazat Honda 2501 HSB

Putere : 2 kW

Combustibil : benzină

Motor : GX160 Honda

Volum rezervor : 3.6 l

Greutate : 32 kg

3) Acumulatori energie electrică

Am utilizat 24 de baterii Pb-acid 2V/3000Ah, Hoppecke 24 OPzS 3000.

Acești acumulatori sunt pe bază de plumb

si pot furniza o tensiune de 2V de fiecare

acumulator, având capacitatea de 3000Ah.

Se folosesc legați în serie , fiind în

număr de 24 buc., având , la încărcarea

maximă tensiunea de 48 Vcc.

4)Convertorul are rolul de a transforma mărimile electrice din mărimi continue in mărimi alternative sau invers, adică poate fi redresor (c.a. – c.c) sau invertor (c.c – c.a.)

În cazul de față este necesar un convertor de 2 kW.

3.2 Schema electrică

3.3 Dimensionarea cablurilor

Dimensionarea , în general se face în funcție de :

– reglajul termic din amonte

– caderile de tensiune

– curentii de scurtcircuit

– stresul termic

Producerea unui scurtcircuit determină o creștere importantă de temperatură. Conductoarele și izolația cablului trebuie să reziste acesteia până în momentul declanșării protecției.

Pentru această rețea am folosit cabluri de cupru cu secțiunile de 2 mm pătrați la iluminare și 3 mm pătrați la prize pentru o siguranță sporită.

Cap 4. Programe de aplicație specifică.

4.1 Dimensionarea sistemului folosind programul Homer

Homer este un program care simplifică evaluarea și proiectarea sistemelor energetice atât conectate la rețea cât si izolate de aceasta.

Optimizarea foarte bună a algoritmilor de analiză a-i programului face posibilă evaluarea economică și tehnică a unui număr mare de tehnologii de energie regenerabilă.

În cazul de față îl folosim pentru a analiza din punct de vedere economic cât și tehnic beneficiul instalării sistemului eolian-diesel la o casă. În cadrul sistemului avem 1 generator eolian , 1 generator diesel și un grup de acumulatori. Vom verifica dacă acestea sunt suficiente pentru asigurarea energiei electrice in casă.

Pentru a face asta introducem în câmpul „Primary load”(sarcina) al programului diferite valori ale consumului în funcție de perioadele dintr-o zi astel încât suma consumurilor pe ore să fie de 11,8 kW pe zi.

De exemplu noaptea consumul este mai scăzut , pe când ziua și mai ales seara este mult mai mare, după cum se observă si din diagrama de mai sus.

Următorul pas îl reprezintă alegerea elementelor sistemului.

Începem cu alegerea turbinei eoliene, din baza de date a programului Homer.

Pe lângă alegerea turbinei se stabilește si prețul de achiziție, de reînlocuire în cazul defectării și de mentenanță(100$/an), cât si numărul de bucăți. De asemenea programul ne prezintă o caracteristică cantitate funcție de cost, pentru o alegere optimă.

În cazul de față am ales o turbina „Synergy S20000” cu puterea de 3 kW și care costă 6700$.

Aceasta prezintă o caracteristică de putere funcție de vânt și arată astfel:

Din acest grafic putem observa că turbina produce energie electrică numai dacă viteza vântului depășește 2m/s, puterea maximă atingând-o atunci când viteza vântului este de 10 m/s.

Următorul element pe care îl alegem este generatorul.Am ales un generator pe benzină. De asemenea trebuiesc introduse date privind prețul de achitiție, mentenanță ,număr de bucăți.

În câmpul “Sizes to consider” din fereastra de mai sus am introdus diferite valori ale puterii debitate de generator programul urmând să aleagă varianta optimă.

Următorul pas îl reprezintă alegerea bateriilor care trebuie făcută în funcție de proiectarea instalației. Am ales baterii de tipul Hoppeche 24 OpzS 3000, costul unei baterii fiind de 280 $, iar costul de întreținere de 4$.

