Sl. dr. ing. Serban Bunda DAVID BOGDAN-ADRIAN [301550]

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA DE INGINERIE ENERGETICA SI MANAGEMENT INDUSTRIAL

DOMENIUL: INGINERIE ENERGETICA

PROGRAMUL DE STUDIU: INGINERIA SISTEMELOR ELECTROENERGETICE

PROIECT DE DIPLOMA

COORDONATOR STIINTIFIC: ABSOLVENT: [anonimizat]. [anonimizat] 2015

UNIVERSITATEA DIN ORADEA

FACULTATEA ______________________________________________

DEPARTAMENTUL __________________________________________________

TEMA_________

Lucrare de Finalizare a studiilor a student: [anonimizat]________________________

1). Tema lucrării de finalizare a studiilor:____________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

2). Termenul pentru predarea lucrării ______________________________________________

3). Elemente inițiale pentru elaborarea lucrării de finalizare a studiilor __________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

4). Conținutul lucrării definalizare a studiilor :_______________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

5). Material grafic:________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

6). Locul de documentare pentru elaborarea lucrării:

________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________

7). Data emiterii temei_____________________________________________________________

[anonimizat] a

unui consumator casnic izolat

Oradea 2015

Cuprins

Introducere…………………………………………………………………………………………….

Capitolul I Resursa solara

1.1.Principiul valorificarii resursei solare

1.2.[anonimizat]

1.3.Harti de profil pentru resurse solare

Capitolul II Sisteme hibride pentru producerea energiei electrice

2.1. Scurt istoric

2.2. Clasificare sistem hibrid

2.3.Elemente componente sistem hibrid

Capitolul IIIAspecte specifice proiectarii sistemului hibrid

3.1.[anonimizat]

3.2.Amplasare grup diesel

Capitolul IVEtapele proiectarii sistemului hibrid

4.1.Evaluarea sarcinii

4.2.Preliminare BA si SFV

4.3.Predeterminarea sistemului hibrid

4.4.Dimensionarea efectiva a sistemului hibrid

Capitolul V Proiectarea SHSD pentru un consumator casnic izolat

5.1.Caracteristica resursei solare in amplasament

5.2.Caracteristici tehnice ale consumatorului casnic izolat

5.3.Calculul de proiectare

5.4.Calculul economic

Capitolul VI Concluzii

Bibliografie

Anexe

Introducere

Sectorul energetic și implicit dezvoltarea acestuia în ultimul secol poate fi considerat motorul tuturor economiilor din orice stat dezvoltat, energia electrică fiind astăzi indispensabilă oricărui domeniu începând cu industria siderurgică, constructoare de mașini care sunt și printre cei mai mari consumatori, farmaceutică, alimentară, transporturi, comerț etc. și încheind cu simplul consumatorul casnic.

La ora actuală, energia electrică reprezintă aproximativ 40% din consumul total de energie de orice formă. Acest procent este în creștere datorită avantajelor pe care le prezintă energia electrică în ansamblul fluxurilor energetice. În prezent, fiecare țară are un sistem electroenergetic național format din interconectarea tuturor generatoarelor de energie electrică prin linii electrice, respectiv prin transformatoare.Producerea energiei electrice implică însă în prezent utilizarea diferiților combustibili primari cum sunt cărbunele, gazele naturale, păcura care au însă impacte negative asupra mediului prin arderea lor în centralele termice clasice și emisia de gaze cu efect de seră.Centralele nucleare electrice reprezintă și ele o soluție alternativă în producerea energiei electrice însă siguranța lor în exploatare relativ bună poate lua uneori o întorsătură dramatică și producerea unui accident nuclear poate duce la adevărate catastrofe ecologice și pierderi de vieți omenești.Totuși, o parte din energia electrică se produce în centralele hidroelectrice, considerate cele mai puțin poluante, însă trebuie specificat că la nivel național pe marile râuri s-au amenajat în mare parte construcții hidrotehnice, în locațiile favorabile, existând potențial mai mult pe partea de construcții de microhidrocentrale.

La nivel național, România dispune de importante resurse regenerabile: eoliană , solară, geotermală, biomasă, exploatarea acestora cunoscând o dezvoltare semnificativă abia în ultimii ani. Sistemele hibride pot reprezenta în viitor soluții importante pentru alimentarea consumatorilor de energie electrică dar se impune și o revizuire a SEN(Sistemul Energetic Național) care în prezent necesită elaborarea unui program de studiu și dezvoltare a acestuia precum și de investiții importante pentru viitor.

Lucrarea de fata prezinta proiectarea unui sistem hibrid solar-Diesel pentru alimentarea cu energie electrica un consumator casnic izolat , in cazul nostru o casa de locuit.

CAPITOLUL 1

1.RESURSA SOLARĂ:

Energia solară ar putea, comparativ cu celelalte surse de energie convenționale, să asigure intreaga cantitate de energie de care are nevoie intreaga planetă pentru un viitor destul de indepărtat.

Spre deosebire de sursele de energie artificiale, obtinute de om prin transformarea unei forme de energie in altă formă de energie sursele de energie primară sunt sursele de energie existente in natura si care pot fi folosiste in mod direct. Consumul de energie pe cap de locuitor este considerat un indicator al nivelului de trai.

Dacă celelalte surse de energie sunt epuizabile soarele este o sursa de energie inepuizabila, dacă privim lucrurile din perspectiva duratei de viața a unui om. Soarele produce energie timp de aproximativ 5 miliarde de ani după estimările specialiștilor si va continua să o facă la fel pentru înca miliarde.Dacă marea majoritate a celorlalte surse de energie au un mare neajuns cănd ne găndim la gradul mai mare sau mai mic de poluare, energia solară este curată “ca lacrima”.
Radiația solară directă, purtătoare de energie solară este una din resursele energetice pentru care nu s-au dat inca soluții tehnico-economice acceptabilede exploatare. Epuizarea treptată a rezervelor de combustibil fosil tradițional, căt si distrugerea echilibrului ecologic prin poluare si defrișare, fac ca interesul actual să fie exploatarea energia solară.

Energia solară constituie pentru unele persoane, cu influența la nivelul surselor de energie, o problemă, pentru că le periclitează profiturile foarte mari obtinuțe din petrol, gaze sau energie nucleară. 
Energia solară este distribuită aproape uniformă pe Pamant, este nepoluantă și nu necesită transportul sursei energetice primare sau al deșeurilor. Razele solare au densitate mică pe unitatea de suprafață, inregistrează variații diurne si sezoniere si nu pot fi stocate pe termen lung și in cantităti mari nici sub formă termică, nici sub forma electrică.[1]

Avantajul acestei energii este ca soarele strălucește, cu mai multa sau mai putina putere deasupra fiecarei case, ceea ce o face ca soluția să fie ușor de implementat pentru toată lumea.
Sunt sigur că dacă se pune accentul mult mai tare pe această sursa de energie incă de acum 20-30 de ani in zilele noastre energia solară ar fi reprezentat mult mai mult din energia totală produsă la nivel global.

Cu siguranță acest tip de energie pe langă ca nu poluează, ducănd la imbunătățirea stării de sănătate a populației, dispune de un potențial ridicat in ceea ce privește rata profitului, ținănd cont că totul vine de la soare, si soarele “dogorește” pe gratis.Petrolul si gazul se vor epuiza in cîțiva zeci de ani, resursele de cărbune sunt și ele limitate dar energia solară este pentru totdeauna. Soarele emană in continuu energie sub mai multe forme: vizibil – lumina, invizibil – raze infrarosii, ultraviolete, X si gamma, unde radio si plasmă.Important este ca lumea sa-și indrepte atenția căt mai curănd către și intr-o măsură tot mai mare spre sursele de energie ignorate sau folosite prea puțin, ce pot contribui la prelungirea vieții pămîntului.[1]

1.1 PRINCIPIUL VALORIFICĂRII RESURSEI SOLARE:

Tehnicile de captare a energiei solare permit transformarea acesteia în energie electrică sau termică în funcție de necesitate și de aplicațiile folosite. Principalele metode de captare a energie solare sunt folosirea celulelor fotovoltaice sau incalzirea unui fluid utilizarea acestuia pentru obținerea energiei termice.

