Proiectarea Sistemelor Antiefractie Pentru Zonele Defavorizate Energetic
Cuprins
Cap.1.Introducere
Atunci când este în pericol atât viața oamenilor cât și bunurile pe care aceștia le dețin, se îndreptățește ca fiecare persoană să ia măsuri și să se informeze asupra unui sistem de protecție. Un sistem antiefracție este folositor deoarece protejează viața oamenilor dar și reduce riscul producerii unuor pagube materiale.
Orice sistem antiefracție functioneaza daca este alimentat cu energie electrică. Există zone unde energia electrică nu a pătruns in totalitate sau deloc insă acolo sunt proprietăți si persoane care trebuie protejate din calea răufăcătorilor.Aceste zone se găsesc in proportie covârșitoare în mediul rural. Din cauza lipsei energiei electrice aceste sisteme nu pot fi alimentate, implicit nu pot funcționa. Pentru a înlatura acest inconvenient se folosesc resurse de energie regenerabilă.
În zonele rurale există o diversitate de forme de energie regenerabilă care pot fi utilizate în alimentarea cu energie a acestor zone :
Biomasa este principalul combustibil rural, fiind folosit mai ales pentru încălzirea spațiului și a apei, precum și pentru gătit; biomasa acoperă circa 7% din cererea de energie primară și circa 50% din potențialul de resurse regenerabile al României;
Energia geotermală se poate utiliza pentru încălzirea spațiului și a apei;datorită amplasării, principalul potențial de folosire se află în zone rurale : locuinte, sere, acvacultură, pasteurizarea laptelui – în amplasamente aflate la distante de pâna la 35 km de locul de extragere;
Energia solară se poate utiliza în special pentru prepararea apei calde menajere, rezultând o reducere a consumului de combustibilii fosili utilizați la încălzirea apei;
Microhidrocentralele pot reprezenta o opțiune de bază pentru alimentarea zonelor rurale neconectate la rețele de energie electrică;
Generatoarele eoliene pot de asemenea acoperii necesarul de energie electrică din zonele rurale greu accesibile, neelectrificate.
La momentul actual, cele mai valorificate surse sunt : energia eoliană, energia solară, geotermală și cea de conversie a biomasei. Caracteristica pentru toate sursele enumerate este lipsa emisiei de CO2. Doar la arderea biomasei se elimină o cantitate de CO2 egală cu cea folosită de plante la creștere, înregistrându-se astfel o balanță finală nulă a emisiilor de CO2.
Cap.2.Noțiuni generale privind generarea energiei electrice
din resurse neconvenționale
2.1.Studiul actual și de perspectivă în producerea energiei electrice la nivel național și internațional
Politicile de modernizare și reînoire a tehnologiilor din diverse sectoare industriale devin azi din ce în ce mai importate. Un loc important este ocupat de optimizarea proceselor de producție a energiei electrice din surse regenerabile și de recuperare a resurselor energetice secundare din procesele tehnologice. Aceste deziderate pot fi atinse prin ansambluri de măsuri care conduc la o diminuare a consumurilor specifice de combustibil și căldură, reducând în final costurile energiei consumate în procesele industriale.
Energia bazată pe sisteme energetice regenerabile (SER) reprezintă calea cea mai ieftină și sigură de reducere a emisiilor de gaze poluante la producerea energiei electrice și termice.
De exempu o turbină eoliană de 600kW în condiții medi de vânt, care se caracterizează printr-un coeficient de utilizare al puterii instalate egale cu 0,3 , ar putea contribuii, pe parcursul duratei de viata de 20 de ani, la reducerea emisiilor de cu 20 -36 mi tone, produse în cazul unei centrale pe petrol sau cărbune.[1]
Problema principală a majoritații surselor de energie regenerabilă este caracterul fluctuant în care este generată energia electrică. În cazul în care aceste surse sînt integrate în rețeaua de distribuție, variațiile puterii generate vor introduce perturbații în funcționarea rețelei. Dacă puterea instalată a surselor de tip regenerabil este semnificativă în raport cu capacitatea rețelei electrice, perturbațiile introduse pot avea efecte negative asupra stabilității sistemului energetic.
Soluția utilizată la ora actuală pentru rezolvarea acestei probleme este aceea de a compensa variațiile de putere generate prin modificarea puterii altor surse prezente în sistemul energetic capabile de a răspunde rapid la solicitările de modificare a puterii.
2.2.Energia eoliană
Fig.1. Prezentare unei surse regenerabile de tip eoliană în funcțiune[19]
Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată din puterea vântului. La sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică. Deși încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea țărilor, producția energiei eoliene a crescut practic de zece ori între 1999 și 2013, ajungându-se ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ
Vânturile se formează datorită faptului că Soarele nu încălzeste Pamântul uniform, diferențele de temperatură creeând mișcări de aer. Energia cinetică din vânt poate fi folosită pentru a roti turbine ce antrenează dispozitive electromecanice , care sunt capabile de a genera electricitate. Există turbine ce pot produce 5 MW, însă aceastea necesită o viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, respectiv 20 de kilometri pe ora și doar puține zone pe pamânt au aceste viteze ale vântului disponibile. Este admis pe scară largă faptul că majoritatea turbinelor produc energie aproximativ 25% din timp, acest procent crescând iarna, când vânturile sunt mai puternice.
Avantaje
Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanțe poluante și gaze cu efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili.
Un alt avantaj major este faptul că nu se produc deșeuri.
Costul energiei electrice produse pe unitatea de energie, este redus.
Costurile energiei produse în centralele eoliene moderne a scăzut substanțial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare externalitățile negative inerente utilizării combustibililor clasici. În ultimii ani, prețul de producție pe unitate de energie electrică a scăzut drastic, ajungând, prin îmbunătățirea parametrilor tehnici ai turbinelor, la cifre de ordinul 3-4 eurocenți pe kilowatt oră.
Costuri reduse de scoatere din funcțiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din funcțiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcțiune, la capătul perioadei normale de funcționare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.
Dezavantaje
Principalele dezavantaje sunt :
resursa energetică relativ limitată.
inconstanta datorită variației vitezei vântului.
numărului redus de amplasamente posibile.
"poluarea vizuală" – adică, au o apariție neplăcută – și de asemenea produc "poluare sonoră" (sunt prea gălăgioase). De asemenea, se afirmă că turbinele afectează mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsari și necesitând terenuri mari virane pentru instalarea lor.
riscul mare de distrugere în cazul furtunilor, dacă viteza vântului depășeste limitele admise la proiectare. Oricât de mare ar fi limita admisă, întotdeauna există posibilitatea ca ea să fie depășită.
2.2.1.Turbinele eoliene cu viteză fixă
Fig.3. Reprezentarea schematică a unui generator eolian cu viteză fixă[19]
Montarea a două generatoare
Pentru viteze slabe ale vântului, se utilizează un generator de mică putere și număr mare de poli, iar pentru vânt puternic, se utilizează un generator de putere mare și număr de poli mai mic. Montajul poate fi utilizat atât cu mașini sincrone, cât și asincrone.
În cazul mașinilor sincrone clasice și asincrone cu rotorul în scurtcircuit, viteza de rotație depinde direct și strict de frecvența curenților ce parcurg înfășurările statorice.
Mașina asincronă cu rotorul în scurtcircuit, având un număr fix de perechi de poli, poate funcționa într-un domeniu retras de viteze: alunecarea este de ordinul a câtorva procente.
Funcționarea în mod autonom
Eolienele neconectate la rețea funcționează în mod autonom, alimentând sarcini izolate, ce au eventual, unul sau mai multe grupuri electrogene tampon. Pentru acest tip de configurație, utilizarea unui sistem de stocare prezintă un interes deosebit, mai ales în absența grupurilor electrogene, pentru situația când vântul este slab.
Utilizarea bateriilor de acumulatoare reprezintă o soluție pentru stocarea pe o durată mai mare. Există însă și alte sisteme de stocare, cum ar fi cel inerțial, pentru stocarea pe durate scurte. Acest tip de stocare evită utilizarea bateriilor de acumulatoare, care prezintă pentru mediu, un caracter poluant. Energia este stocată sub formă de energie cinetică a unui volant.
Generatorul poate fi o mașină sincronă cu magneți permanenți sau o mașină asincronă cu rotor în scurtcircuit, prevăzută neaparat cu condensatoare necesare asigurării energiei reactive, de magnetizare.
Fig.4. Schema generală a unei eoliene cu viteză fixă, în mod autonom[19]
Funcționarea în rețea
În cazul în care eoliana este conectată la rețea, viteza de rotație a mașinii asincrone trebuie să rămână practic constantă, apropiată de viteza de sincronism, pentru a asigura funcționarea stabilă a generatorului. Frecvența rețelei impune viteza de rotație a mașinii. Generatorul cu viteză fixă, conectat direct la rețea, trebuie neapărat prevăzut cu un multiplicator de viteză. Generatorul eolian funcționează la o anumită viteză de rotație, pentru un domeniu restrâns de viteze ale vântului. Din acest motiv, aplicațiile sunt limitate.
Conectarea la rețeaua electrică a unei eoliene cu o astfel de structură presupune două etape:
1. prima etapă constă în conectarea înfășurării statorice la rețea cu rezistente înseriate, pentru a se reduce curenții statorici tranzitorii. Pe durata acestei etape, palele turbinei sunt orientate astfel încât cuplul dezvoltat să fie nul.
2. După câteva secunde, rezistențele din circuitul statoric sunt scurcircuitate (eliminate), apoi sistemul de reglare comandă, orientează palele în scopul creșterii puterii.
Regimul tranzitoriu la conectare determină apariția unor curenți importanți, ce sunt limitați de către rezistente. Rezistențele pot fi înlocuite cu variatoare de tensiune alternativa (VTA), prin modificarea unghiului de comandă al tiristoarelor din structura variatorului reglându-se tensiunea de alimentare, astfel încât curentul să nu atingă valori periculoase pe durata etapei de conectare.
Fig.5. Schema de conectare directă la rețea a unei eoliene cu mașina asincronă cu rotor în scurtcircuit[19]
Mașina asincronă cu stator dublu
Această configurație oferă posibilitatea funcționarii eolienei cu două viteze.
Statorul este realizat din două bobinaje, care determină un număr variabil de poli și deci domenii diferite de viteză. Se pot impune două viteze de sincronism, prin schimbarea numărului de perechi de poli.
Pe de o parte, pe stator există un bobinaj de mică putere, dar care creează un număr mare de poli, care este utilizat la viteze mici ale vântului.
Puterea debitată în rețea este:
în care:
Ptr – puterea transmisă de generator în rețea;
m – cuplul electromagnetic;
Ωs – este viteza de sincronism
Ωs = ω/p
cu ω pulsația rețelei, iar p numărul de perechi de poli.
La viteze reduse ale vântului, puterea recuperată de eoliană este mică. De asemenea, datorită numărului mare de poli, și viteza de sincronism este mică, așa cum evidențiază relația de mai sus.Pe de altă parte, statorul mai este dotat cu o înfășurare de putere mai mare, dar cu număr mai mic de poli, care este utilizată atunci când viteza vântului este suficient de mare. La viteze mari ale vântului, puterea recuperată, ca și viteza turbinei sunt mai mari.
Fig. 6. Schema de conectare la rețea a unei eoliene mașina asincronă cu stator dublu[19]
2.2.2.Turbine eoliene cu viteza variabilă
Fig.7. Model de generator eolian cu viteză variabilă[19]
Pentru optimizarea puterii debitate în rețea, în funcție de viteza vântului, este de dorit ca să se poata regla viteza de rotație a eolienei. Ideea de bază este de a realiza un generator cu frecvență fixă, dar cu viteză variabilă. Generatorul cu viteză variabilă ar permite funcționarea pentru o gamă mult mai largă a vitezei vântului, deci recuperarea unei cantități mai mari din energia vântului, reducând în același timp zgomotul pe durata intervalelor cu vânt slab. În cazul eolienelor cu viteză variabilă, sistemul este reglat astfel încat, pentru fiecare viteză a vântului, eoliana să funcționeze la puterea maximă. Este ceea ce se numește Maximum Power Point Tracking (MPPT). Pentru o anumită viteză de rotație a eolienei, puterea maximă se obține în concordanță cu caracteristica eolienei P(Ω).