De asemenea, în câmpul “Sizes to consider” introducem valorile din figura următoare, reprezentând numărul de baterii, programul urmând să aleagă numărul optim pentru instalație.

Baza de date a programului ne prezintă diverse informații despre aceste baterii :

curent de încărcare

tensiune

eficiență

caracteristica duratei de viață funcție de adâncimea de descărcare

caracteristica curbei sarcinii funcție de curentul de descărcare

Ultima componentă din sistem o reprezintă convertorul. Acesta are rol dublu , fiind și invertor și redresor.

În figura de mai sus am introdus prețul convertorului care este același si la instalare si la înlocuire (in cazul apariției unei defecțiuni), și anume 750$/kW.

Ca și la celelalte componente în câmpul „Sizes to consider” am introdus diverse valori ale sarcinii , pentru ca programul să o poată alege pe cea optimă. În urma optimizării programul a ales un convertor de 2 kW.

O ultimă etapă în definirea sistemului o reprezintă actualizarea datelor meteo și a prețului combustibilului. Se specifică viteza vântului si prețul pe un litru de benzină.

a) Viteza vântului: – viteza vântului depinde în mare parte de zonă.

Viteza exactă a vântului se măsoară cu anemometrul, un instrument special destinat acestei activități. În scopul evaluării resursei de energie eoliană din locul unde trebuie amplasată turbina, nu este de ajuns măsurarea o singură dată. Trebuie făcute măsurători continue pe perioade extinse, în toate cele patru anotimpuri.

În țara noastră una dintre zonele cele mai bune pentru captarea energiei eoliene este zona județului Cluj. În această regiune viteza vântului variază de la 3 la 6 m/s , viteză măsurată la distanța de 10-12 m deasupra solului. Aceste viteze ale vântului sunt întâlnite în hărțile meteo.

Am introdus diferte variații ale vântului în câmpul „Wind Speed” în funcție de lunile anului.

b) Combustibilul

Generatorul funcționează cu benzină.

În figura de mai jos ne este prezentată o caracteristică a randamentului generatorului.

De asemenea în cadrul programului se introduc mai multe valori ale prețului combustibilului datorită fluctuației pe piață.

După cum se observă în imaginea

alăturată am introdus 5 valori ale prețului

combustibilului.

După efectuarea calculelor programul a afișat următoarele rezultate:

În această fereastră programul ne prezintă diferite soluții în urma simulării circuitului. Așadar, primul rând din figură ne prezintă soluția optimă, adică cea cu cel mai mic cost total. Aici se folosesc toate elementele prezente în sistem ( turbină eoliană, generator pe benzină, convertor și baterii).

Putem observa că soluția optimă aleasă de program constă în ansamblul format din turbina eoliană Synergy S20000, generatorul pe benzină de 2 kW, 24 de baterii și un converter de 2 kW. Această alegere a fost făcută considerând viteza vântului de 4,3 m/s și prețul combustibilului de 0.3 $/L.

Pe al doilea rând din figură ne este prezentată o altă soluție (fară turbina eoliană) care este mai costisitoare datorită creșterii numărului de ore de funcționare a generatorului pe benzină.

Concluzia la care am ajuns în urma simulării este aceea că instalarea unei turbine eoliene într-o zonă în care prețul combustibilului și viteza vântului sunt ridicate este o alegere foarte bună.

Această concluzie reiese și din graficul „Optimal System Type”

La arhitectura optimă a sistemului simulat rezultă că numărul de baterii este suficient de mare, fiind posibilă acumularea aproape totală a energiei produse.

La câmpul “Excess electricity” valoarea afișată trebuie să fie cât mai apropiată de 0 pentru a nu se produce energie în exces și care să nu poată fi folosită. De asemenea la câmpul “Unmet electric load” valoarea afișată trebuie să fie 0 pentru ca sistemul de producere a energiei să nu fie subdimensionat( să nu poată face față consumului de energie).