[3]Punerea în practică a unei strategii energetice pentru valorificarea potențialului surselor regenerabile de energie (SRE) se înscrie în coordonatele dezvoltării energetice a României pe termen mediu si lung și oferă cadrul adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare la alternativele energetice și înscrierea în acquis-ul comunitar în domeniu.

Valorificarea eficientă a energiei solare nu este un simplu fapt. Lumina soarelui este atît de larg răspîndită astfel incît găsirea celui mai eficient mod de a o captura este necesitatea de cunoștințe avansate si de tehnologie. Există mai multe tehnologii pentru utilizarea energiei solare si toate acestea sunt unice si sunt dedicate pentru aplicații specifice. Cele mai cunoscute sunt celulele fotovoltaice, acestea mai fiind cunoscute sub numele de celule solare. Acesta este, probabil cel mai bun mod de exploatare si cea mai bună modalitate de valorificare a energiei solare. Ori de cate ori vorbim despre energie solară primele lucruri care ne vin in minte sunt panourile avînd și panouri de celule fotovoltaice sau PV. Aceste celule conțin semi-conductori, frecvent sunt fabricate din silicon, care absorb lumina de la soare. Cînd lumina soarelui lovește suprafața de siliciu noi electroni se creează. In timp ce electronii sunt directionați afară din siliciu curentul electric este creat.

A doua tehnologie pentru valorificarea energiei solare este concentrarea pe sisteme solare de putere. Aceasta presupune folosirea oglinzii pentru a reflecta lumina solară pe o singură zonă. Unele sisteme sunt incorporate cu dispozitive de inaltă tehnologie pentru a urmări mișcarea soarelui si care ajustează oglinzile pentru a maximiza cantitatea de lumină pe care sistemul o primește. Lumina soarelui reflectată de oglinzi este folosita pentru caldura sau electricitatea unei centrale electrice convenționale. Aceste sisteme canalizează lumina de la oglinzi intr-o zona umplută cu celule fotovoltaice.

Există mai multe tipuri de sisteme concentrate pe energia solară, cele mai populare sunt cele prin jgheaburile solare, antena parabolică si turn de energie solară. Jgheaburile solare folosesc reflectoare largi in forma de U pentru a direcționa lumina soarelui către un turn din centrul oglinzilor. La turnul sistemului solar uleiul fierbinte este incălzit de energia solară si ajuta apa care fierbe să creeze aburi, apoi acesti aburi sunt utilizati pentru a alimenta cu energie unele centrale. Turnul sistemlui solar folosește aceeasi concepte ca și jgheburile solare. Oglinzile sunt folosite si pentru a reflecta lumina soarelui la un centru de turn in care un lichid este incălzit si apoi utilizat pentru crearea de aburi care va crea energie. Antena parabolică folosește antene reflectate pentru a concentra lumina solară pe suprafata unui receptor.

Dimensiunea antenei variaza, dar de obicei este de 10 ori mai mare decat o antena prin satelit obisnuita. O alta tehnologie de energie solara folosita si in ziua de azi este sistemul de incalzire solara a apei. Acest sistem este unul simplu. Procesul presupune colectarea de energie direct de la soare care incalzeste apa sau lichidele, care la randul sau incalzeste apa in turn. Aceasta este folosita mai frecventa in gospodarii si sunt ideale pentru utilizarea de familie. In scopul de a capta lumina solara, panourile solare trebuie sa fie instalate in casa ta sau in locul in care vei avea nevoie de apa calda ca o zona de piscina. Veti avea nevoie de un spatiu mai mare pentru acest lucru, dar pe termen lung va fi capabil de a salva o multime de bani din suma facturii Dvs. la electricitate.

Pentru unitatile comerciale o tehnologie ideala de energie solara este colectorul solar de transpiratie sau altfel cunoscut sub numele de pereti solari. Aceasta implica utilizarea de colectoare solare perforate, in cazul in care aerul de afara trece inainte de intrarea in cladire. Acestea sunt doar cateva dintre tehnologiile pe care le putem folosi pentru a obtine energia din puterea soarelui. Tehnologiile de exploatare a energiei solare continua sa evolueze si noile tehnologii si descoperiri sunt in curs de realizare. Totul se poate schimba de cateva ori pe an. In plus, toate tehnologiile solare vor avea un pret mai competitiv de pe urma caruia vor beneficia consumatorii obisnuiti.[2]

1.2 Panouri Foto-Voltaice utilizate pentru valorificarea resursei solare:

Fotovoltaicele (FV) sau celulele solare cum sunt adesea numite, sunt dispozitive semiconductoare care transformă lumina solară în curent electric. Grupele de fotovoltaice suntconfigurate electric în module și matrice, care pot fi folosite la încărcarea bateriilor, funcționarea motoarelor, si pentru a alimenta sarcini electrice. Cu echipamentul adecvat de transformare a puterii, sistemele fotovoltaice pot produce curent alternativ (CA) care este compatibil cu orice aparat convențional, și operează în paralel și interconectat la grila de utilitate. 

Componentele principale ale panourilor solare sunt celulele solare (fotovoltaice). Celulele fotovoltaice permit transformarea directă a radiației solare în energie electrică, exploatând așa-numitul “efect voltaic” care se bazează pe proprietatea anumitor metale conductoare tratate corespunzător (ex. siliciul – foarte răspândit în natură) de a genera direct energia electrică atunci cand sunt atinse de radiatia solara.[3]

.

Fig.1.1.Componente panou fotovoltaic

Panourile fotovoltaice pot fi considerate ca fiind generatoare de curent continuu, alimentate de lumina solară .Când fotonii, având o cantitate suficientă de energie, ciocnesc o celulă solară, aceștia eliberează electroni în structura cristalină și îi forțează printr-un circuit extern (baterie sau sarcină de curent continuu). Celulele fotovoltaice au în general o formă pătrată, cu o suprafață de cca. 250 cm2 și se comportă ca o baterie minusculă, producând în condiții tipice de expunere la soare o putere care reprezintă, la stadiul actual al tehnologiei, aproximativ 20% din radiația solară. Fiecare celulă solară constituie dispozitivul care stă la baza unui modul fotovoltaic. Modulul fotovoltaic este format dintr-un sistem de celule conectate între ele astfel încât să furnizeze o putere electrică cuprinsă între 50 și 300 W. Pentru a crește puterea trebuie conectate între ele mai multe module: mai multe module în serie formează o bandă, mai multe benzi formează un câmp fotovoltaic .[3]

Figura 1.2.Cîmp fotovoltaic

Panouri solare fotovoltaice:

Transformă energia solară în energie electrică și sunt cel mai des întâlnite. După cum vom vedea în cele ce urmează, și acestea se împart în mai multe categorii, în funcție de tipul de celule componente. Sunt formate din celule solare pe bază de siliciu.

Celulele solare, cunoscute și sub denumirea de celule fotovoltaice, sunt compuse dintr-un materialsemiconductor (siliciu) care reține particulele luminii solare, producând energie electrică. Acestea pot fi monocristaline, policristaline, amorfe, microcristaline sau cu strat subțire.Din gama panourilor solare electrice se disting celulele monocristaline, policristaline, amorfe și cu strat subțire.

Celule solare monocristaline: sunt folosite în panourile fotovoltaice sunt ușor de recunoscut datorită aspectului extern colorat și uniform, această proprietate indicând consistența unui siliciu de înaltă puritate și calitate. Din acest motiv, panourile solare monocristaline sunt cele mai eficiente. De asemenea, aceste panouri produc cel mai mult curent din radiația solară și pot fi amplasate pe porțiuni mai restrânse.În plus, panourile solare monocristaline produc de patru ori cantitatea de energie electrică față de alte tipuri de panouri, sunt cele mai durabile și majoritatea producătorilor oferăgaranții de peste 25 de ani pentru aceste produse.[4]

Fig.1.3.Panou fotovoltaic cu celule monocristaline

Celule solare policristaline:

Tind să aibă mai puțină rezistență la căldură decât panourile solare monocristaline, prin urmare sunt mai puțin eficiente la temperaturi crescute.