Fig. 8. Puterea în funcție de viteza de rotație a arborelui mașinii[19].
Sistemele eoliene cu viteză variabilă conectate la rețea, utilizează convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF) .
Convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF)
Prin modificarea vitezei, frecvența și amplitudinea tensiunii la iesirea generatorului sunt variabile. Pentru conectarea la rețea, energia electrică trebuie transformată și adusă la parametrii constanți ai rețelei. În acest scop se utilizează convertoare statice de tensiune și frecvență, interpuse între generator (sincron sau asincron) și rețea. Generatoarele astfel echipate pot suporta rafale ale vântului, reducând solicitările mecanice.
Lanțul de conversie va cuprinde:
generatorul;
convertorul static de tensiune și frecvență, compus din:
1.Convertor c.a.-c.c. (redresor) (1)
Se utilizează redresoare necomandate, cu diode, în cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirectionale. În cazul generatoarelor asincrone, se utilizează redresoare cu comandă în durată. Acestea pot furniza și energia reactivă necesară magnetizării;
2.Convertor c.c.-c.a. (invertor) (2)
Prin comanda acestuia, se poate regla frecvența și valoarea eficace a energiei, astfel încât să se poată realiza conectarea la rețea. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulație în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună (conținut mai redus de armonici).
Fig. 9. Schema unui convertor static de tensiune și frecvență[2]
Comanda acestor convertoare se realizează cu ajutorul unor sisteme de comandă bazate pe microprocesoare avansate.
Controlul transferului de putere între redresorul cu modulație în durată și invertor, se realizează prin controlul circuitului intermediar de c.c.. Acesta conține un condensator de valoare importantă, ce asigură atât filtrarea tensiunii, cât și caracterul de sursă de tensiune al circuitului intermediar.
Sisteme electrice cu viteză variabilă
Montarea a două generatoare
Pentru viteze slabe ale vântului, se utilizează un generator de mică putere și număr mare de poli, iar pentru vânt puternic, se utilizează un generator de putere mare și număr de poli mai mic. Montajul poate fi utilizat atât cu mașini sincrone, cât și asincrone.
Generator cu număr variabil de poli
Se poate modifica conectarea înfășurărilor statorice ale generatoarelor sincrone și asincrone, pentru a obține diferite numere de perechi de poli și deci, diferite viteze de rotație, în funcție de condițiile de vânt. Aceasta soluție se bazează pe expresia vitezei de sincronism Ωs:
Ωs = ω/p
în care ω este pulsația rețelei, iar p numărul de perechi de poli, care se modifică.
Soluția nu permite însă, decât modificarea în trepte, numărul de viteze fiind limitat.
În cazul generatoarelor asincrone, datorită alunecarii, există posibilitatea funcționarii acestora cu ușoare variații de viteză. Sunt posibile mai multe configurații:
mașina asincronă (MAS) și reostat în circuitul rotoric;
mașina asincronă cu dublă alimentare (MADA) și convertor dublu cu modulație în durată;
mașina asincronă cu rotor în scurtcircuit.
1. Mașina asincronă (MAS) și reostat în circuitul rotoric
Această soluție exploatează faptul că alunecarea s depinde de rezistența rotorică, evidențiată în schema echivalentă prin Rr / s. Prin adaugarea de rezistențe suplimentare în circuitul rotoric, se poate regla alunecarea, și deci viteza rotorului, în funcție de codițiile de vânt. În consecință, pulsația rotorică ωr este dată de :
în care ω este pulsația fixă a rețelei, iar s alunecarea. Pulsația rotorică se poate exprima și ca:
ωr = p׀ωs-ω ;
în care ωs este viteza de sincronism. Rezultă:
ω = ωs+ ωr/p
dacă s < 0.
Ex. Variația maximă a alunecării poate fi de 10 %, sau chiar mai mare.
Generatorul utilizat este MADA (Mașina Asincronă cu Dublă Alimentare), sau MAS cu rotor bobinat.
Schema de principiu a acestui tip de sistem este prezentată în figura de mai jos
Fig.10. Schema de conectare la rețea a unei eoliene cu mașina asincronă și reostat în circuitul rotoric[19]
2. Mașina asincronă cu dublă alimentare (MADA) – (Mașina asincronă cu rotor bobinat, asociată cu un convertor indirect de tensiune și frecvență cu modulație în durată (structura Scherbius) cu tranzistoare IGBT) Noțiunea de dublă alimentare se referă la faptul că statorul este conectat direct la rețea, iar rotorul este conectat la convertorul static de tensiune și frecvență.
Acest tip de structură se utilizează pentru eolienele de mare putere. Viteza de rotație se poate modifica într-o gamă destul de mare (de la simplu la dublu). Convertorul static de tensiune și frecvență este bidirecțional, putând asigura deci ambele sensuri de circulație a energiei în rotor. Prin comanda acestuia se realizează reglajul de viteză și controlul puterilor activă și reactivă vehiculate între mașină și rețea.
Fig. 11. Schema de reglare a vitezei și controlul puterilor active și reactive între mașină și rețea[19]
În principiu, viteza se reglează prin intermediul frecvenței de alimentare a înfășurărilor statorice. Bidirecționalitatea CSTF asigură funcționarea atât în zona hiposincronă (sub caracteristica mecanică naturală), cât și în cea hipersincronă (deasupra caracteristicii mecanice naturale) și controlul energiei reactive vehiculate cu rețeaua de distributie.
3. Mașina asincronă (MAS) cu rotor în scurtcircuit asociată cu un convertor static de tensiune și frecventă (CSTF) indirect.
Fig. 12. Schema unei MAS cu rotor în scurtcircuit asociată cu un CSTF[19]
În cazul generatoarelor sincrone, mașina sincronă (MS) cu multiplicator și convertor în stator.
Se poate renunța la multiplicatorul mecanic, dacă se utilizează un generator sincron cu număr mare de poli (turație mică de sincronism).
1. Mașina sincronă (MS) cu multiplicator și convertor în stator
În cazul mașinii sincrone, amplitudinea și frecvența tensiunii la borne, depind de viteză. Din acest motiv, conectarea la rețea trebuie să se realizeze prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență (CSTF) indirect, compus dintr-un redresor, un circuit intermediar de c.c. și un invertor.
Fig. 13. Schema unei MS cu multiplicator și convertor în stator
Sunt posibile două soluții, ambele referitoare la tehnologia de realizare a rotorului:
rotorul bobinat
rotorul cu magneți permanenți
Mașina sincronă cu rotorul bobinat
O mașina cu număr mare de poli (turație de sincronism redusă) implică un stator cu gabarit mare.
În această variantă, nu se mai utilizează multiplicatorul de viteză, dar mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă energia de c.a. de frecvență variabilă, generată de mașină în energie de c.a. cu tensiunea și frecvența rețelei de distributie.
Mașina sincronă cu rotor cu magneți permanenți
Rotorul este realizat cu magneți permanenți cu flux axial, rezultând o mașină compactă – Mașina Sincronă cu Magneți Permanenți (MSMP).
În această variantă, nu se mai utilizează multiplicatorul de viteză, dar mașina este conectată la rețea prin intermediul unui convertor static de tensiune și frecvență, care transformă energia de c.a. de frecvență variabilă, generată de mașină în energie de c.a. cu tensiunea și frecvența rețelei de distribuție.
Materialele cu magneți permanenți au fost îmbunatățite și ca urmare a rezultat o mai mare eficiență a generatoarelor cu magneți permanenți decât acea a generatoarelor cu câmp învârtitor. Fluxul de excitație este prevăzut cu magneți permanenți având capacitatea să funcționeze la temperaturi de peste 260oC. Aplicând o viteză ridicată generatorului cu magneți permanenți (PMG), magnetul se menține între temperaturile limită, având și posibilitatea de răcire a sistemului, identificarea pierderilor părăsite, menținerea și repararea componentelor, reglarea tensiunii și a frecvenței care va fi transformată în putere de curent alternativ (AC). În general trecerea de la un sistem de curent continuu (DC) la un sistem de curent alternativ (AC) are o eficiență de 95% la generatoarele cu magneți permanenți de mică putere.
Fig. 1 4. Schema generală a unei eoliene cu viteză variabilă cu magneți permanenți[19]
O eoliana cu viteză variabilă este caracterizată de patru faze de funcționare:
– Faza de pornire a mașinii. Producerea de energie electrică începe atunci când viteza mecanică atinge aproximativ 70% din viteza de sincronism a generatorului. Puterea electrică este însă mică.
– Faza de extragere a puterii maxime, sau faza MPPT (Maximum Power Point Tracking). În această zonă, viteza mecanică variază și poate atinge valori apropiate de viteză nominală. Puterea electrică crește rapid.
În această zonă, unghiul de orientare a palelor β rămane constant la valoarea minimă, pentru a putea obține valoarea maximă a coeficientului Cp. Se obține astfel puterea maximă, indiferent de valoarea vitezei mecanice, pentru viteze medii ale vântului (aproximativ 7-13 m/s).
– Faza vitezei mecanice cvasi-constante. Unghiul de orientare a palelor β se modifică pentru obținerea puterii electrice maxime, pentru diferite valori ale vitezei vântului. Este ceea ce se numeste 'pitch control'. Puterea electrică crește foarte repede, pană atinge valoarea nominală.
– Faza de putere constantă. În cazul în care viteza vântului crește în continuare, unghiul de orientate a palelor devine important, în scopul conservării puterii electrice constante, la valoarea nominală.
Din motive de siguranță, dacă viteza vântului devine prea mare și riscă să avarieze eoliana, unghiul de orientare a palelor este fixat la 90°. Este ceea ce se numește punerea în drapel, ce determină oprirea eolienei pană cand viteza vântului se reduce.
2.3.Energia solară
Energia solară se referă la o sursă de energie reînnoibilă care este direct produsă prin lumina și radiația solară. Aceasta poate fi folosită să:
• genereze electricitate prin celule solare (fotovoltaice)
• genereze electricitate prin centrale electrice termale
• genereze electricitate prin turnuri solare
• încalzească blocuri, direct
• încalzească blocuri, prin pompe de caldură
• încalzeasca blocuri, prin cuptoare solare
Producerea energiei electrice prin conversia fotovoltaică a energiei solare este cea mai atrăgatoare datorită avantajelor pe care le prezintă, în primul rând faptului că procesul este direct, fară verigi intermediare. Conversia fotovoltaică se poate realiza cu ajutorul dispozitivelor fotovoltaice cunoscute sub denumirea de celule solare. Prin montarea și conectarea în serie și în paralel a mai multor celule solare de același tip pe panouri fotovoltaice se realizează bateriile solare sau sisteme de conversie fotovoltaică a energiei solare. Puterea electrică a acestor baterii solare variazaă între 5 W și 200 W și uneori și până la 300 W. Bateria solară este "carămidă" de construcție a unui sistem fotovoltaic pentru a obține puterea dorită. Sistemul fotovoltaic mai dispune și de alte componente iar cele mai importante sunt acumulatorii și invertoarele. Energia produsă de bateriile solare este stocată în acumulatoare, iar de acolo este furnizată cu ajutorul unui invertor (convertor curent continuu –curent alternativ), utilizatorilor casnici la 220 V.
Vînzările mondiale de sisteme fotovoltaice au atins în 2006 mai mult de 2 GW, dupa care au crescut în mediu cu 30% pe an. Așadar, industria fotovoltaică a stabilit noi standarde, a patruns pe noi piețe și și-a demonstrat viabilitatea din punct de vedere economic. [9]
Conceptul de "energie solară" se referă la energia care este direct produsă prin transferul energiei luminoase radiată de Soare. Aceasta poate fi folosită ca să genereze energie electrică sau să încălzească aerul din interiorul unor clădiri.