O altă caracteristică prezentă in această figură o reprezintă procentajul de energie obținută de la turbina eoliană (92%) și de la generatorul pe benzină( 8%).

Rezultatele simulării pentru turbina Synergy S20000 sunt următoarele :

În această figură ne sunt prezentate mai multe detalii cu privire la funcționarea turbinei eoliene pe perioada de 1 an. Acestea sunt :

Capacitatea totală – valoarea cea mai inaltă obtinută fiind de 3 Kw

Capacitatea medie – valoarea medie a puterii obținute fiind de 0,652 kW

Capacitatea minimă – valoarea cea mai scăzută și anume 0 atunci când vântul are viteza sub 3 m/s

Capacitatea maxmă – valoarea ce se obține la viteza cea mai mare a vântului, aceasta fiind apropiată de capacitatea totală

Orele de funcționare – numărul este de 8760 de ore/an și reprezintă numărul de ore în care generatorul produce energie.

În figura următoare ne sunt prezentate caracteristicile generatorului pe benzină de 2kW 

Sunt afișate următoarele detalii :

Numărul orelor de funcționare a generatorului – 243h/an

Numărul de porniri ale generatorului – 4 porniri/an

Durata de viață a generatorului precizată de producător – aproximativ 20 de ani

Cantitatea de combustibil folosită de generator într-un an de zile (215 L/ an) cât si cantitatea necesară producerii unui kW( 0,454L/KWh).

De asemenea programul ne prezintă si caracteristicile bateriilor, acestea fiind afișate ăn figura următoare :

Aici ne sunt prezentate detalii despre durata de viață( 20 de ani) și autonomia bateriilor care este de 205 ore.

Cap 5. Evaluarea cost-investiție

În urma simulării cu programul Homer au fost afișate următoarele rezultate în privința costului total:

În figură sunt cuprinse mai multe câmpuri cu diferite valori. Astfel avem:

Capitalul inițial (investiția primară):

– turbina eoliană Synergy S20000 cu prețul de achiziție 6700$

– generatorul de curent monofazat Honda 2501 HSB

– 24 de baterii (280 $/buc x 24 buc =6720$)

– convertorul 1500$

În urma efectuării unui calcul observăm că valoarea capitalului inițial este de 15493$.

Costul O&M (operation and maintenance) reprezintă costul de operare si mentenanță a sistemului.

Costul de înlocuire variază deoarece apare numai atunci când una din componentele sistemului se defectează. Însă acest preț poate fi diferit de prețul de achiziționare al elementelor sistemului, deoarece se pot defecta numai unele componente ale elementelor sistemului, defecțiunea nefiind totală.

Costul total NPC (total net present cost) reprezintă costul total estimat pe durata de viață a sistemului și include capitalul inițial, costul de înlocuire, costul de operare și mentenanță, costul combustibilului, precum și penalizările primite în urma emisiilor poluante. De exemplu, la proiectul meu, cu o durată de viață de 50 de ani, costul se ridică la valoarea de 22894$.

Valoarea COE (cost of electricity) reprezintă valoarea unui kwh produs și depinde în mare măsură de costuri. Aceasta are valoarea de 0,435$/kWh

Prețul rezultat este destul de mare comparativ cu cel de la rețeaua de electrificare națională care este în jur de 0,175 $/kWh. Asta în cazul în care racordarea la o rețea electrică este posibilă.

Însă în cazul în care nu există nici o rețea electrică în apropiere este foarte eficientă folosirea acestui tip de energie regenerabilă.

În graficul de mai sus ne este prezentată dependența dintre distanța la care se află o rețea electrică( linia alabastră) și costul total estimat pe durata de viață a sistemului(linia portocalie).

Observăm aici că valoarea investiției este cu atât mai mare cu cât distanța față de liniile de electrificare este mai mare.

În concluzie investirea într-un sistem autonom energetic eolian-diesel este rentabil numai dacă imobilul este la o depărtare mare de o rețea de electricitate.