În același timp, sunt mai ieftine decât cele monocristaline, procesul de producție fiind mai simplu și mai puțin costisitor. Acest lucru, pe de altă parte, implică și o eficiență mai scăzută a acestui tip de panouri.

Fig.1.4.Panou cu celule policristaline.

Celule solare cu strat subtire:

Sunt la rândul lor clasificate în funcție de materialul fotovoltaic care este depus pe substrat: siliciu amorf, telurură de cadmiu, seleniură de cupru indiu galiu și celule fotovoltaice organice.

Prototipurile de module cu strat subțire au atins performanțe între 7 și 13%. Panourile cu celule cu strat subțire sunt mai ieftine decât cele cu celule solare cristaline.

Aspecul lor omogen le conferă un design plăcut, sunt flexibile, iar performanța lor nu este afectată de temperaturile ridicate sau de umbră. Sunt ideale pentru suprafețele mai largi, mai întinse.[4]

Fig.1.5.Acoperis din celule fotovoltaice cu strat subtire

Panouri solare hibride:

Dețin un modul care are un strat subțire de peliculă solară amorfă în spatele celulelor monocristaline, iar stratul suplimentar amorf extrage mai multa energie de la lumina soarelui în special în condiții de lumină slabă.

Un avantaj al acestei tehnologii este că pierderile care apar de obicei din cauza lipsei de uniformitate a structurilor cristaline prezente pe suprafața celulei, sunt semnificativ reduse. Totuși, aceste panouri nu sunt recomandate suprafețelor mari de acoperiș și se vând la prețuri mai mari decât panourile fotovoltaice.[4]

Fig.1.6.Panou solar hibrid cu strat amorf.

1.3 Harti de profil pentru resurse solare

[5]Regiunea de sud-est a României, vestul, centrul dar și estul țării sunt cele mai bune locuri pentru a amplasa un parc solar, arată harta potențialului solar al României publicată pe site-ul Asociației Române a Industriei Fotovoltaice – RPIA.

Comparativ cu energia eoliană, unde potențialul de vânt este concentrat cu precădere în zona Dobrogei și a Moldovei, potențialul solar al României este răspândit aproape pe întreg teritoriul țării.Deși în acest moment, în România nu funcționează decât două parcuri solare mari de câte 1 MW fiecare, comparativ cu investițiile de 1,5 miliarde de euro care au dus la montarea a 1.000 de MW în parcuri eoliene, energia solară este cotată de mulți specialiști din piață cu șanse bune de a se transforma în noul boom al segmentului de energie verde. Schema de sprijin foarte generoasă pusă la dispoziție de statul român precum și scăderea costurilor pentru echipamente sunt doar câțiva dintre factorii care atrag atenția investitorilor . Problema este că fiind o piață abia la început, consultanții din domeniu spun că este necesară venirea în România a unor companii puternice de profil care practic să certifice tot acest potențial, în contextul în care accesul la finanțare este în continuare dificil.[5]

Fig.1.7.Harta de profil potential energetic Romania.

POTENTIAL TEHNIC SI ECONOMIC AMENAJABIL AL SRE IN ROMANIA:

[5]Potential solar-fotovoltaic S-au avut in vedere atit aplicatiile fotovoltaice cu cuplare la retea, cat si cele autonome (neracordate la retea) pentru consumatori izolati.

Tabel 1.1Potential energetic solar-fotovoltaic

DISTRIBUTIA POTENTIALULUI SRE IN ROMANIA.

Zonarea geografrica: (harta de profil)

Pornind de la datele disponibile s-a intocmit harta cu distributia in teritoriu a radiatiei solare in România (Figura de jos).

Harta cuprinde distributia fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente pe suprafata orizontala pe teritoriul Romaniei.

Sunt evidentiate 5 zone, diferentiate prin valorile fluxurilor medii anuale ale energiei solare

incidente. Se constata ca mai mult de jumatate din suprafata tarii beneficiaza de un flux de

energie mediu anual de 1275 kWh/m2.

Harta solara a fost realizata prin utilizarea si prelucrarea datelor furnizate de catre: ANM

precum si NASA, JRC, Meteotest. Datele au fost comparate si au fost excluse cele care

aveau o abatere mai mare decat 5% de la valorile medii. Datele sunt exprimate in

kWh/m2/an, in plan orizontal, aceasta valoare fiind cea uzuala folosita in aplicatiile

energetice atat pentru cele solare fotovoltaice cat si termice.

Zonele de interes (areale) deosebit pentru aplicatiile electroenergetice ale energiei solare in

tara noastra sunt:

-Primul areal, care include suprafețele cu cel mai ridicat potențial acoperă Dobrogea

și o mare parte din Câmpia Română

-Al doilea areal, cu un potențial bun, include nordul Câmpiei Române, Podișul Getic,

Subcarpatii Olteniei și Munteniei o bună parte din Lunca Dunării, sudul și centrul

Podișului Moldovenesc și Câmpia și Dealurile Vestice și vestul Podișului Transilvaniei,unde radiația solară pe suprafață orizontală se situează între 1300 și 1400 MJ / m2.

-Cel deal treilea areal, cu potențialul moderat, dispune de mai puțin de 1300 MJ /

m2 și acoperă cea mai mare parte a Podișului Transilvaniei, nordul Podișului

Moldovenesc și Rama Carpatică.[5]

Fig.1.8.Harta solara a Romaniei.

Capitolul 2

Sisteme hibride pentru producerea energiei electrice:

2.1 Scurt istoric:

La nivelul anilor ’80 se preconiza utilizarea energiei eoliene pentru alimentarea consumatorilor mici, izolați care nu puteau fi conectați la rețeaua națională de electricitate sau la care conectarea la rețea era foarte scumpă și neeconomică, datorită sarcinii mici si neuniforme

Experiența a arătat că sistemele eoliene mici, chiar prevăzute cu baterii de acumulatori, nu sunt o soluție viabilă datorită în principal costului ridicat al investiției inițiale.

O altă soluție pentru alimentarea consumatorilor mici și izolați, care s-a răspândit pe scară largă prin crearea artificială a unei piețe puternice și pentru satisfacerea ei, era cea a sistemelor autonome Diesel. Astfel de sisteme se constituie în principal din unul sau mai multe grupuri electrogene motor Diesel – generator și o minirețea de distribuție locală la consumator, fig. 2.1.

2.2 Clasificare SH

Fig. 2.1. : Sistem autonom Diesel fără acumulare de energie

În funcție de necesități se putea prevedea în structura existentă și un sistem de acumulare a energiei, de obicei, o baterie de acumulatoare, fig.2.2.

Fig 2.2. Sistem autonom diesel cu acumulare de energie

Sisteme hibride Solar-Diesel:

Acest tip de sisteme reprezintă o soluție viabilă pentru consumatori izolați sau racordați, la care disponibilitatea resursei solare în amplasament este bună și foarte bună, adică pentru zone geografice la care numărul mediu de ore cu insolație de 1000 W/m2 este mai mare sau egal cu 3[ore/zi].

Deoarece resursa solară nu e disponibilă pe timpul nopții și uneori, nici pe timpul zilei (condiții meteo nefavorabile), aceste sisteme trebuie să aibă în componență atât subsisteme de acumulare a energiei (de regulă baterii de acumulatori) cât și grupuri electrogene de tip Diesel (fig.2.3)care pot funcționa pe diferiți combustibili (motorină, GPL, biodiesel etc.).