Avantaje
Celulele fotovoltaice sunt fiabile, nu au piese în mișcare, și costurile cu funcționarea și întreținerea sunt scăzute. Funcționarea celulei fotovoltaice este silențioasă și nu poluează. Cantitatea de radiații care ajunge pe pământ este, bineânțeles, variabilă. Această cantitate depinde pe de o parte de variațiile regulate determinate de zile și ani cauzate de mișcarea aparentă a Soarelui cât și de variații aleatoare determinate de condițiile climatice (prezența norilor) precum și de compoziția generală a atmosferei. Din aceste motive, sistemele de conversie fotovoltaică se construiesc pe baza datelor provenite din măsurători realizate în apropierea zonei instalate.
Dezavantaje
Dezavantajul principal este că soarele nu oferă energie constantă în nici un loc de pe Pământ. În plus, datorită rotației Pământului în jurul axei sale, și deci a alternanței zi-noapte, lumina solară nu poate fi folosită la generarea electricității decât pentru un timp limitat în fiecare zi. O altă limitare a folosirii acestui tip de energie o reprezintă existența zilelor noroase, când potențialul de captare al energiei solare scade sensibil datorită ecranării Soarelui, limitând aplicațiile acestei forme de energie reînnoibilă.
Panourile solare produc energie electrică în medie 9h/zi (calculul se face pe minim; iarna ziua are 9 ore) Ziua timp de 9 ore aceste panouri solare produc energie electrică și în același timp înmagazinează energie în baterii pentru a fi folosită noaptea.[4]
2.3.1.Câteva aspecte tehnologice privind principalele tehnologii folosite în
producția de energie electrică fotovoltaică
Fig.15. Schema bloc a unei instalații fotovoltaice[5]
Fig 17.Principiul de funcționare al celulei fotovoltaice[5]
În figura 17 este prezentat principiul de funcționare a celulei solare, prin separarea purtătorilor de sarcină în joncțiunea p-n ia naștere o tensiune la bornele celulei și un curent printr-o rezistență de sarcină, astfel încât celula iluminată funcționează ca un generator de putere electric.
Ecuația caracteristici curent – tensiune a unei celule fotovoltaice:
-curent de diodă;-curentul de iluminare;-intensitatea curentului de saturație; U- tensiunea fotoelectrică (care se stabilește la bornele celulei, polarizând-o în sens direct) [V]; -tensiunea termică corespunzătoare temperaturii de funcționare a joncțiunii ;e-sarcina electronului[C];-constanta lui Boltzmann;T-temperatura absolută[].
Randamentul unei celule fotovoltaice se determină ca raportul dintre puterea generată de celulă la ieșire la o temperatură specificată și puterea radiației solare.
;S- aria suprafeței celulei sau modulului[];E- radiația globală incidentă pe suprafața celulei sau modulului, [W/];
Caracteristicile celulei fotovoltaice pentru diferite valori ale radiației solare sunt
prezentate în figura .16.
Fig.18.Caracteristicile celulei fotovoltaice a – la variația radiației solare; b – la variația temperaturii[6]
Cele mai utilizate materiale în construcția celulelor fotovoltaice sunt:
siliciu – în condiții de laborator s-au obținut celule din siliciu cristalin cu un randament de 13¸25% în dependență de suprafața celulei, iar în condiții de fabrică – 12¸14%.
Randamentul celulei din siliciu policristalin este de 17¸20% în condiții de laborator și 11¸13% în condiții de fabrică.
arseniura de galiu – atinge un randament de 23% putând funcționa la temperaturi mai ridicate decât siliciul, randamentul maxim fiind de 27%;
sulfura de cadmiu (CdS) -randament de 8%, randamentul teoretic fiind de 19%;
telura de cadmiu (CdTe) – cu randament de 7% și este teoretic materialul cu randamentul optim maxim – 28% limitat de tehnologia de fabricație;
germaniu (Ge);
fosfura de indiu (InP);
fosfura de galiu (GaP);
antimoniura de aluminiu (AlSb).
>>Cel mai utilizat și cu cele mai bune proprietăți este siliciu.<<
Fig.19.Randamentul celulelor fotovoltaice[5]
În prezent siliciul este cel mai utilizat material semiconductor pentru fabricarea celulelor solare, datorită abundenței materialului, tehnologiei perfecționate și întelegerii proceselor fizice care au loc în material și în celulele solare pe baza lui.
Randamentul de conversie a energiei solare pe baza de Si monocristalin în condiții de laborator a atins valoarea de 24%, costul lor este însă foarte ridicat. De aceea continua dezvoltarea producerii materialelor noi și elaborarea noilor tehnologii de fabricare a celulelor solare.
2.3.2.Potențialul fotovoltaic
În România s-au identificat cinci zone geografice (zona I – V), diferențiate în funcție de nivelul fluxului energetic solar măsurat. Distribuția geografică a potențialului energetic solar relevă că mai mult de jumatate din suprafața României beneficiază de un flux anual de energie cuprins între 1.000 kWh/- an și 1.300 kWh/- an, după cum reiese din tabelul 12.6.2.
Tabel 1.Distribuția geografică a potențialului energetic solar în România[5]
2.4.Energie geotermală (a Pământului)
Energia geotermală este o energie curată, nu este dependentă de condițiile climatice și poate fi exploatată pe plan local, fiind pusă la dispoziție oricând și oriunde, indiferent de vreme și climat. Este una din energiile regenerabile cu cel mai scăzut cost de investiție pentru reducerea gazelor cu efect de seră, comparabil cu alte resurse regenerabile.
Energia geotermală poate fi:
1. de înaltă temperatură (caracteristică zonelor vulcanice); pânzele de apa limitrofe ajungând la sute de grade, realizând o vaporizare parțială care se utilizează într-o centrală electrică. Accesul la pânza de apă este dificil.Uneori, adâncimea de foraj poate depasi 10.000 m;
2. de joasă temperatură, accesibilă în orice parte a globului. Temperatura scoarței terestre crește în adâncime cu 3°C la fiecare 100 m. Diferența de temperatura creată ar putea fi aplicată în termoficare prin recircularea fluidului în pompe de căldură, nu în producerea energiei electrice. Căldura solului poate fi utilizată de la adâncimi începând de la 1,2 m. La adâncimi mai mari de 1,8m solul are o temperatură constantă de 10°C. Acest potențial termic se valorifică cu ajutorul pompelor de căldură.[4]
Deși într-o prima etapă energia geotermală a fost folosită pentru încălzirea locuințelor în momentul de față oamenii scot energia din adâncurile pământului pentru a o folosi în centrale electrice. Prima centrală de acest tip, cu o putere mică, a fost construită în 1904 în orașul italian Larderello. În timp puterea instalată a centralei electrice a crescut, au fost adaugate agregate, și în zilele noastre puterea acestor centrale a ajuns la 360MW. În Noua Zelanda există așa o centrală electrică în regiunea Vairakei, puterea ei este de 160000 kW. La 120 km de San-Francisco în SUA produce energie o centrală geotermală cu puterea de 500000 kW.
2.4.1.Tipuri de Centrale Geotermale.
Există trei tipuri de centrale geotermale care sunt folosite la această dată pe glob pentru transformarea puterii apei geotermale în electricitate: ‘uscat’; ‘flash’ și ‘binar’, depinzând după starea fluidului: vapori sau lichid, sau după temperatura acestuia.
• Centralele ‘Uscate’ au fost primele tipuri de centrale construite, ele utilizează abur din izvorul geotermal.
• Centralele ‘Flash’ sunt cele mai răspândite centrale de azi. Ele folosesc apa la temperaturi de 360°F(182°C), injectând-o la presiuni înalte în echipamentul de la suprafață.
• Centralele cu ciclu binar diferă față de primele două, prin faptul că apa sau aburul din izvorul geotermal nu vine în contact cu turbina, respectiv generatorul electric. Apa folosită atinge temperaturi de până la 400° F(200°C).[12]
Din nefericire potențialul Romaniei în ceea ce privește surse de agent termic geotermal cu potențial de a fi folosit în producerea de energie electrică este mic.
2.5.Energia biomasei inclusiv a deseurilor organice
Produsele de prelucrare a biomasei permit generarea electroenergiei, de asemenea obținerea combustibilului pentru asigurarea mijloacelor de transport.
Pentru România soluționarea problemei creării surselor alternative energetice sigure necesită, în primul rînd, căutarea volumelor de biomasă regenerabilă de scară industrială, prelucrarea cărora permite obținerea cantității necesară de combustibil.
În acest context, cel mai de perspectivă pentru folosirea în calitate de substituient al combustibilului pentru motoare este bioetanolul.
Tehnologia de producere a bioetanolului și a biodieselului într-o oarecare măsură sunt analogice tehnologiilor de producere a alcoolului și a uleiului vegetal, diferențiindu-se prin faptul, că la producerea bioetanolului lipsește procesul de rafinare și se efectuiază dehidrarea pînă la concentrația de 99,6-99,8% alcool și se adaugă 1% de benzină cu stabilizator, iar din ulei se extrage glicerina.
În anul 2013 au fost recoltate aproximativ 2,8 mln. tone de produse cerealiere, între care 1,3 mln. tone grîu și 1,5 mln tone porumb, care se realizeză, conform datelor de la Bursa Universala de mărfuri, la prețul de 0,924 lei/kg grîu furajer și 1,1 lei/kg de porumb.
La prelucrarea complexă a porumbului dintr-o tonă de materie primă se poate obține 100kg germeni cu prețul de realizare 330 lei, 100kg de gluten cu prețul de realizare 400lei, 210 kg bioxid de carbon cu prețul de realizare 320 lei, 280 kg (350litri) bioetanol cu prețul de realizare de 2800 lei și 310 kg borhot uscat DDGS la prețul de realizarte de 310 lei, astfel în sumă avem 4160 lei.
Ținînd cont de obiectivele propuse în legea menționată mai sus pentru satisfacerea cerințelor de bioetanol în volum de 24 mii tone în anul 2014, este necesar de a prelucra aproximativ 80 mii tone de porumb, iar în 2020, cantitatea de porumb necesară va fi de 240mii tone.[3]
A.Biomasa
Biomasa este partea biodegradabilă a produselor, deșeurilor și reziduurilor din agricultură, inclusiv substanțele vegetale și animale, silvicultura și industriile conexe, precum și partea biodegradabilă a deșeurilor industriale și urbane. Biomasa reprezintă resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă. Aceasta include absolut toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Biomasa este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.
Energia înglobată în biomasă se eliberează prin metode variate, care însă, în cele din urmă, reprezintă procesul chimic de ardere (transformare chimică în prezent a oxigenului molecular, proces prin excelența exergonic).
Forme de valorificare energetică a biomasei (biocarburanți):
• Arderea directă cu generare de energie termică.
• Arderea prin piroliză, cu generare de singaz (CO + H).
• Fermentarea, cu generare de biogaz ( CH4 2 ) sau bioetanol (CH CH -OH)- în cazul fermentării produselor zaharați; biogazul se poate arde direct, iar bioetanolul, în amestec cu benzină, poate fi utilizat în motoarele cu combustie internă.
• Transformarea chimică a biomasei de tip ulei vegetal prin tratare cu un alcool
și generare de esteri, de exemplu metil esteri (biodiesel) și glicerol. În etapa următoare, biodieselul purificat se poate arde în motoarele diesel.