Cap 6. Bibliografie

1) Colin O'Hanlon, abstract of Frost & Sullivan's Global Hybrid Power Systems

Markets study.

2) Gary D. Burch: Hybrid Renewable Energy Systems, DOE Natural Gas /

Renewable Energy Workshops, August 21, 2001, Golden, .

3) J.J. Ding, J.S. Buckeridge: Design considerations for a sustainable hybrid energy

system.

4) http://www.pvresources.com/en/hybrid.php

5) Gipe, Paul Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm and Business. Pub.Chelsea Green Pub Co, 2004. ISBN: 1931498148.

6) The European Wind Energy Agency (http://www.ewea.org/)

7) A. Akbarzadeh, Fundamentals of Remote Area Power Supply Systems – A text

for tertiary students, , 1992

8) Martin Green, Photovoltaics Physics and Devices, in Solar Energy – The state of

the Art – ISES Position Papers, edited by Jeffrey Gordon, James& James Ltd.,

, 2001

9) Danish Wind Energy (http://www.windpower.org/);

10) Geerling Loois, Bernard van Hemert, Stand-Alone Photovoltaic Applications –

Lessons Learned, James & James, , 1999

11) http://www.lpelectric.ro/ro/applications/applications_cab_ro.html

http://curcubeu.ro/index.php?artid=43

http://www.lpelectric.ro/ro/systems/windsys/windsys_hybrid_ro.html

http://forum.softpedia.com/lofiversion/index.php/t186887-2600.html

http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/

http://www.romania-eoliene.ro/instalare.html (parti componente sistem eolian)

http://www.vint.ro/index.php?pag=hibrid_eoliandiesel (sistemeolian-diesel)

http://www.icpe-me.ro/images/docs/C291-HYBRID_formB_rom.pdf (generatoare eoliene)

http://www.ipacv.ro/projects/index.php?projects&so=national&view=24&descriere&lang=ro (casa autonoma)

Cap 6. Bibliografie

1) Colin O'Hanlon, abstract of Frost & Sullivan's Global Hybrid Power Systems

Markets study.

2) Gary D. Burch: Hybrid Renewable Energy Systems, DOE Natural Gas /

Renewable Energy Workshops, August 21, 2001, Golden, .

3) J.J. Ding, J.S. Buckeridge: Design considerations for a sustainable hybrid energy

system.

4) http://www.pvresources.com/en/hybrid.php

5) Gipe, Paul Wind Power: Renewable Energy for Home, Farm and Business. Pub.Chelsea Green Pub Co, 2004. ISBN: 1931498148.

6) The European Wind Energy Agency (http://www.ewea.org/)

7) A. Akbarzadeh, Fundamentals of Remote Area Power Supply Systems – A text

for tertiary students, , 1992

8) Martin Green, Photovoltaics Physics and Devices, in Solar Energy – The state of

the Art – ISES Position Papers, edited by Jeffrey Gordon, James& James Ltd.,

, 2001

9) Danish Wind Energy (http://www.windpower.org/);

10) Geerling Loois, Bernard van Hemert, Stand-Alone Photovoltaic Applications –

Lessons Learned, James & James, , 1999

11) http://www.lpelectric.ro/ro/applications/applications_cab_ro.html

http://curcubeu.ro/index.php?artid=43

http://www.lpelectric.ro/ro/systems/windsys/windsys_hybrid_ro.html

http://forum.softpedia.com/lofiversion/index.php/t186887-2600.html

http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/

http://www.romania-eoliene.ro/instalare.html (parti componente sistem eolian)

http://www.vint.ro/index.php?pag=hibrid_eoliandiesel (sistemeolian-diesel)

http://www.icpe-me.ro/images/docs/C291-HYBRID_formB_rom.pdf (generatoare eoliene)

http://www.ipacv.ro/projects/index.php?projects&so=national&view=24&descriere&lang=ro (casa autonoma)