Fig 2.3. Sistem hibrid Solar-Diesel(SHSD)

2.3:Elemente componente SH:

SH de orice tip reprezintă deci o tehnologie emergentă din tehnologia utilizată în alimentarea cu EE a unor zone izolate, în principal cu sisteme Diesel, situate departe de rețelele de distribuție centralizate. Astfel de SH, în funcție de configurația schemei utilizate, pot conține următoarele component

Subsistemul de generare, este componenta de bază și cuprinde surse clasice (grupuri Diesel) și regenerabile (eoliene, solare, dar și alte tipuri precum microhidro, biomasă, aceste din urmă ne făcând obiectul acestei lucrări.);

a1) Grupul Diesel (GD):

GD de c.a. sunt în principiu grupuri motor pe bază de motorină cuplate mecanic cu generatoare sincrone GS. În cazul în care TE au în componență generatoare asincrone (GAS), frecvența este menținută constantă de către GD, prin intermediul unui regulator automat al vitezei. Acesta reglează fluxul de motorină astfel încât viteza arborelui și, respectiv, a rotorului GS cuplat la arborele motorului, sa fie menținută constantă. Dacă AE sunt echipate cu generatoare sincrone (GS), ele nu vor mai avea nevoie de GD pentru menținerea constantă a frecvenței în sistem.Problema furnizării de putere reactivă (Q) de către GD pentru magnetizarea miezului mașinilor rotative de inducție, se pune doar în cazul în care AE sunt echipate cu GAS, generatorul sincron din componența GD funcționând în regim de compensator sincron (CS).

Dacă SH are mai multe GD care funcționează în paralel pe aceeași bară de c.a., este necesar un sistem de control al funcționării lor în paralel. Cele mai răspândite astfel de sisteme sunt cele computerizate, acestea desemnând în general un GD pentru menținerea frecvenței constante, iar restul pentru acoperirea integrală a sarcinii.

Grupurile Diesel de c.c. , utilizate mai rar în scheme , sunt realizate prin cuplarea pe un arbore comun a unui motor Diesel, a unei mașini de c.a. și a unei mașini de c.c., fig.2.4.:

Fig.2.4.Grup diesel de c.c. utilizat la SH

Avantajul acestei scheme este că se pot alimenta simultan atât barele de c.a. cât și cele de c.c. ale SH iar la nevoie, se poate genera putere reactivă. Acesta se face prin decuplarea GD de la arbore și trecerea generatorului de c.a. în regim de CS.

a2) Aerogeneratorul (AE):

AE utilizate pentru SH sunt de tipul cu ax orizontal în vânt ceea ce înseamnă că, curentul de aer al vântului lovește mai întâi palele și apoi stâlpul.

AE utilizate pentru SH sunt de obicei de puteri mici și, mai rar, medii.

AE de mică putere (până în 12 kW) se caracterizează prin :

Arie de captare sub 40 m2;

Randamentul e în general destul de scăzut și variază puternic cu viteza vântului;

Sistemele cu două pale sunt mai zgomotoase;

Sistemele cu trei pale sunt mai echilibrate d.p.d.v. dinamic;

Sistemele cu șase sau mai multe pale au randament scăzut dar amorsează la

viteze mai mici ale vântului.

AE de puteri medii au următoarele caracteristici :

Aria de captare e cuprinsă între 40 m2 și 1250 m2 ;

Rotorul este cu ax orizontal cu trei pale care pot fi cu pas fix sau variabil;

Sunt prevăzute cu generatoare asincrone, generarea EE făcându-se în c.a., pentru producerea puterii reactive fiind nevoie de surse externe. Există și AE echipate cu GS, caz în care nu mai este nevoie de sursele externe de Q ;

Turația poate fi fixă sau variabilă.

În variante comerciale au apărut și AE cu ax orizontal sub vânt (curentul de aer al vântului lovește mai întâi stâlpul și apoi palele), acestea prezentând avantajul că palele elicei se pot îndoi sub presiunea curentului de aer, reducându-se astfel stresul indus in întreaga structură. În acest fel se pot construi turnuri mai înalte care să așeze palele în calea vânturilor, acestea din urmă crescând în forță o dată cu altitudinea. Datorită acestui fapt, în construcția TE intră mai puțin material si astfel costurile se reduc.

Indiferent de tipul turbinei, deși tehnologia aerogeneratoarelor existente a progresat mult, modelul conceptual al designulului acestora a rămas cel vechi, din anii ’ 70 (”modelul danez”, bazat pe ”modelul vechi olandez”). În general, costurile încă destul de ridicate ale acestor modele se datorează soluțiilor de rezolvare a unor probleme ridicate de acest design:

Greutatea rotorului: cu cât diametrul acestuia e mai mare, cu atât greutatea crește. Masa unui rotor este proporțională cu diametrul la cub, în timp ce aria rotorului este proporțională cu diametrul la pătrat. În consecință, cantitatea de energie care poate fi captată este invers proporțională cu diametrul rotorului. (De exemplu, matematic, dacă diametrul rotorului crește de 10 ori, aria baleată de pale crește de 100 de ori, ceea ce duce la o creștere a masei AE de 1000 de ori!);[6]

Necesitatea de robustețe pentru stâlp și suportul nacelei, atât la condiții speciale de vânt, cât și la greutatea rotorului;

Turația scăzută: la o viteză dată, turația rotorului este invers proporțională cu diametrul. În consecință, cu cât este nevoie de o putere mai mare, cu atât rotorul trebuie sa fie mai mare și să se rotească mai lent. Acesta înseamnă că, fie este nevoie de o cutie de viteze (sursă de fricțiune și zgomot, adaugă masă și este scumpă), fie se construiesc generatoare speciale, de turație scăzută;

Aparatură specializată pentru orientarea pe direcția vântului;

Mecanisme complexe pentru frânarea turbinei în caz de viteză excesivă a vântului;

Necesitatea unei mentenanțe cu atât mai complexe cu cât complexitatea turbinei este mai mare.

a3) Panourile fotovoltaice (PFV):

PFV reprezintă componenta cea mai fiabilă din întreg SH, durata de viață a lor situându-se între 25 și 50 ani, garanția dată de firmele producătoare ajungând la 25 ani .

Montarea PFV se poate face în configurație fixă sau mobilă, cu sisteme de urmărire a poziției soarelui pe cer. Configurația fixă presupune, fie așezarea în amplasament pe o montură fixă lângă consumator, de obicei orientată spre sud pentru a asigura insolația maximă, fie integrarea în structura clădirilor, de obicei pe acoperișuri, pentru SH de mică putere.

În cadrul SH cu bară de c.c. subsistemul fotovoltaic (SFV) funcționează în paralel cu subsistemul de acumulare a EE (bateriile de acumulatoare), pentru restul SH ele sunt racordate printr-un invertor la bara de c.a. .

a4) Sistemul de stocare a energiei (SSE):

SSE este frecvent utilizat în sistemele hibride de puteri mici și medii, mai rar în SH de puteri mari. Cel mai frecvent mod de acumulare utilizat pentru SH cu energie eoliana și solară este bateria de acumulatori (BA). Pentru SH mici (sarcini mici), BA este utilizată pentru acoperirea parțială sau integrală a sarcinii pe perioade nefavorabile RR. Pentru SH medii și mari, de c.a., BA sunt utilizate pentru acoperirea sarcinii pe perioade scurte de timp, sau numai pentru acoperirea pe termen scurt a fluctuațiilor de sarcină. Stocarea energiei în acumulatori se face în perioadele favorabile RR de la sistemele de conversie eoliană și/sau solară sau de la GD. Există trei tipuri de acumulatori utilizați pentru SHESD , prezentate în tabelul 3.3.

Tabelul 2.1. : Caracteristicile acumulatorilor utilizați în SHESD

Acumulatorii Pb – Acid sunt larg răspândiți, fiabili, dacă sunt corect exploatați și au o densitate mare de energie. În schimb, au o durată de viață scăzută, randament mic la temperaturi joase și electrolitul este puternic coroziv.

Acumulatorii Ni – Cd au o durată de viață mai mare, randament ridicat la temperaturi joase, masă specifică mică și densitate mare de energie. Dezavantajele ar fi ca nu sunt ieftine și cadmiul e foarte toxic.