• Degradarea enzimatică a biomasei cu obținere de etanol sau biodiesel. Celuloza poate fi degradată enzimatic la monomerii săi, derivați glucidici, care pot fi ulterior fermentați la etanol. [2]
B.Biocarburanți
Biocarburanții sunt carburanții lichizi sau gazoși utilizați pentru transport, produși din biomasă. Lista produselor considerate biocarburanți cuprinde cel puțin urmatoarele:
a) bioetanol – etanol produs din biomasă și/sau fracția biodegradabilă a deseurilor,
în vederea utilizării ca biocarburant;
b) biodisel – ester metilic, de calitatea motorinei, produs din ulei vegetal sau animal, în vederea utilizării ca biocarburant;
c) biogaz – carburant gazos produs din biomasa și/sau din partea biodegradabilă a
deșeurilor, care poate fi purificat până ajunge la calitatea gazului natural, în vederea
utilizării ca biocarburant sau gaz de lemn;
d) biometanol – metanol extras din biomasă, în vederea utilizării ca biocarburant;
e) biodimetileter – dimetileter extras din biomasă, în vederea utilizării ca hiocarburant;
f) bio-eTbe (etil-tert-butil-eter) – ETBE produs pe bază de bioetanol.
Procentajul volumic de bio-ETBE, calculat ca biocarburant, este de 47%;
g) bio-MTbe (metil-tert-butil-eter) – carburant produs pe bază de biometanol. Procentajul volumic de bio-MTBE, calculat ca biocarburant, este de 36%;
h) biocarburanti sintetici – hidrocarburi sintetice sau amestecuri de hidrocarburi
sintetice, care au fost extrase din biomasă;
i) biohidrogen – hidrogen extras din biomasă și/sau din partea biodegradabilă a deșeurilor, în vederea utilizării ca biocarburant;
j) ulei vegetal pur – ulei produs din plante oleaginoase prin presare, extracție sau procedee comparabile, brut ori rafinat, dar nemodificat din punct de vedere chimic, în cazul în care utilizarea sa este compatibilă cu un tip de motor și cu cerințele corespunzatoare privind emisiile.[2]
C.Biodiesel
Biodieselul este un biocombustibil sintetic lichid care se obține din lipide naturale, ca uleiuri vegetale sau grasimi animale, noi sau folosite, prin procese industriale de esterificare și trans-esterificare. Se poate folosi în substituirea totală sau parțială a petrodieselului. Biodieselul poate să se amestece cu motorina care provine din rafinarea petrolului în diferite cantități. Se folosesc abrevieri potrivit procentajului de biodiesel din amestec: b100 în cazul folosirii de 100% biodiesel, sau notații ca B5, B15 sau B30 unde numărul indică procentajul de volum biodiesel din amestec.
Proprietăți.
Biodieselul se descrie ca un compus organic din acizi grași de lanț lung sau scurt.
Materii prime.
Sursa de ulei vegetal în mod normal este uleiul de rapiță care este o specie cu un înalt conținut de ulei și se adaptează bine la climele reci. Totuși există și alte varietăți cu randament mai mare cum ar fi palmierul de ulei, jatropha curcas etc. Deasemenea se pot folosi și uleiuri folosite (ex. Uleiul uzat la bucătărie) încazul lui materia este ieftină, în plus în acest mod se reciclează cea ce altfel ar fi fost reziduu. În plus există și alte materii prime din care se pot extrage ulei.[3]
În selva amazoniana sunt folosite ca materie primă: piñón, sacha inchi, mamona, și palmierul de ulei.
Procese industriale. În ziua de azi există diverse procese industriale cu ajutorul cărora se poate obține biodiesel. Cele mai împortante sunt:
1. Procesul bază-bază. Prin care se foloseste un catalizator, hidroxidul. Acest
hidroxid poate fi Hidroxid de sodiu (soda caustică) sau Hidroxid de potasiu.
2. Procesul acid-bază. Este procesul în care se face prima dată o esterificare
acidă si apoi continua cu procesul normal bază-bază, se folosesc în general acizi cu
un înalt grad de aciditate.
3. Procese supercritice. În acest proces nu este nevoie prezența unui catalizator, se
face la temperaturi înalte în care uleiul și alcolul reacționează fară necesitatea ca un
agent extern ca hidroxidul să acționeze în reacție.
4. Procese enzimatice. În ziua de azi se cercetează unele enzime care pot sa fie folosite ca acceleratori de reacție ulei-alcool. Acest proces nu se foloseste în actualitate datorită înaltului cost , cea ce impiedică să se producă biodiesel în mari cantitati. Creșterea prețului combustibililor convenționali îl face mai competitiv. Biogazul este termenul folosit pentru amestecul de gaze (metan, hidrogen și bioxid de carbon etc .) de origine biogena care iau naștere prin procesele de fermentație a diferitelor substante organice. Aceste gaze servind prin ardere ca sursă energetică (energie biogenă).
Pe teritoriul României sunt disponibile pentru utilizare urmatoarele surse de energie regenerabilă: biomasă, energia solară și eoliană, sursele cu potențial termic redus (inclusiv energia geotermală).
Anual în agricultură din România biomasa, care reprezintă principală SER se cultivă pe 1839,7 mii ha terenuri arabile, 153,6 mii ha vii și 141,5 mii ha livezi, ceea ce constituie 1,1-1,2mln. tone, sau 4,8 mln. MW/h. Produsele cerealiere cultivate constituie cca. 3,3 mln. tone.[6]
Concluzii
Tendințele de 6% în anul 2010 și 20% în anul 2020 sunt posibil de atins, dar este necesar de a continua acordarea sprijinului financiar producătorilor de culturi energetice, se impune scăderea costurilor de producție (tehnologii moderne producții mari , tehnologii de prelucrare complexă a materiei prime agricole), există necesitatea trecerii la producția de biocarburanți de generația II pentru utilizarea biomasei, utilizarea fondurilor structurale și de coeziune UE pentru investitii.
România dispune de un potențial important de resurse regenerabile: energie
hidroelectrică, biomasă, energie solară, eoliană și geotermală. Potențialul teoretic al surselor regenerabile de energie este prezentat în tabelul 1.. Potențialul utilizabil al acestor resurse este mult mai mic, datorită limitărilor tehnologice, eficienței economice și restrictiilor de mediu.
2.5.1. Diferite modele de instalatii de biogaz. Exemple realizate in Romania
2.5.1.1. Instalații mici (de 5 respectiv 10 m³)
Aceste instalații au cunoscut o largă răspândire mai ales în țările asiatice: India, Pakistan, Coreea, Filipine etc., dar și în România.
În România instalațiile mici de biogaz au cunoscut o evoluție rapidă după 1975. În Institutul de Cercetări Alimentare s-a brevetat o serie de instalații de biogaz care au trebuit să răspundă mai multor cerințe:
Să fie ieftine;
Să poată fi executate cât mai ușor;
Să corespundă condițiilor climaterice din România;
Să fie ușor de deservit și întreținut;
Să utilizeze, pe cât posibil, materiale existente local.
Proiectele tip ale acesor instalații au fost diseminate în teritoriu și, până în anul 1989, au fost realizate fizic peste 5000 instalații. Acolo unde a existat un interes din partea beneficiarilor, instalațiile au funcționat și pe timpul celor mai aspre ierni. Au fost și numeroase cazuri în care beneficiarii nu au manifestat nici un interes considerând că instalația le-a fost impusă, neglijând alimentarea ritmică a fermentatorului lăsat în paragină.
Acest tip de instalații nu au avut succes în Banat, Arad, Oradea, Satu Mare și în județele transilvane în care a existat rețea de distribuție a gazului metan. Au funcționat în schimb în județele Argeș, Olt, Bacău, Teleorman, Vaslui, Prahova, Dolj, Ilfov, Giurgiu, Covasna, Ciuc și alte câteva.
Statistic vorbind, instalațiile de 10 m s-au comportat mai bine decât cele de 5 m3 și aceasta exclusiv datorită condițiilor climaterice, deoarece fermentatoarele de 5m3 au un raport suprafață/volum mai defavorabil fapt care duce la pierderi mai mari de căldură. Din acest punct de vedere mai sunt posibile îmbunătățiri ale proiectelor acestor instalații pentru mărirea performanțelor lor. În condiții de funcționare normală, producția de biogaz a fost de 1,5 – 1,6 m3/zi la fermentatorul de 5 m3 și de 3,0 – 3,2 m3/zi la cel de 10 m3. În tabelul nr. 1 sunt prezentați principalii indicatori ai celor două capacități de instalații de biogaz:
Tabel nr.1[8]
Institutul Politehnic din Iași a conceput și proiectat o instalație de producere a biogazului prezentată în fig.18 Această instalație, realizată în câteva amplasamente din Moldova, constă dintr-un fermentator cilindric vertical, din beton armat, având un volum util de fermentare de 6 m3.
Figura .18. Instalație de biogaz concepută și proiectată de Institutul Politehnic din Iași[7]
2.5.1.2. Instalații de capacitate mijlocie
O instalație de biogaz cu volum de fermentare mai mic, în zone cu climă caldă, poate satisface multiple nevoi gospodărești în timp ce, în zonele cu climă mai rece, aceeași instalație poate asigura doar gătitul mâncării și – eventual – încălzitul parțial al locuinței.
În România, pentru acoperirea necesităților cerute de capacități mijlocii de biogaz au fost elaborate variante ale proiectelor prezentate anterior (5 și 10 m3) dar pentru capacități de fermentare de 25 și 50 m3.
Aspectul general al acestora și funcționalitatea este similară celor de capacitate mică. Deosebirea esențială constă în aceea că aceste instalații au fost prevăzute cu sistem de încălzire a substratului, fiind dotate cu câte o microcentrală termică și o rețea de circulație a apei calde în partea inferioară a fermentatorului.
Astfel, aceste instalații puteau lucra în regim mezofil fapt care a determinat creșterea producției specifice de la cca. 0,32 m3/m3.zi, caracteristică celor mici, la cca. 1,2 m3/m3.zi. Fiind amplasate în imediata apropiere a grajdului sau a locului de utilizare, microcentrala termică, sub forma unui boiler de apă caldă, funcționând pe biogaz, putea fi montată în aceste spații. În cazul acestor capacități mai mari, inelele prefabricate din beton, din care era construit fermentatorul, au fost realizate din două bucăți pentru a ușura transportul la locul de montaj. În tabelul nr. 2 sunt cuprinși indicatorii caracteristici ai acestor instalații de biogaz:
La ICA – București au fost proiectate două capacități de producere a biogazului de 100 respectiv 200 m3 volum util de fermentare. Ele au fost concepute în sistem compact, cu gazometrul și suflanta amplasate deasupra fermentatorului. Fermentatorul comunică direct cu gazometrul printr-un decupaj al planșeului, fără a mai fi necesară o conductă de transport.
Recuperarea căldurii se face printr-un sistem de registre umplute cu apă, care circulă între cele două cămine prin efectul de termosifon, transmițând căldura de la nămolul fermentat spre cel proaspăt. Instalațiile lucrează în regim mezofil. În fig. 3.11 este prezentat, în perspectivă și secțiune, acest tip de instalație. Principalii indicatori care caracterizează aceste instalații la, IMO = 3 kg/m3.zi, sunt redați în tabelul nr. 3
Fig. 20. Instalație de biogaz compactă, în flux orizontal, de capacitate medie (100 și 200 m³)[8]
Corpul fermentatorului
Gazometru
Cămin alimentare nămol proaspat
Cămin evacuare nămol fermentat
Registru cu apă pentru recuperarea căldurii
Conducte evacuare namol fermentat
Mufe de reglare a înălțimii preaplinului
Conductă aspirație biogaz din gazometru
Separator de condens și opritor de flacără
Suflantă pentru agitarea pneumatică a substratului prin recircularea biogazului
Ventile electromagnetice pentru dirijarea secvențială a biogazului refulat de suflantă
Conductă de biogaz spre utilizator
Fantă decupată în plafonul fermentatorului pentru comunicare cu gazometru
2.5.1.3.Instalații mari
Pentru capacități industriale au fost realizate proiecte cu volume de fermentare de 1400, 2000, și 3000 m3. În cele ce urmează voi face referire la instalația de 1400 m3, realizată la ferma de porci IOȘIA din Oradea precum și IAS Sascut (fermă de vaci). Ferma de porci de la Ioșia cu un efectiv de 10.000 capete a fost realizată, la solicitarea expresă a Prof. Dr. Ing. Vasile Nikolic, cu evacuarea mecanică a dejecțiilor. În fig.21 poate fi urmărită schema generală a acestei instalații.
Fig.21. Schema instalației de biogaz de la ferma Ioșia – Oradea[9]
Indicatorii principali ai instalației de biogaz de la ferma de porci din Ioșia sunt prezentați în tabelul nr.4:
Tabel nr.4[8]
Instalația de biogaz de 2000 m3 a fost realizată la ferma de vaci de la Santăul Mic, județul Bihor. Această fermă, aparținând de Întreprinderea de Industrie a Cărnii din Oradea avea o capacitate de 3000 capete bovine dar, pe parcursul funcționării instalației de biogaz, efectivul mediu prezent a fost de 1563 capete. Schema de funcționare a instalației de biogaz a fost asemănătoare cu cea de la ferma de porci de la Ioșia având în plus un grup generator de energie electrică de 50 kw care funcționa pe biogaz livrând în rețea energia electrică produsă și contribuind la ranforsarea autoconsumului termic al fermentatorului împreună cu centrala termică. În tabelul nr.3.5 sunt prezentați indicatorii înregistrați în perioada de 83 zile de urmărire efectivă de către colectivul de cercetare din ICA a funcționării instalației:
Tabel nr.5 Indicatorii măsurați la instalația de biogaz de la Santăul Mic, jud. Bihor[8]
CAP. 3. Proiectarea sistemelor antiefracție
3.1. Cadru legal
La data de 11.04.2012 , Parlamentul României aproba Normele Metodologice de aplicare a Legii 333 privind paza obiectivelor, bunurilor, valorilor și protecția persoanelor. Conducătorii unităților care dețin bunuri, valori și suporturi de stocare a documentelor, a datelor și informațiilor cu caracter secret de stat sunt obligați sa asigure paza, mijloacele mecano-fizice de protecție și sistemele de alarmare impotriva efractiei în locurile de păstrare, depozitare și manipulare a acestora, precum și în locurile unde se desfășoară activități care au un asemenea caracter.
Paza și protecția sunt activități desfășurate prin forte și mijloace specifice, în scopul asigurării siguranței obiectivelor, bunurilor și valorilor impotriva oricăror acțiuni ilicite care lezeaza dreptul de proprietate, existenta materială a acestora, precum și a protejării persoanelor impotriva oricăror acte ostile care le pot periclita viata, integritatea fizica sau sănătatea.
Paza și protecția se realizează prin forte și mijloace militare sau civile, de către instituțiile specializate ale autorităților administrației publice, sau în regim privat, de către proprietarii sau deținătorii obiectivelor, bunurilor sau valorilor, precum și de către societățile specializate de paza și protecție.[17]
3.2.Mijloace de protecție și de alarmare împotriva efracției
Elementele de protecție mecano-fizice încorporate imobilelor destinate păstrării, depozitarii și manipulării bunurilor și valorilor de orice fel trebuie sa fie certificate ca rezista la efracție, corespunzător gradului de siguranta impus de caracteristicile obiectivului pazit.
Prin elemente de protecție mecano-fizice se înțelege: ziduri, plase, blindaje, case de fier, seifuri, dulapuri metalice, tezaure, geamuri și folie de protecție, grilaje, usi și încuietori.
Prin sistem de alarmare împotriva efracției se înțelege ansamblul de echipamente electronice compus din: centrală de comandă și semnalizare optică și acustică, detectoare de prezență, antișoc și acustice, butoane și pedale de panică, control de acces și televiziune cu circuit închis cu posibilități de înregistrare și stocare a imaginilor și datelor, de natura sa asigure o protecție corespunzătoare obiectivelor și persoane.
3.2.1.Componentele unui sistem antiefracție
Sistemele de alarmare împotriva efracției se compun din unități centrale, sirene de avertizare, module de extensie, detectoare de prezență și echipamente auxiliare. În acest articol ne propunem să facem o descriere a principalelor componente ale unui sistem de avertizare la efracție. Sunt situații în care putem alege două sau mai multe tipuri de detectoare pentru aproape același efect cu avantaje și dezavantaje.
1. Panoul de control si comandă (centrala antiefracție): este creierul sistemului dumneavoastră de securitate. Acest panou inteligent determină starea detectoarelor, senzorilor și contactelor conectate la el. Mai mult, panoul poate activa diverse contacte în vederea declanșării sirenelor, aprinderii luminilor sau controlului altor echipamente din locuință ( aer conditionat, etc)
Panoul de control este prevazut cu transformator de alimetare a sistemului de securitate și cu baterie de rezervă în cazul în care tensiunea de alimentare este întreruptă ( accidental sau intenționat)
Unele panouri sunt prevazute cu așa numitul comunicator – circuit care permite conectarea panoului de alaramă la liniile telefonice sau rețeaua GSM, in vederea anunțarii la distantă a alarmelor. Centrala reprezintă echipamentul unde se centralizează toate informațiile venite de la detectorii sistemului și restul echipamentelor, pe baza acestor informații centrala decide starea de alarmare, declanșând alarma optică și/sau acustică, trimite mesaje către dispeceratul antiefracție sau către telefoane mobile dacă este cazul. Deasemenea centrala permite memorarea evenimentelor apărute (alarme, sabotaje, intrări, ieșiri, etc) pentru consultarea ulterioară.
2. Tastatura: Acest echipament constituie interfața între utilizator și sistemul antiefractie. De obicei tastaturile, prevazute cu LED-uri sau afisaje cu cristale lichide, arată starea sistemului, indicand zona aflată în alarmă, “istoricul” alarmelor apărute, diverse eventuale condiții de defect în sistem. Totodată, tastatura permite controlul sistemului antiefracție: introducerea codului de activare /dezactivare a sistemului de alarmă ( armare/dezarmare) si a programarii sistemului. De obicei la un panou de alarmare se pot cupla mai multe tastaturi ce pot fi instalate prin casă în scopul unei mai ușoare utilizari ,ex: una doua tastaturi instalate la intrarea/intrarile în casă pentru o activare/dezactivare a sistemului, atunci când veniți/parsiți clădirea și una în dormitor pentru activarea sistemului atunci cand vă culcați. Tastaturile sunt principalul punct de control al sistemului, permițând configurarea, armarea/dezarmarea, consultarea evenimentelor, vizualizarea informațiilor de stare a sistemului, etc. Tastaturile pot fi de tip LED, LCD sau mai nou TouchScreen.
3. Telecomenzi – în anumite cazuri dacă centrala antiefracție o permite se pot conecta și telecomenzi pentru armarea și dezarmarea mai simplă și de la distanță a sistemului sau ca și butoane de panică mobile. Se mai pot folosi și in cazul automatizărilor.
4. Sirene – există două tipuri de sirene folosite frecvent: de interior și exterior, fiecare poate fi dotată cu lampă de semnalizare luminoasă. Rolul principal este de alertare acustică și luminoasă în cazul unei tentative de efracție, sabotaj sau defecțiune majoră.
5. Acumulatori – se folosesc pentru menținerea sistemului de alarmă în stare de funcționare în cazul decuplării accidentale sau intenționate a alimentării cu energie electrică. Se poziționează de obicei în centrale, sirene sau în surse suplimentare de alimentare cu energie electrică a sistemului.
6. Comunicatoare – sunt folsite pentru transmiterea mesajelor către dispecerate de monitorizare sau telefoane mobile. În funcție de tipul comunicatorului transmiterea mesajelor se poate face prin linie telefonică terestră, GSM sau mai nou rețea de date/GPRS/internet.
7. Module – sunt foarte diversificate și se folosesc la extinderea sistemului de alarmă, printre cele mai folosite amintim modulele pentru extinderea zonelor sau a ieșirilor programabile.
8. Detectoare de prezență – acestea pot fi de exterior sau interior și sunt cu senzor de tip PIR, microunde sau combinații de acestea. Se folosesc pentru detectarea persoanelor care pătrund într-un anumit perimetru supravegheat. Acestea sunt cele mai folosite tipuri de detectoare pentru sistemele de alarmă deoarece asigură cel mai bun preț / dimensiunea spațiului supravegheat.
9. Contacte magnetice – se folosesc la geamuri și uși fiind formate din două părți, una mobilă și una fixă, partea fixă se instalează pe tocul geamului/ușii și partea mobilă pe geam/usă, când cele două părți se îndepărtează se declanșează alarma. Acestea sunt mult mai ieftine decât detectoarele de prezență dar au dezavantajul că în cazul în care se sparge doar geamul sau ușa fară a deschide și îndepărta partea mobilă de ceea fixă alarma nu se declanșează. De aceea este recomandat să se foloseasca în combinație cu detectorul de prezență sau doar acesta din urmă.
10. Detectoare de geam spart – sunt utilizate așa cum le spune și numele pentru a detecta spargerea unui geam.
11. Detectoare de șoc (vibrații) – sunt folosite cel mai adesea la seifuri și detectează unda de șoc care este produsă de o lovitură.
12. Pedale și butoane de panica – acestea sunt folosite cel mai des în casierii, ghișee și în locuri unde se lucrează cu publicul, generând o alarmă silențioasă la apăsare care este transmisă doar la dispeceratul de monitorizare.
13. Bariere cu infraroșu sau microunde – sunt formate din două parți, un emițator și un receptor care formează o rază invizibilă între cele două declanșând alarma dacă raza este întreruptă. Se folosesc cel mai des în exterior pentru a delimita un perimetru protejat.
14. Contacte magnetice: Aceste echipamente sunt de diferite forme, marimi si functiuni. Ele se instaleaza la ferestre, usi si in orice obiect care poate fi mutat.
Contactele magentice sunt formate din 2 componente: magentul care se instaleaza pe partea mobila a geamului sau usii si contactul trestie ( reed) propriuzis care se instaleaza in rama geamului sau usii.
Din punct de vedere al instalarii se pot deosebi doua tipuri de contacte: cu montaj ingropata in rama sau cu montaj aparent ( la suprafata ramei)
15. Cablurile – pentru sistemul antiefracție sunt concepute cabluri speciale cu diametrul secțiunii de minim 22mm și ecranaj pentru eliminarea interferențelor ce ar putea să apară din diferite motive.
3.2.1.1.Schema bloc a unui sistem antiefracție
[18]
3.2.2.Componentele unui sistem de supraveghere video
Principalele componente ale unui sistem de supraveghere video sunt echipamentele de înregistrare (DVR-urile) și camerele video. Pare simplu de proiectat dar nu este așa deoarece aceste două componente sunt de foarte multe tipuri, pe lângă acestea, sistemul se mai compune din convertoare, lentile, iluminatoare IR, surse de tensiune, etc. O să trecem în revistă cele mai folosite echipamente în sistemele de supraveghere video.
1. DVR-uri standalone sau tip PC – sunt echipamentele care procesează, stochează și controlează în mare parte sistemul de supraveghere video, acestea sunt de două tipuri standalone și tip PC.
2. Monitoare – sunt folosite pentru a afișa imaginile preluate de la camerele video și se aleg în funcție de tipul de ieșire a înregistratoarelor. Se pot folosi monitoare PC (LCD, CRT), televizoare sau mai nou orice monitor/tv care are intrare HDMI dacă DVR-ul este compatibil.
3. Camere video – sunt cele mai importante echipamente ale sistemului video fiind responsabile cu prelarea imaginilor prin intermediul obiectivului, transformarea acestora într-un semnal electric, analogic sau digital (IP) în funcție de cameră și transmiterea către DVR-uri. Camerele video sunt de foarte multe tipuri printre care amintim:
4. Lentile – se folosesc pentru a concentra sau diverge lumina și a forma imagini ale obiectelor. Se alege în funcție de mai mulți factori: distanța pănă la obiect, unghiul vizual, autoiris, autofocus, filtru IR, etc și neaparat de compatibilitatea cu camera video.
5. Iluminatoare IR – pentru vederea pe timp de noapte se folosesc iluminatoarele infraroșu, acestea emit lumină în spectrul IR (invizibilă ochiului uman) pe care o cameră video dotată cu filtru infraroșu o captează, efectul fiind redarea imaginilor alb/negru.