Acumulatorii REDOX au un mare număr de cicluri de încărcare – descărcare și o durată de viață mai mare decât acumulatorii Ni – Cd sau Pb – Acid.[6]

Capitolul 3

Aspecte specifice proiectării sistemului hibrid:

3.1. Amplasarea sistemului foto-voltaic:

Pentru a utiliza sistemul fotovoltaic în cele mai bune condiții este necesară o poziționare a acestora căt mai bună față de soare, astfel în căt pe parcursul zilei Sistemul Fotovoltaic să nu fie umbrite de vegetație, relief, clădire etc.

Orientarea sistemului Fotovoltaic va afecta performanțele acesteia producerii de energie electrica va va fi maximă dacă razele soarelui cad perpendicular pe panourile solare. Traiectoria soarelui însă nu este la fel tot anul pe bolta cerească: vara soarele are o traiectorie mai înaltă iar iarna o traiectorie mai joasă (Figura 13).

Figura 3.1. Orientarea sistemului fotovoltaic

În cazul în care se utilizează un sistem automat de urmărire a soarelui pe cer panourile fotovoltaice dotate cu astfel de sistem pot produce o cantitate în energie electrică cu până la 40 % mai mare decât cele fără urmărire (traking).

Sistemul fotovoltaic fară sistem de urmărire a traiectoriei soarelui, pentru emisfera nordică se amplasează cu orientare spre Sud, la un unghi optim care se calculează cu relația:

Өind = φ – δ [˚C] [14]

În care:

φ – latitudinea locului.

δ – declinația solară.

Demonstrație: se consideră un panou fotovoltaic așezat la înclinația Өind în punctul A de latitudine φ, razele solare cad pe panoul solar sub unghi de 90˚, declinația solară fiind δ. Notăm unghiul dintre razele solare și firul de plumb cu α și unghiul dintre firul de plumb si panoul fotovoltaic cu β rezultă:

Өind =90˚ – β

β = 90˚ – α →

α = φ – δ

va rezulta:

Өind =90˚ – [90˚ – (φ – δ)] = φ – δ (e.d.)

Figura 3.2. Unghiul optim de înclinare a panoului FV

Declinația solară într-o zi a anului se poate determina cu formula lui Cooper:

δ = 23,43 sin ( 360°- ) [ °]

unde:

n – reprezintă luna din an ( de exemplu: dacă n=1 atunci ii 1ianuarie).

Calculul declinației medii pe fiecare lună se face prin stabilirea zilei pentru care valoarea declinației este mai aproape de valoarea declinației medii a lunii considerate, valorile atinse la solstiții fiind δ = ± 23,5˚ , Figura 15.

Figura 3.3.Amplasarea sistemului fotovoltaic

După efectuarea calculelor se poate ridica o diagramă solară în care apare marcat orizontul și obstacolele aferete Figura 3.4. [7]

Figura 3.4.Diagrama solară

3.2 Amplasarea grupului diesel:

[6]Amplasarea grupului diesel se va face cu mare atentie in functie de anumiti factori,trebuie protejat impotriva efectelor climei,prafului si nu va fi instalat sub nici un motiv fara protectie impotriva ploii sau in bataia directa a razelor solare ce pot afecta circuitele si supraincalzi anormal unitatea.Pentru amplasari temporare grupul diesel poate fi amplasat pe pamant neted.Pentru instalari care se prevad a fi permanente,se recomanda o fundatie de ciment in functie de dimensiunile generatorului propriu-zis.

Dotari standard al grupului diesel:

-Motor Diesel;

-Panou de control & comanda cu masuratori & dispozitive de control,metalic cu grade de protectie IP 54;

-Incarcator static pentru acumulator;

-Alternator dinamic pentru acumulatori;

-Buton oprire urgenta;

-Sasiu cu rezervor combustibil dimensionat rezervorul pentru 8 ore autonomie

-Amortizoare antivribratii;

-Dispozitiv masurare nivel combustibil;

-Trasee electrice protejate cu tubulatura & presetupa;

-Toba esapament speciala.

-Alternator

Carcasa Antifonata:

Fig.3.5.Generatorul diesel AGT 6801 DSE

1.Structura din otel, rezervor combustibil inclus; carcasa estedin tabla de otel, galvanizat, vopsit in camp electrostatic;

2.Buton oprire de urgenta;

3. Panoul de control este montat pe sasiu; localizat in partea dreapta a grupului electrogen;

4.Incuietori & balamale rezistente la coroziune;

5. Uleiul poate fi evacuat cu ajutorul unei supape si al unui furtun;

6.Sistem evacuare in interiorul carcasei;

7.Usi de acces mari pt. efectuarea mentenantei cu usurinta;

8.Sasiu – rezervor combustibil;

9.Puncte de ridicare;

10.Materiale atenuare zgomot / insonorizare acustica,circuit dublu incastrat in carcasa;

11.Toba esapament rezidentiala ( atenuare emisii sonore -51 dB, masurate la 7 m).

In urma calculelor am ales urmatorul generator diesel:

Producator:AGT

Model 6901 DSEA

Tensiune: 220V , Frecventa: 50 Hz , Factorul de putere: 1

Putere maxima : 5.5 KvA ,Turatie: 3000 rpm , Motor diesel cu 1 cilindru(racire pe baza de aer)

Putere motor: 10 cp , Capacitate cilindrica: 418 cm3 ,Combustibil: motorina

Alternator sincron tip AVR cu perii ,Capacitate rezervor 14.5 litri [8]

Capitolul 4

Etapele proiectarii SH:

S-a adaptat modelul matematic pentru SHSD în felul următor:

4.1. Evaluarea sarcinii

Pentru fiecare consumator din inventarul gospodăriei se vor calcula:

Puterea necesară:

[W] (4.1)

În care:

Bcons = Număr de bucăți din inventarul consumatorului (bec, radio, tv, frigider etc.) [bucăți];

Iabs = Curentul absorbit de fiecare componentă a consumatorului [A];

UnC = Tensiunea nominală a consumatorului [V];

Sarcina zilnică în Ah pentru fiecare componentă:

[Ah/zi] (4.2)

În care:

Pnec = Puterea necesară [W];

Cuz = Ciclul de utilizare zilnică pentru fiecare componentă a consumatorului [h/zi] = numărul de ore în care componenta din cadrul consumatorului (bec, radio, tv, frigider etc.) va fi utilizată în fiecare zi (formatul este zecimal, adică 1oră și 15 minute se va scrie 1,25);

Cuz = Ciclul de utilizare săptămânală pentru fiecare componentă a consumatorului [h/săpt] = numărul de ore în care componenta din cadrul consumatorului (bec, radio, tv, frigider etc.) va fi utilizată în fiecare săptămână;

∆Pconv = Factorul de pierderi în convertoare – în mod normal se va trece randamentul invertorului luat din cartea tehnică, dar dacă nu se dispune de aceste date se vor trece următoarele valori implicite: pentru convertor c.c./c.c.= 0,9 iar pentru invertor c.c./c.a. = 0,85;

UnSH = Tensiunea nominală de c.c. a SH [V].

Puterea totală a consumatorului

Ptot = Σ Pnec [W] (4.3)

Reprezintă suma tuturor puterilor necesare calculate pentru fiecare consumator din inventarul gospodăriei.

Sarcina totală pe care SH trebuie să o acopere:

Stot = Σ SAh [Ah/zi] (4.4)

Reprezintă suma tuturor sarcinilor în Ah calculate pentru fiecare consumator din inventarul gospodăriei.

Calculul sarcinii se face atât în c.c. (dacă există) cât și în c.a. ținând seama de pierderile în cabluri (∆Pcabl) și de eficiența bateriei de acumulatori (ηBA). Pierderile în cabluri și în aparatajul de comutație pot varia între 0,95 – 0,99, ideal ar fi ca acestea să nu depășească 3%, adică să fie mai mari de 0,97. Ca și valoare implicită se recomandă pentru pierderi în cabluri în cazul sistemelor hibride 0,98.