6. Carcase – sunt folosite la protejarea camerelor asigurând o temperatură constantă în cazul carcaselor cu termostat și impermeabilitate.
7. Convertoare și multiplexoare – la camerele analogice pentru a mări dinstanța de transmisie de la camerele video la DVR-uri se folosesc convertoare de la cablul coaxial la cablul UTP. Folosind aceste convertoare putem mări distanța pănă la 600 metri în cazul convertoarelor pasive si la distanțe de ordinul km în cazul celor active. Există si convertoare pentru fibră optică și cablu UTP pentru transmiterea mai multor canale video simultan pe distanțe foarte mari.
8. Surse de tensiune – la fel ca orice alt sistem antiefracție este necesar să echipăm sursele de tensiune cu acumulatori pentru a menține sistemul funcțional în cazul căderii tensiunii de la rețeaua publică, deasemenea este important să dimensionăm sursele de tensiune încât intensitatea curentului electric (amperajul) generat să depășească cel puțin cu 30% necesarul echipamentelor.
3.3. Criterii de proiectare a sistemelor antiefractie
3.3.1. Evaluarea de risc a obiectivului ce urmează a fi protejat
Inainte de a va concepe sistemul dumneavoastra de securitate, trebuie sa luati in considerare urmatoarele:
Estimati suprafata resedintei sau birourilor dumneavoastra (in metrii patrati).
Numarati “deschiderile” accesibile din intreaga zona pe care doriti sa o protejati (usi, ferestre, luminatoare, porti, sparturi in gard, etc)
Determinati punctele normale de intrare in viitoarea zona protejata (usi de intrare, usi de garaj si orice usa pe care intrati in mod normal in perimetru).
Faceti un plan pe hartie si insemnati TOATE punctele posibile – in mod rezonabil – de patrundere. (inclusiv peste garduri, etc)
Alegeti un loc ferit in care sa montati centrala antiefractie ( fie in pivinita, camari sau alt loc inaccesibil in mod normal).
Sistemul il veti putea concepe după modelul “muti-treapta”. Astfel, in cazul in care spargatorul trece printr-un mijloc de protectie , sa-l “intampine” alt echipament .
Incepeti prin a va proteja intrarile comune si naturale – in principal porti si/sau usi de intrare. Pentru acestea puteti utiliza contactele magentice.
Totusi, nu e bine sa aveți incredere intr-un singur mijloc de protectie ( pe langa faptul ca se poate defecta, el poate fi scos din uz in mod intentionat.) Dublati contactele magnetice cu detectoare de miscare, acolo unde stiti sau va asteptati sa aveti un trafic mai mare ( ex: holul care duce spre sufragerie sau dormitor)
Urmatorul nivel de securitate va trebui sa abordeze “deschiderile accesibile” cum ar fi usile si geamurile de la nivelul cel mai de jos.
Daca aveti zone usor de escaladat luati in considerare si zonele de la etaj, inclusiv deschiderile din acoperis ( mai ales daca locuinta este alipita de alte case vecine )
Un nivel bun de securitate presupune o anuntare cat mai timpurie – chiar anticipata – a evenimentului de efractie. De aceea, pentru zonele de la parter puteti monta detectoare de geam spart, astfel incat sa puteti fi anuntat inca din faza in care cineva ar incerca sa patrunda prin geam.
Barierele cu infrarosu constituie cel mai simplu mijloc de protejare a gardurilor, curtilor si chiar a peretilor, impotriva escaladarii acestora catre deschiderile din casa.
Dupa ce v-ati amplasat echipamentele antiefractie, verificati inca o data daca acestea “acopera” zonele in vederea unei protectii fara puncte slabe
3.3.2.Determinarea “zonelor” și “punctelor de protectie”.
Probabil ca ati sesizat ca una din principalele caracteristici ale unui panou antiefractie se refera la numarul de “zone” acceptate.
“Punctele de protectie” sau echipamentele individuale reprezinta locurile “punctuale” pe care dorim sa le protejam ( ex: usa de la intrare, geamul de la parter dinspre strada, usa de la pivnita, holul de la parter – protejat printtr-un detector de deplasare, etc). Unul sau mai multe “puncte de protectie” pot constituii o “zona de protectie”. De exemplu, puteti avea 3 contacte magentice la 3 geamuri ale dormitorului.
Aceste “puncte individuale de protectie” pot fi grupate pe o singura “zona” – numita dormitor. Fizic, acest lucru se face prin conectarea contactelor magentice, in paralel, pe acelasi circuit de protectie. Punctele de intrare/iesire – usile de acces – se cupleaza, de obicei, singure pe un singur circuit de protectie. La fel si detectoarele de miscare. Practic, numarul de zone acceptate de un panou de alarmare este dat de numarul de circuite de intrare ( sesizare alarme) cu care este prevazut. In schimb, numarul “punctelor individuale de protectie” poate fi mai mare decat numarul zonelor.
3.3.3: Alegerea sistemului antiefracție
Pasul 1: Alegerea centralei
Determinati numarul de puncte individuale si apoi grupati-le, astfel incat sa aveti eficienta maxima. Cu cat veti avea mai putine puncte individuale pe un circuit (zona), cu atat mai precis va fi sistemul dumneavoastra in indicarea locului in alarma.
Totusi, nu exgerati punand pe fiecare circuit cate un singur senzor sau detector, daca nu e cazul. Nu va ajuta prea mult sa detectati cu precizie faptul ca cineva a intrat in dormitor prin geamul din stanga sau prin cel din dreapta. Important este ca cineva a intrat in dormitor. Dar, va ajuta sa stiti daca cineva a intrat la parter prin usa principala sau cea de la gradina, din spate.
Dupa ce v-ati determinat zonele alegeti centrala care sa aiba cel putin acelasi numar de circuite de protectie cate “zone” v-ati definit.
Este bine sa aveti, suplimentar, unul sau doua circuite de protectie fata de numarul zonelor definite.
In plus, daca centrala permite si extinderea zonelor de protectie prin cuplarea radio a unor echipamente antiefractie – cu emitator – solutia ar putea fi mai buna. Nu se stie cand veti avea nevoie de o extindere si poate ca nu veti putea trage cabluri.
Alegeti un echipament bun, in general de marca. Nu va lasati “furat” de pret. Alarmele false, atat de frecvente la echipamentele ieftine va vor da mai multa bataie de cap decat va inchipuiti. Suportul tehnic este la fel de important.
Functiile de baza ale panoului ar trebui sa fie:
Armare/dezarmare generala – toate echipamentele. Atunci cand plecati de acasa
Armare/dezarmare partiala – sistemul activeaza/dezactiveaza doar echipamentele dintr-o anumita zona (ex: camera, birou, etaj, etc.)
Armare/dezarmare perimetrala – asemanatore cu cea descrisa mai sus, functia permite armarea echipamentelor aflate doar pe perimetrul cladirii, asigurandu-ne protectia si atunci cand ne aflam in casa.
Armarea cu “bypass” – functie ce permite armarea sistemului chiar daca una din zone (unul din puncte sau circuitul respectiv) este in stare de defect.
Armarea/dezarmarea cu intarziere – functie ce intarzie armarea si/sau dezarmarea sistemului pentru a permite utlizatorului sa acceseze tastatura montata chiar in zona protejata
Generarea unor alarme de atac – prin apasarea unor taste speciale aflate pe tastatura
Functie de producator sau tipul constructiv, pot exista si alte functii care sa faca sistemul adaptabil anumitor locuri sau anumitor conditii de montaj si functionare.
Pasul 2: Alegerea tastaturii. Marea majoritate a sistemelor utilizeaza tastaturi alfanumerice
(afiseaza litere si numere pe un ecran LCD).
Altele pot afisa icoane grafice si chiar si harti.
Este recomandabilsa aveti minimum o tastatura de acest gen. Daca doriti mai multe, puteti alege tastaturi cu LED-uri. Acestea din urma va indica zona alarmata, poate chiar si tipul alarmei dar nu va pot da atatea indicatii ca cele furnizate de tastaturile cu LCD. In schimb sunt mai ieftine. Pot fi utilizate cu succes pentru sistemele cu mai putin de 6 zone protejate, cantitatea de informatii neffind foarte mare.
Pasul 3: Conectarea la linia telefonica. Este mai mult decat recomandabil sa va conectati panoul de alarmate la linia telefonica fixa si dublată monitorizarea cu un communicator GSM.
Pe langa faptul ca sistemul poate fi monitorizat de la distanta sau va poate trimite alarmele pe telefonul mobil, firma instalatoare va poate si diagnositca sistemul, in caz de defect, si, de asmenea, vi-l poate programa cu costuri mai mici.Conectarea se face simplu, prin utilizarea unui cablu banal cu o cupla de telefon standard RJ45 la un capat, iar la celalat cu capete libere, prinse in conectorii corespunzatori ai panoului de alarmare.
Pasul 4: Instalarea sirenei/sirenelor. Puteti instala sirene atat pe interior cat si pe exterior (printr-un cablu cu 2 fire). Cele de exterior sunt ceva mai scumpe, rezista la intemperii si chiar la acte de vandalism (unele fiind prevazute si cu baterie interna de rezerva. Sirena se activeaza cand cineva taie conductorii de legatura cu panoul de alarmare sau cand se încearcă sabotarea sirenei prin injectarea cu spuma poliuretanică.)
Pasul 5: Instalarea contactelor magentice si a detectorilor.
Desi nu este o regula clara, va sugeram sa instalati contacte ingropate la usi si aparente la ramele ferestrelor ( montare simplificata pe rame mai subtiri). Functie de nivelul de amenintare, va puteti alege diferite tipuri de contacte magentice. Detectoarele de deplasare se instaleaza, in general, la o inaltime cuprisa intre 1.8 – 3m. Atentie, campul lor de actiune –standard – este un triunghi cu varful in detector ( el focalizeaza energia).
Unghiul de varf al triunghiului variaza, functie de tipul contrucitv , de la 5o la 80-120. De altfel, unghiul poate fi modificat prin schimbarea lentilelor de focalizare a energiei. Pentru celelalte tipuri de detectoare ( de geam spart, bariere) cititi cu atentie documentatie care le insoteste.
Capitolul 4. Studiu de caz
4.1.Proiectarea unui sistem de alimentare cu energie electrică și termică bazată pe potential de biogaz
Sursa de energie regenerabilă aleasă este biomasa și am proiectat un sistem de alimentare cu energie care să utilizeze BIOGAZUL pentru cogenerare. Sistemul de alimentare este pentru o fermă de tip agrozootehnic și o locuință în zona Argeșului dotată cu sistem de antiefracție pentru zona de depozitare a cerealelor și a utilajelor precum și în spațiul de odihna al animalelor.
Proiectul a fost finanțat în proporție de 88% de către Ministerul român pentru Protecția Mediului, în scopul creșterii eficienței energetice, promovarea surselor regenerabile de energie, reducerea impactului asupra mediului și reducerea intensității energetice primare cu 40% până în 2015, comparativ cu 2001. Restul de 12% a fost asigurat de către proprietarul fermei.
Valorificarea biogazului în această fermă a fost încercată cu scopul de a furniza suficientă energie electrică pentru asigurarea necesarului casei, fermei și pentru revânzare.
În cele ce urmează se va lua în considerare cazul unei familii clasice, de patru persoane, care locuiește într-o casă cu 4 camere, într-o zonă cu climă specifică zonei se Sud a județului Argeș.
4.2 Stabilirea potențialului fermei agricole
Ferma de tip agrozootehnic, dezvoltă culturi agricole pe 40 ha. pământ arabil, și are în exploatare zootehnică și industrială 110 vaci de lapte și 120 porci la îngrășat, 6 cai, 300 de găini ouătoare și numeroase deșeuri agricole ca paie, frunze verzi sau uscate, tulpini și lujeri de la zarzavaturile din grădină proprie precum și apa menajeră provenită de la cei patru locatari ai familiei și din pregătirea mâncării, poate conta pe următorul potențial de biogaz, evidențiat în tabelul nr. 4.1:
Pentru a putea calcula corect rețeta de amestec de materii prime trebuie ținut seama de următoarele:
Realizarea unui raport C/N cuprins între 15 – 25
Asigurarea unei umidități de cel puțin 90 % pentru amestec.