Factorul de eficiență a bateriei de acumulatori se ia din cartea tehnică a BA, presupunând tensiune de lucru constantă. Dacă nu se dispune de aceste date se consideră valoarea implicită de 0,9. Astfel:

Pentru sarcina de c.c. și c.a. curentul maxim calculat este:

Icalc = (Stot c.c.[W] + Stot c.a.[W]) / UNsh[V] [A] (4.5)

Sarcina maximă corectată este:

Scorectat = Stot[Ah/zi] / ∆Pcabl / ηBA [Ah/zi] (4.6)

4.2. Preliminare BA si SFV

În această etapă se face un calcul preliminar pe baza căruia se va alege tipul BA și panourilor fotovoltaice, aceste date trecându-se în tabele informative de tipul celor din figura 4.1. și 4.2. [7]

Curentul de proiect:

IPr = Scorectat[Ah/zi] / Nhi/zi[h/zi] [A] (4.7)

în care:

Nhi/zi = Numărul mediu de ore cu insolație de 1000w/m2 [ore/zi];

Se consideră că: 1kWh/m2 = 316,96BTU/ft2 = 3,6 W/m2

Capacitatea cerută a BA:

CBA = Scorectat[Ah/zi] x ZS / Dmax /KToBA [Ah] (4.8)

în care:

ZS = Numărul zilelor de stocare, reprezentând numărul zilelor consecutive în care este necesară utilizarea exclusiv a energiei stocate în baterii, RR fiind cu totul indisponibilă;

Dmax = Descărcarea maximă admisibilă a BA.

În cazul SH se utilizează BA cu ciclu adânc de descărcare, dacă nu se dispune de cartea tehnică a bateriei se iau următoarele valori implicite, tabelul 4.1.

Tabelul 4.1.: Valori implicite pentru Dmax în funcție de tipul BA

KToBA = Factorul de influență a temperaturii asupra BA, reprezintă un coeficient de corecție care ține seama de scăderea capacității BA o dată cu scăderea temperaturii (atunci când este foarte rece).

De obicei, acest coeficient se trece în cartea tehnică a BA. Pentru BA Pb – Acid capacitatea scade aproximativ cu 1% la fiecare 1o C sub minus 20oC, iar ca valoare implicită se ia 0,9.

Numărul de BA în paralel:

NBA|| = CBA[Ah] / CBaselect[Ah] (4.9)

în care:

CBAselect = Capacitatea BA selectate din catalog pentru SH; datele BA se trec într-un table informativ de tipul celui din tabelul 4.2.

Tabelul 4.2. Datele de interes pentru BA selectată din catalog

Numărul de BA în serie va fi:

NBAserie = UnSH[V] / UNba[V] (4.10)

Numărul total de BA necesare acoperirii sarcinii va fi:

NBAtot = NBAserie x NBA|| (4.11)

Capacitatea obținută a BA:

Kobt = NBA|| x CBaselect[Ah] [Ah] (4.12)

Capacitatea totală utilizabilă:

Ktot ut = Kobt[ah] / Dmax [Ah] (4.13)

Curentul debitat de sistemul fotovoltaic:

ISFV = IPr / KToFV [A] (4.14)

în care:

KToFV = Factorul de influență a temperaturii asupra SFV, reprezintă un coeficient de corecție care ține seama de diferența curentului obținut din panoul FV fața de curentul de catalog, datorită degradării în timp, acumulării de praf și în general datorită condițiilor de operare; dacă nu se dispune de cartea tehnică a panoului fotovoltaic, se iau următoarele valori implicite, tabelul 4.5.

Tabelul 4.3. Valori implicite pentru CToFV în funcție de tipul modulului FV

Datele SFV se trec într-un tabel informativ de tipul celui de mai jos:

Tabelul 4.4. Datele de interes pentru sistemul FV selectat din catalog

4.3. Predeterminarea sistemului hibrid

În această fază se calculează un indicator al SH numit rata SFV/ sarcină în funcție de care proiectul va fi de SH sau sistem pur fotovoltaic. Astfel se calculează [7]:

Sarcina zilnică:

Sziln = Scorectat[Ah/zi] x UnSH[V] [Wh/zi] (4.15)

Sarcina anuală în kWh :

San = (Sziln[Wh/zi] x 365) /1000 = Sziln[Wh/zi] x 0,365 [kWh/an] (4.16)

Puterea calculată a SFV:

PSFV[W] = ISFV[A] x UNsh[V] [W] (4.17)

Rata SFV/sarcină:

RSFV/S = PSFV[W] / Sziln[W] [-] (4.18)

Pe baza acestui calcul și a graficului de tipul celui reprezentat în fig. 4.1. se decide astfel: dacă pentru consumatorul ales valorile se află deasupra ariei de demarcație (cu negru) este necesar de proiectat un SH, iar dacă valorile se află sub zona respectivă este suficient un sistem pur fotovoltaic (dacă RR este foarte bună), iar dacă aceste valori cad în interiorul ariei de demarcație decizia se va lua în funcție de costurile totale nete precum și de bugetul disponibil.

Fig. 4.1. Graficul indicator pentru sistemul ce urmează a fi proiectat (exemplu)

4.4. Dimensionarea efectivă a sistemului hibrid:

Dacă în urma graficului rezultă necesitatea unui SH, se trece la calculul efectiv al sistemului.[7]

a) Elemente preliminare privind BA:

Capacitatea totală a BA necesare sistemului hibrid:

CBASH = Scorectat[Ah/zi] x ZS[zile] / Dmax / KToBA [Ah] (4.19)

Timpul de descărcare a BA:

TdBA = CBASH[Ah] / Icalc[A] [h] (4.20)

Curentul maxim de descărcare al BA:

Imax d = CBASH[Ah] / TîBA[h] [A] (4.21)

în care:

TîBA = Timpul de încărcare al BA se ia ca valoare implicită de 5 ore;

Se face observația că dacă TdBA ≤ 5 ore acest lucru duce de obicei la distrugerea foarte rapidă a acumulatorilor, în acest caz este recomandabil a se mări numărul zilelor de stocare ZS și refacerea calculului.

b) Dimensionarea GD:

Puterea nominală de încărcare a GD:

PnîGD = Imax î[A] x UNsh[V] [W] (4.22)

Puterea GD:

PGD = PnîGD[W] / Eî / Kalt [W] (4.23)

în care:

Kalt = Coeficientul de influență al altitudinii asupra puterii motorului: se știe că puterea motoarelor cu combustie internă scade o dată cu creșterea altitudinii datorită rarefierii aerului. În cazul GD aceasta se reflectă în scăderea EE produse. Dacă nu există disponibilă nici o informație se iau următoarele valori implicite: 3% pentru motoare pe motorină, gazolină și propan și 5% pentru motoare pe gaz natural/GPL la fiecare creștere cu 1000ft = 304m în altitudine ; de exemplu, un GD pe motorină aflat la o altitudine de 300m peste nivelul mării are un Calt = 0,97 (3%), iar la 1000m se poate considera Kalt = 0,91 (9%).

Rata SFV/sarcină: acest indicator defalcă puterea produsă de către SFV și de către GD utilizând un grafic (fig. 4.2.). Forma curbei se modifică în funcție de caracteristica climaterică a locului de amplasare a SH. Astfel, pentru o climă cu perioade lungi de vreme aspră panta curbei va scădea ușor, indicând un sistem fotovoltaic mai mic pentru o rată SFV/sarcină dată.

Fig. 4.2. Defalcarea sarcinii acoperite de SFV și G

Calculul puterii necesare GD pentru acoperirea sarcinii:

PnecGD = PGD + Ptot [W] (4.24)

Alegerea GD din catalog se face astfel încât :

PGDcatalog ≥ PnecGD (4.25)

În acest moment se cunoaște tipul și puterea GD necesar SH.

Se mai calculează:

Energia anuală furnizată de GD (teoretică de calcul):

EGD = (1 – SFV) x San[kWh] [kWh] (4.26)

în care:

SFV = sarcina acoperită de sistemul fotovoltaic, în procente ( în calcule se trec valorile sub formă zecimală);

San = sarcina anuală calculată cu relația (4.16) ;

Numărul de ore de funcționare teoretică a GD :

NfctGD = EGD[kWh] x 1000 / PnîGD[kW] [h] (4.27)

Numărul de intervenții de tip service pe an (se rotunjește la număr întreg):

Nr.service = NfctGD / ISU [-] (4.28)

în care:

ISU = Intervalul de schimb de ulei, care reprezintă numărul de ore de funcționare a GD între două schimburi de ulei.

Dacă nu sunt disponibile date de catalog se pot lua valorile implicite din tabelul 4.5.

Tabelul 4.5. Intervale de mentenanță pentru GD utilizate pentru SH

c) Dimensionarea subsistemului fotovoltaic (SFV):

Puterea SFV:

PSFV = RSFV/S x Sziln [W] (4.29)

Numărul de module FV în paralel:

NFV|| = PSFV/UnSFV /InSFV (4.30)

în care:

UnFV = Tensiunea nominală a modulului fotovoltaic ales din catalog [V];

InSFV = Curentul nominal al modulului fotovoltaic ales din catalog [A].

Numărul de module FV în serie:

NFVserie = UnSH / UnFV (4.31)

Numărul total de module fotovoltaice necesare:

NFV nec = NFV|| x NFvserie (4.32)

În acest moment se cunoaște numărul de module fotovoltaice în serie, în paralel precum și numărul total de module fotovoltaice care vor intra în alcătuirea SH.

d) Definitivarea SSE cu BA:

Numărul de BA în paralel:

NBA|| = CBASH /CBaselect (4.33)

în care:

KBAselect = capacitatea BA selectată din catalog [Ah];

Numărul de BA în serie:

NBAserie = UnSH / UnBA (4.34)

Numărul total de BA necesare SH:

NBA nec = NBA|| x NBaserie (4.35)

În acest moment se cunoaște numărul total de BA necesare SH precum și dispunerea lor serie și paralel.

Se mai calculează:

Capacitatea totală a BA din cadrul sistemului hibrid:

CtotSH = NBA|| x CBaselect[Ah] [Ah] (4.36)

Capacitatea efectiv utilizabilă totală:

Kef.ut = KtotSH x Dmax.adm [Ah] (4.37)

în care:

Dmax.adm = Descărcarea maximă admisibilă a BA, luată din datele de catalog;

e) Dimensionarea controlerului din SCAP:

Curentul nominal al controlerului trebuie să fie mai mare decât curentul de scurtcircuit al SFV:

IscSFV = NFV|| x IscPFV [A] (4.38)

f) Dimensionarea invertorului:

Invertoarele SH de alimentare cu EE a consumatorilor izolați trebuie să îndeplinească două condiții de bază :

1. Puterea în funcționare continuă a invertorului trebuie să fie mai mare sau egală cu suma puterilor absorbite de către toți consumatorii pe care SH îi alimentează;

Pinv ˃ Σ Pnec [W] (4.39)

2. Puterea maximă a invertorului trebuie să fie mai mare decât puterea la curentul de pornire maxim al consumatorilor pe care SH îi alimentează (Pmaxp).

Pinv ˃ Pmaxp [W] (4.40)

g) Dimensionarea încărcătorului pentru BA:

Dimensionarea încărcătorului se face ținând seama de

Tensiunea nominală a SH (c.c.);

Curentul maxim de încărcare admisibil pentru BA. [9]

CAPITOLUL 5

Proiectarea SHSD pentru consumator casnic izolat

5.1.Caracteristica resursa solara in amplasament:

Consumatorul casnic izolat este de tip rezidential cu domiciliul proprietarului 365 de zile pe an (tot anul).Locuinta este amplasata in zona de deal la circa 150-160 de metri altitudine deasupra marii avand numarul mediu de ore cu insolatia de 1000W/m².In general zona dispune de un mediu atmosferic favorabil pentru amplasarea panourilor fotovoltaice,zona fiind de camp in care nu exista zone de umbrire si precipitatiile meteo extreme fiind relativ rare.

Fig. 5.1. Amplasarea resursa solara disponibila

In alegerea locatiei de amplasare a consumatorului casnic izolat s-a tinut cont de mai multi factori care la randul lor au influentat alegerea acestui sistem de alimentare (SHSD) , consumatorul fiind la distanta de 3,8-3,9 km de posibilitate de racordare la reteaua electrica de distributie.La distanta calculata de 4000 metri s-a ajuns la concluzia ca avem nevoie in jur de 100 de stalpi pentru racordare aeriana cat si un post de transformare aerian unde costurile de investitii si intretinerea lor ar fi nejustificabile economic. [10]

.

Fig. 5.2. Locatia amplasare(SHSD),distanta fata de posibilitate racordare.

5.2. Caracteristici tehnice ale consumatorului casnic izolat:

Dimensionarea componentelor sistemului hibrid solar-Diesel pentru alimentarea consumatorului a carei componenta este urmatoarea:

Iluminare: 12.becuri de tip LED (12w);

Refrigerare: 1 bucata frigider cu autodezghetare;

Hidrofor: 1 bucata;

Masina de spalat: 1 bucata;

Televizor: 1 bucata;

Laptop/PC: 1 bucata.

Caracteristicile tehnice ale receptorilor din cadrul consumatorului izolat se sintetizeaza intr-un tabel:

Tab. 5.1. Receptorii pe care SH ai alimenteaza

5.3.Calculul de proiectare:

Pentru proiectarea unui SH de producere a EE se propune, in aceasta lucrare, un model matematic derivat din experienta acumulata de SANDIA Laboratories, contractorul nr.1 al departamentului de Energie al Statelor Unite,apartinand de compania Lokeed Martin si care furnizeaza solutii tehnologice de top in diferite domenii,printre care si cel energetic.

Evaluarea sarcinii

Pentru fiecare consumator din inventarul gospodariei se vor calcula:

Puterea necesara:

[W]

Iluminare: 6 x 0.05 x 220 = 66 [W]

Refrigerare: 1 x 0.8 x 220 = 176 [W]

Hidrofor: 1 x 3 x 220 = 660 [W]

Masina de spalat: 1 x 6 x 220 = 1320 [W]

Televizor: 1 x 0.4 x 220 = 88 [W]

Laptop/PC 1 x 0.4 x 220 = 88 [W]

In care:

Bcons = Numar de bucati din inventarul consumatorului(bec,tv,frigider etc.)[bucati];

Iabs = Curentul absorbit din fiecare componenta a consumatorului [A];

UnC = Tensiunea nominala a consumatorului [V];

Sarcina zilnica in Ah pentru fiecare componenta:

[Ah/zi]

Iluminare: 66 x 8 x 7/7 : 0.8 : 48 = 13.75 [Ah/zi]

Refrigerare: 176 x 10 x 7/7 : 0.8 : 48 = 45.83 [Ah/zi]

Hidrofor: 660 x 0.5 x 7/7 : 0.8 : 48 = 8.59 [Ah/zi]

Masina de spalat: 1320 x 1 x 1/7 : 0.8 : 48 = 4.91 [Ah/zi]

Televizor: 88 x 10 x 7/7 : 0.8 : 48 = 22.91 [Ah/zi]

Laptop/PC: 88 x 6 x 7/7 : 0.8 : 48 = 13.75 [Ah/zi]

In care:

Pnec = Puterea necesara [W];

Cuz = Ciclul de utilizare zilnica pentru fiecare component a consumatorului;

[h/zi] = numarul de ore in care component din cadrul consumatorului (bec, tv , frigider etc) va fi utilizata in fiecare zi (formatul este zecimal, adica 1 ora si 15 minute se va scrie 1,25);

Cus= ciclul de utilizare saptamanala pentru fiecare component a consumatorului [h/sapt] = numarul de ore in care component din cadrul consumatorului (bec ,tv ,frigider etc.) va fi utilizata in fiecare saptamana ;

∆Pconv = Factorul de pierderi in covenrtoare – in mod normal se va trece randamantul invertorului luat din caretea tehnica , dar daca nu se dispune de aceste date se vor trece urmatoarele valori implicite : pentru convertor c.c./c.c. = 0.9 iar pentru invertor c.c./c.a. = 0.85;

UnSH = Tensiunea nominala de c.c a SH [V]

Puterea totala a consumatorului:

Ptot = Σ Pnec [W]

= 66 + 176 + 660 + 1320 + 88 + 88 = 2398 [W]

Reprezinta suma tuturor puterilor necesare calculate pentru fiecare consummator din inventarul gospodariei.