Ținând cont de faptul că se dispune de dejecții de porc, de vită, păsări, frunze verzi și paie uscate de grâu, se pot stabili următoarele valori C/N pentru aceste materii prime:
Dejecții de porc, C/N……………………………………13
Dejecții de vită, C/N…………………………………….25
Frunze verzi, C/N………………………………………..41
Paie de grâu, C/N………………………………………..87
Exemplu de calcul:
Resursa (dejecții) – Vaci de lapte = 110; Dejecții de vită, C/N = 25 ;
Cantitate pe cap (kg/zi) – 40;
Rezultă total = 40 x 90 = 4400 (kg/zi)
Produs de calcul = 4400 x 25 = 110.000
Făcând raportul dintre totalul ultimei coloane și totalul celei de a treia coloane se obține raportul C/N pentru întregul amestec: 129.034 / 5.511 = 23,41 = C/N, care este un raport bun pentru producerea biogazului (rețeta de amestec a materiilor prime este bună)
Observație:
În cazul în care raportul C/N avea o valoare mai mare de 25, amestecul nu era corect și pentru a-l corecta trebuia să măresc cantitatea de dejecții de porc față de cea a frunzelor și paielor, încercând o altă rețetă. Nu se poate corecta cu dejecțiile de vită, deoarece acestea au raportul situat chiar la limita superioară a raportului optim.
Luându-se în considerare efectul amestecului diferitelor dejecții de materii prime care, la rândul lui, potențează în mod semnificativ producția de biogaz, în medie cu cca. 10%, se poate conta deci pe o producție totală de biogaz, de
200 m3/zi x 1,1 = 220 m3/zi biogaz
Cantitatea de biogaz de mai sus reprezintă producția brută.
4.3Consum energie electrică și termică
Casa este utilată cu: combină frigider/congelator; aspirator; fierbător apă; cafetieră; fier de călcat; cuptor cu microunde; mașina de spălat rufe; prăjitor pâine; hotă; uscător par; încărcător baterii Ni-Cd; mașină găurit; ferăstrău circular; ferăstrău oscilant; combină stereo+CD 2×50 W; aparat radio; receptor TV satelit; televizor color 56 cm; recirculator ECS 10l/min HMT = 1,5 m; monitor calculator 17 inch; imprimantă jet cerneală; PC desktop, sistem antiefractie.
Tabel (4.3) de consum al produselor electrocasnice cele mai folosite
Tabel 4.4 Numărul echipamentelor și durata utilizării lor pe zi [20]
Tabel 4.5 Numărul echipamentelor sistemului antiefractie și durata utilizării lor pe zi
Tabel 4.6 Calculul energetic al sistemului antiefracție
Capacitatea acumulatorului = Iveghe A x 23,5 h + Ialarmă A x 0,5 h =
= 0,277 A x 23,5 h + 0,828A x 0,5 h =
= 6,5 Ah + 0,4139Ah = 6,9139 Ah
NOTA: Modulul GPRS consuma 1000 mA timp de aproximativ 1 secunda pentru fiecare emisie; la o medie de 10 emisii pentru cele 30 de minute de alarmă va consuma estimativ urmatorul curent:
40mA[veghe]+1000mAx(1/3600)x10emisii=40mA+2,78mA=42,78mA
Pentru asigurarea unei autonomii de aproximativ 24 ore din care 30 minute în stare de alarmă se impune utilizarea unui acumulator cu capacitatea mai mare de 6,9139 Ah.
Prin cei doi acumulatori de 7,2 Ah existenti, un acumulator aflandu-se in centrala de alarma, iar al doilea in sirena de exterior autonomia energetica a sistemului este asigurată. Sirena de exterior are prevazut un acumulator de 7,2 Ah propriu.
În urma calculelor reiese ca avem nevoie 14,21kW pentru satisfacerea nevoilor de energie electrica a fermei
4.4 Stabilirea necesarului de BIOGAZ pentru energie termică și electrică
Această familie clasică (de 4 persoane) are nevoie de biogaz pentru satisfacerea următoarelor cerințe, enumerate în ordinea priorității lor:
Energie termică pentru prepararea hranei;
Energie termică pentru încălzirea apei menajere;
Energie termică pentru încălzirea locuinței;
Energie electrică pentru nevoile casnice.
După cum am precizat și puțin mai devreme, familia locuiește într-o casă cu 4 camere, într-o zonă cu climă temperată. Prin extrapolare, vor trebui calculate necesitățile, termică și electrică pentru asigurarea unui confort maxim.
4.4.1 Necesarul de energie termică pentru prepararea hranei
Pentru cazul considerat este suficientă o mașină de gătit cu patru ochiuri. Aceste ochiuri vor fi utilizate astfel:
La micul dejun vor arde două ochiuri timp de câte o jumătate de oră fiecare.
2 ochiuri * 30 min.= 1h
La prepararea prânzului vor arde patru ochiuri, în medie câte trei sferturi de oră fiecare.
4 ochiuri * 45 min.= 3h
La prepararea cinei vor arde două ochiuri, câte o jumătate de oră fiecare.
2 ochiuri * 30 min.= 1h
Eventual și cuptorul va fi utilizat zilnic câte 45 minute.
Însumând duratele de mai sus rezultă:
Cinci ore de ardere a gazului la un ochi;
45 minute de ardere a gazului la cuptor.
Un ochi consumă, în medie, 200 l gaz pe oră. Pentru cinci ore de ardere va fi nevoie de 1000 l biogaz, respectiv 1 m3.
Cuptorul consumă, în medie, 480 l gaz pe oră. În 45 minute va avea nevoie de 360 l biogaz.
Rezultă că pentru gătit necesarul acestei familii este de 1,36 m3/zi biogaz.
Pentru un calcul mai generalizat se pot utiliza datele următoare care arată necesarul de biogaz pentru gătit în funcție de numărul de persoane :
1 persoană ……………………………………………..0,4 – 0, 45 m3/zi
2 persoane………………………………………………0,35 – 0,4 m3/zi și persoană
3-4 persoane……………………………………………0,33 – 0,35 m3/zi și persoană
5-6 persoane……………………………………………0,3 – 0,33 m3/zi și persoană
7-10 persoane………………………………………….0,25 – 0,3 m3/zi și persoană
Se observă cum scade consumul specific de gaz pentru o persoană atunci când numărul acestora crește, ceea ce este logic.
4.4.2 Necesarul de energie termică pentru încălzirea apei menajere
În tabelul nr. 4.7 este specificat necesarul de biogaz pentru încălzirea apei menajere.
În exemplul considerat va fi nevoie de încă 1,9 m3 biogaz la încălzirea apei menajere pe ochiul mașinii de gătit sau de 2,3 m3 biogaz în cazul utilizării unui boiler.
4.4.3 Necesarul de energie termică pentru încălzirea locuinței
Pentru încălzirea locuinței, desigur în perioada friguroasă, necesarul de biogaz este redat în tabelul nr. 4.8, diferențiat pe trei moduri de realizare a izolației termice a locuinței
Tabel nr. 4.8
În cazul locuinței considerate, de 4 camere, cu o suprafață totală de 75 m2 și un volum total de încălzit de cca. 200 m3, necesarul de biogaz, pentru 10 ore de încălzire, va fi, în medie, de :
200 m3 x 0,23 m3/m3 = 46 m3 pentru o locuință bine izolată termic
200 m3 x 0,25 m3/m3 = 50 m3 pentru o locuință cu izolație termică medie
200 m3 x 0,37 m3/m3 = 74 m3 pentru o locuință slab izolată termic
Considerând locuința slab izolată termic, rezultă următorul potențial de biogaz:
1,36 m3/zi + 2,3 m3/zi + 74 m3/zi = 77,66 m3/zi
4.4.4 Necesarul de energie electrică
În cazul exemplului considerat necesarul de energie electrică poate fi și el diferențiat în funcție de gradul de confort dorit care, la rândul lui, determină felul și numărul consumatorilor de energie electrică.
Ținând cont de faptul că, din 50 m³ de biogaz se obțin aprox. 30kW, rezultă că pentru 14,21 kW de cât este nevoie pentru necesarul de energie electrică, sunt necesari 24 m³ de biogaz.
Energia electrică reprezintă doar un sfert din energia adusă de biogaz și cca. o treime din energia totală produsă. Cei 24 m3 de biogaz necesari se vor împărți deci astfel:
6 m3 biogaz pentru energie electrică;
18 m3 biogaz pentru energie termică;
6 m3 biogaz pierderi.
Cum energia termică recuperată de la convertor este sub formă de apă caldă, aceasta poate fi utilizată foarte bine fie la încălzirea locuinței fie la prepararea apei menajere.
În final, calculul necesarului de biogaz pentru asigurarea unui confort maxim în cazul considerat va arăta astfel:
Biogaz pentru gătit……………………………………………..1,36 m3/zi
Biogaz pentru apă caldă menajeră…………………………2,3 m3/zi
Biogaz pentru încălzirea locuinței……………………….74,0 m3/zi
Biogaz pentru energie electrică…………………………..24,0 m3/zi
Total………………………………………………. 101,66 m3/zi
Se scade echivalentul energiei termice recuperate…18,0 m3/zi
Total necesar net 83,66 m3/zi
Se observă că, față de necesarul total de biogaz (101,66 m3/zi), pentru satisfacerea unui confort maxim, în exemplul considerat, consumurile energetice parțiale sunt repartizate astfel :
Pentru gătit…………………………………………………….1,85 %
Pentru apa caldă menajeră……………………………… 3,12 %
Pentru încălzirea locuinței……………………………..62,45 %
Pentru energie electrică…………………………………32,58 %
Total 100,00 %
Dacă se operează scăderea din necesarul de biogaz pentru încălzirea locuinței, a celor 18 m3/zi, corespunzătoare energiei termice recuperate de la convertor, rămân 74 – 18 = 56 m3/zi biogaz care va fi solicitat instalației de producere a biogazului iar tabloul distribuției energetice, față de noul total de 83,66 m3/zi, va arăta astfel:
Pentru gătit…………………………………………………….2,44 %
Pentru apa caldă menajeră……………………………… 4,13 %
Pentru încălzirea locuinței……………………………..50,31 %
Pentru energie electrică…………………………………43,12 %
Total 100,00 %
Observații:
Cei 200m³ de biogaz (volum util de fermentare) se împart astfel:
25% → energie electrică
65% → energie termică
10% → pierderi
=> η = 90% (Eel, Eth.) + 10% pierderi
Astfel pentru 200m³ de biogaz, vom avea următoarele rezultate:
Eel.= 25% · 200 = 50m³/zi biogaz;
Eth.= 65% · 200 = 130m³/zi biogaz;
Pierderi = 10% · 200 = 20m³/zi biogaz.
Se observă că producția de biogaz depășește cu mult necesarul BIOGAZ pentru energie termică și electrică. Scopul este de a furniza suficientă energie electrică și termică atât pentru asigurarea necesarului casei și fermei cât și pentru revânzare.
Surplus de energie electrică:
Surplus Eel. = 50 – 24 = 26 m³/zi biogaz
Surplus de energie termică:
Surplus Eth. = 130 – 77,66 = 52,34 m³/zi biogaz
Surplusul de energie electrică de 26 m³ de biogaz, va fi distribuit către rețeaua publică.
Din surplusul de energie termică, atât iarna cât și vara, un procent de 25-30% va fi necesar pentru fermentator.
Iarna considerăm că acest excedent se folosește integral.
Pe timpul verii, când nu va fi nevoie de încălzirea locuinței, va rămâne un surplus mult mai mare de energie termică. Vara, acest excedent va fi utilizat, rațional, pentru uscarea cerealelor din fermă.
4.5Determinarea parametrilor sistemului
4.5.1 Stabilirea schemei generale
Fig.22. Exemplu aplicativ de stație de biogaz pentru ferma[14]
4.5.2 Criterii de alegere și dimensionare a instalației de biogaz
Instalația am ales-o în funcție de consumul energetic și termic pe an și de cererea de energie electrică pentru vânzare. Am ales un sistem a cărui producție este mai mare decât consumul estimat.
Deoarece consumul total maxim (energie electrică + energie termică), pentru confort maxim, este de aproximativ 83,66 m³/zi de biogaz, iar cererea de energie spre vânzare transformată în biogaz este de aprox. 25 m³/zi, am ales o instalație de biogaz proiectată de ICA – București , în flux orizontal, de capacitate medie de 200 m³ volum util de fermentare.
Tabel 4.9 Alegerea instalației
La un conținut de SU = 10% și un timp de retenție TRH = 22 zile, corespunde o încărcare masică organică IMO = 3,2 kg/m3.zi.
În aceste condiții volumul util de fermentare va fi:
Vu = MSO / IMO = 495,99/ 3,2 = 154,99 rotund 155 m3
Admițând că densitatea substratului este d = 1000 kg/m3, masa totală de substrat din fermentator va fi:
MF = 1000 x MSO / IMO = 1000 x 495,99 / 3,2 = 154996,87 rotund 155.000 kg
Rata zilnică de alimentare a fermentatorului cu substratul integral va fi:
M2 = MF / TRH = 155.000 / 22 = 7.045 kg/zi
Diferența dintre M1 și M2, de 7045 – 5511 = 1534 kg/zi va fi completată cu 327 litri apă. Conținutul procentual final de substanță uscată, după diluție, va fi:
SUf = 100 x MSU / M2 = 100 x 551,1 / 7.045 = 7,82 %
Deci fermentatorul, având un volum util de 155 m3, va trebui să asigure o producție de biogaz de 200 m3/zi, adică o producție specifică, raportată la volumul util de fermentare, de 1,29 m3/m3.zi, ceea ce, în condiții mezofile de fermentare, este pe deplin posibil.
4.5.4 Stabilirea soluției pentru grupul mașină termică-generator electric
Știm că 200 m³ de biogaz este echivalentul a 4.294.400 KJ și că energia termică reprezintă 65% din total biogaz. Din cercetările făcute de specialiști rezultă că: 3611 KJ = 1 KWh. Astfel :
Eth.= 4.294.400 (KJ) ∙ 0,65 = 2.791.360 KJ
Eth.= 2.791.360 (KJ) : 3611 (KJ) x 1 kWh = 773,02 KWh
Dacă este nevoie de 20 ore de funcționare, atunci puterea necesară motorului termic, va fi:
Pmec.= 773,02 (KWh) : 20 (h) = 38,65 KW ~ 39 KW (puterea necesara motorului termic)
Observație: 1KW = 1,36 CP → 1 CP = 0.736 kW = 736 W
Motorul are drept combustibil – biogaz. Alegerea tipului de motor de antrenare (motor termic sau turbină) s-a făcut în primul rând în funcție de raportul dintre energia termică și electrică produsă prin cogenerare. Am ales un motor termic de 53 CP, cu aprindere prin scântei. Aprinderea este realizată electronic.
În figura de mai jos este prezentată schema bloc a instalației de cogenerare cu motor termic.
Figura 24 Instalație tip Tecogen [15]
4.5.5 Alegerea generatorului electric
Qb = Energie termică a 1m³ de biogaz (KJ/m³)
1 KWh → 3611 KJ
Qb = 1 Nm³ biogaz → 5.137 Kcal → 21.472 KJ/m³
Aceste valori reies din calculele și cercetările specialiștilor în domeniu.
Astfel, pentru 200 m³ de biogaz, va rezulta un total de:
200 (m³) · 21.472 (KJ/m³) = 4.294.400 KJ
Energia electrică reprezintă, după cum am precizat anterior, 25% din biogaz:
4.294.400 (KJ) · 0,25 = 1.073.600 KJ
Dacă transformăm energia în KWh, vom avea:
1.073.600 (KJ) : 3611 (KJ) = 297,31 KWh
Se presupune că generatorul funcționează 20 ore pe zi. Astfel puterea medie va fi:
297,31 (KWh) : 20 h = 14,86 KW ~ 15 KW (avem nevoie de un generator cu o putere de 15 KW)
Energia termică, cu un procent de 65% din biogaz, va fi:
4.294.400 (KJ) · 0,65 = 2.791.360 KJ
Din totalul energiei produse din 200 m³ de biogaz :
– 30% va fi necesară pentru încălzirea fermentatorului
4.294.400 (KJ) · 0,3 = 1.288.320 KJ
– 35 % pentru nevoi casnice
4.294.400 (KJ) · 0,35 = 1.503.040 KJ
Vom avea și acele pierderi, în proporție de 10% :
4.294.400 (KJ) · 0,1 = 429.440 KJ
Pentru a satisface necesarul de energie electrică și termică produse simultan, am ales o unitate de cogenerare, pe biogaz. Ținând cont că se utilizează biogazul, unitatea CHP este potrivită pentru fermă. Echipamentele de cogenerare sunt fabricate în funcție de energia electrică produsă.
Generatoarele asincrone încep să fie utilizate, din ce în ce mai mult, și în cadrul sistemelor de cogenerare. Aceste mașini electrice sunt mai simple, mai robuste, mai economice și mai bine adaptate la porniri repetate. Mai mult conectarea lor la rețea este deosebit de ușoară și se poate face în sarcină.
Fig.25 Mașină asincronă cu rotor în scurtcircuit de medie putere[15]
Concluzii
Energiile regenerabile prezintă avantaje pentru mediul mondial și pentru combaterea poluării locale în țările dezvoltate ca SUA, Germania, Austria, Italia etc. Un exemplu este planul de dezvoltare a resurselor regenerabile întocmit de Comisia Europeană, care prevede ca până în 2015 cel puțin 20% din necesarul de energie al Uniunii Europene să fie produs din surse regenerabile. Obiectivul principal al folosirii energiilor regenerabile îl reprezintă reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră.
În lucrarea de față, pe parcursul celor 4 capitole, s-a încercat atingerea mai multor puncte distincte ale acestei teme, ale căror concluzii sunt prezentate în continuare.
În capitolul 2 se prezintă stadiul surselor regenerabile pe plan mondial și se face referire în detaliu pe parcursul celorlalte capitole, a uneia din sursele regenerabile, și anume – biomasa. Mai aflăm din acest capitol că sursele regenerabile reprezintă un procent de aproximativ 13,8%, față de cărbune care reprezintă 23,5%, petrol 34,8%, gaz 21,1% și nuclear 6,8%, ceea ce se constată că nu folosim îndeajuns energie regenerabilă.
Calculele specialiștilor arată că din toate zăcămintele de cărbuni de pe pământ, în fiecare an, se degajă circa 22,4 milioane de tone de metan, gaz cu un efect de seră de peste 22 de ori mai mare decât efectul dioxidului de carbon. Și acest proces reprezintă un mare pericol pentru viața de pe planetă. Soluția ar fi, captarea acestui biogaz și utilizarea lui în folosul omenirii.
Capitolul 3 face referire la „Legea 333” ce stabilește proceduri de proiectare a sistemelor de securitate În cadrul aceluiași capitol se trec in revista principalele componente ale sistemelor antiefracție si metodele de alegere ale acestora funcție de tipul locației ce se vrea a se securiza. În Capitolul 4 este proiectat un sistem de alimentare cu energie electrică și termică bazat pe potențial de biogaz. Această instalație este amplasată în cadrul unei ferme, situată în Argeș, intr-o zona neelectrificata. Ferma este „selecționată” pentru a demonstra eficiența proiectului de digestie anaerobă a deșeurilor animale, urmată de valorificarea într-un motor a biogazului astfel obținut prin cogenerare.
Proiectul a fost finanțat în proporție de 88% de către Ministerul Român pentru Protecția Mediului. Restul de 12% a fost asigurat de către proprietarul fermei pentru care a fost realizat proiectul prin cofinanțare. Exploatarea de biogaz este proiectată pentru toata cantitatea de resurse disponibile la fermă și întregul sistem este monitorizat și automatizat cu aplicația Citec SCADA. Reziduurile provenite de la animale sunt tratate prin fermentare anaerobă într-un digestoar de 200m3 volum util. Biogazul produs este convertit, în întregime, în energie electrică și căldură, prin intermediul unui motor termic de 39 kW. Energia electrică în exces este revândută către rețeaua publică. Debitul zilnic de biogaz produs este în jurul valorii de 200 m³/zi. Investiția totală în proiectul de valorificare a biogazului a fost de 90 000$, cu o subvenție de 88%.
Rentabilitatea surselor regenerabile de energie (SRE) depinde de un șir factori, care sunt grupați în trei grupe: caracteristicile constructive și costurile instalațiilor (puterea instalată, randamentul, durata normată de viață, investiția totală etc); factorii de sarcină (configurația graficelor de sarcină ale consumatorilor) și factorii externi (prețul unitar al combustibilului, tarifele la energia electrică și energia termică la sursele energetice de referință, tariful de distribuție al energiei si valoarea bunurilor monitorizate cu ajutorul sistemului antiefractie care n-ar fi putut functiona fara o sursa de energie, indiferent de natura acesteia.
Bibliografie
[1]Ambros Tudor, Arion V.: „Surse regenerabile de energie”, Editura Tehnică, Chișinău, 1999
[2]Vasilie, Nikolić; Iosif, Tripșa: „PRODUCEREA ȘI UTILIZAREA BIOGAZULUI”, Editura Chiminform Data, București, 2005
[3]Nikolić, V.-Grigoriu, A.: BIOGAZ, Ed. „Scânteia”- TEHNIUM, București, 1985
[4]Tănăsescu, Fl.: „Conversia energiei. Tehnologii neconvenționale”, Editura Tehnică, București, 1986
[5]F. Tănăsescu, Tehnologiile secolului 21. Conferința Națională a Energiei, Neptun, România, 13-17 Iunie 2004./www.cnr-cme.ro/FOREN2004/pdf_zer/CER.pdf.
[6]Stancu V – Flacăra biogazului, Editura Ceres, București 1982
[7]Vintilă M – Biogazul, Editura Tehnică, București 1989
[8]Managementul Mediului și Obținerea biogazului în Fermele Suinicole -(publicația a fost realizată în cadrul proiectului “Generarea Biogazului- Profit și Performanță de Mediu în Principalele Ferme Zootehnice din România”, desfășurat în colaborare cu Universitatea Politehnica București)
[9]Planul acțiunilor autorităților publice centrale și locale privind utilizarea resurselor energetice regenerabile, HG nr. 1092, 31 octombrie 2000.
[10]http://www.adece.ro (Asociatia pentru dezvoltare economică în context european (ADECE)
[11]www.luethe-heide.de/download/rumaenisch/Biogas_rumaenisch.pdf
[12]http://www.termo.utcluj.ro
[13]http://www.opet-chp.net/download/wp4/ispe_article_chp_directive.pdf
[14]http://www.retscreen.com
[15]http://www.sciencedirect.com
[16]http://www.ecoapasol.info
[17]http://www.politiaromana.ro
[18]http://www.sparksecurity.ro
[19], Larsson Ake PhD teză doctorat- The power quality of wind turbines
[20],Octavian Ionescu – Monitorizarea calitatii energiei electrice produse din surse regenerabile
Anexe
6A
S.A.E 1 la S.A.E 7 sunt surse 220Vca/12Vcc/16A/ care alimenteaza
modulele de Extensie EXT 1 la EXT 7
lTabloul de Distributie electric RETEA/GRUP ELECTROGEN poate functiona in regim manual sau automat
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Proiectarea Sistemelor Antiefractie Pentru Zonele Defavorizate Energetic (ID: 163146)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.