Sarcina total ape care SH trebuie sa o acopere:

Stot = Σ SAh [Ah/zi]

= 13.75 + 45.83 + 8.59 + 4.91 + 22.91 + 13.75 = 109.74 [Ah/zi]

Reprezinta suma tuturor sarcinilor in Ah calculate pentru fiecare consummator din inventarul gospodariei.

Calculul sarcinii se face atât în c.c. (dacă există) cât și în c.a. ținând seama de pierderile în cabluri (∆Pcabl) și de eficiența bateriei de acumulatori (ηBA). Pierderile în cabluri și în aparatajul de comutație pot varia între 0,95 – 0,99, ideal ar fi ca acestea să nu depășească 3%, adică să fie mai mari de 0,97. Ca și valoare implicită se recomandă pentru pierderi în cabluri în cazul sistemelor hibride 0,98.

Factorul de eficiență a bateriei de acumulatori se ia din cartea tehnică a BA, presupunând tensiune de lucru constantă. Dacă nu se dispune de aceste date se consideră valoarea implicită de 0,9. Astfel:

Pentru sarcina de c.c si c.a curentul maxim calculat este :

Icalc = (Stot c.c.[W] + Stot c.a.[W]) / UNsh[V] [A]

= 0 + 2398 : 48 = 49.95 [A]

Sarcina maxima corectata este:

Scorectat = Stot[Ah/zi] / ∆Pcabl / ηBA [Ah/zi]

= 109.74 : 0.98: 0.9 = 124.42 [Ah/zi]

1.Preliminarea bateriilor acumulatoare si a sistemului fotovoltaic

În această etapă se face un calcul preliminar pe baza căruia se va alege tipul BA și panourilor fotovoltaice:

Curentul de proiect:

IPr = Scorectat[Ah/zi] / Nhi/zi[h/zi] [A]

In care: 124.42 : 1.25 = 99.53 [A]

Nhi/zi = Numărul mediu de ore cu insolație de 1000w/m2 [ore/zi];

Se consideră că: 1kWh/m2 = 316,96BTU/ft2 = 3,6 W/m2

Capacitatea cerută a BA:

CBA = Scorectat[Ah/zi] x ZS / Dmax /KToBA [Ah]

In care: 124.42 x 2 : 0.8 : 0.9 = 345.61 [Ah]

ZS = Numărul zilelor de stocare, reprezentând numărul zilelor consecutive în care este necesară utilizarea exclusiv a energiei stocate în baterii, RR fiind cu totul indisponibilă;

Dmax = Descărcarea maximă admisibilă a BA.

In cazul SH se utilizeaza BA cu ciclu adanc de descarcare , daca nu se dispune de cartea tehnica a bateriei se iau urmatoarele valori implicite din tabelul 1.1:

Tabelul 5.2:Valori implicite pentru Dmax în funcție de tipul BA

KToBA = Factorul de influență a temperaturii asupra BA, reprezintă un coeficient de corecție care ține seama de scăderea capacității BA o dată cu scăderea temperaturii (atunci când este foarte rece).

De obicei, acest coeficient se trece în cartea tehnică a BA. Pentru BA Pb – Acid capacitatea scade aproximativ cu 1% la fiecare 1o C sub minus 20oC, iar ca valoare implicită se ia 0,9.

Numarul de BA in paralel:

NBA|| = CBA[Ah] / CBaselect[Ah]

345,61 : 125 = 3

In care :

CBAselect = Capacitatea BA selectate din catalog pentru SH; datele BA se trec într-un table informativ de tipul celui din tabelul 1.2.

Tabelul 5.3. : Datele de interes pentru BA selectată din catalog

Numarul de BA in serie va fi:

NBAserie = UnSH[V] / UNba[V]

48 : 12 = 4

Numărul total de BA necesare acoperirii sarcinii va fi:

NBAtot = NBAserie x NBA||

x 3 = 12

Capacitatea obținută a BA:

Kobt = NBA|| x CBaselect[Ah] [Ah]

3 x 125 = 375

Capacitatea totală utilizabilă:

Ktot ut = Kobt[ah] / Dmax [Ah]

375 x 0.8 = 300

Curentul debitat de sistemul fotovoltaic:

ISFV = IPr / KToFV [A]

99.53 : 0.9 = 110.58

în care:

KToFV = Factorul de influență a temperaturii asupra SFV, reprezintă un coeficient de corecție care ține seama de diferența curentului obținut din panoul FV fața de curentul de catalog, datorită degradării în timp, acumulării de praf și în general datorită condițiilor de operare; dacă nu se dispune de cartea tehnică a panoului fotovoltaic, se iau următoarele valori implicite, tabelul 1.3.:

Tabelul 5.4. : Valori implicite pentru CToFV în funcție de tipul modulului FV

Datele SFV se trec intru-un tabelinformativ de tipul de mai jos:

Tabelul 5.5.:Datele de interes pentru sistemul FV selectat din catalog:

2. Predeterminarea sistemului hibrid

În această fază se calculează un indicator al SH numit rata SFV/ sarcină în funcție de care proiectul va fi de SH sau sistem pur fotovoltaic. Astfel se calculează:

Sarcina zilnica:

Sziln = Scorectat[Ah/zi] x UnSH[V] [Wh/zi]

124.42 x 48 = 5972 [Wh/zi]

Sarcina anuala in kWh:

San = (Sziln[Wh/zi] x 365) /1000 = Sziln[Wh/zi] x 0,365 [kWh/an]

5972 x 0.365 = 2180 [kWh/an]

Puterea calculata a SFV:

San = (Sziln[Wh/zi] x 365) /1000 = Sziln[Wh/zi] x 0,365 [kWh/an]

110 x 48 = 5308 [kWh/an]

Rata SFV/sarcina:

RSFV/S = PSFV[W] / Sziln[W]

5308 : 5972 = 0.98

Pe baza acestui calcul și a graficului de tipul celui reprezentat în fig. 2.1. se decide astfel: dacă pentru consumatorul ales valorile se află deasupra ariei de demarcație (cu negru) este necesar de proiectat un SH, iar dacă valorile se află sub zona respectivă este suficient un sistem pur fotovoltaic sau pur eolian (dacă RR este foarte bună), iar dacă aceste valori cad în interiorul ariei de demarcație decizia se va lua în funcție de costurile totale nete precum și de bugetul disponibil.

Fig.5.2 : Graficul indicator pentru sistemul ce urmează a fi proiectat (exemplu).

3. Dimensionarea efectiva a sistemului hibrid

Dacă în urma graficului din figura 38 rezultă necesitatea unui SH, se trece la calculul efectiv al sistemului.

Elemente preliminare privind BA:

Capacitatea totală a BA necesare sistemului hibrid:

CBASH = Scorectat[Ah/zi] x ZS[zile] / Dmax / KToBA [Ah]

124.42 x 2 : 0.8 : 0.9 = 345.61 [Ah]

Timpul de descărcare a BA:

TdBA = CBASH[Ah] / Icalc[A] [h]

345.61 : 48.21 = 7.1 [h]

Curentul maxim de descărcare al BA:

Imax d = CBASH[Ah] / TîBA[h] [A]

345.61 : 7.1 = 48.67 [A]

în care:

TîBA = Timpul de încărcare al BA se ia ca valoare implicită de 5 ore;

Se face observația că dacă TdBA ≤ 5 ore acest lucru duce de obicei la distrugerea foarte rapidă a acumulatorilor, în acest caz este recomandabil a se mări numărul zilelor de stocare ZS și refacerea calculului.

Dimensionarea GD:

Puterea nominala de incarcare a GD:

PnîGD = Imax î[A] x UNsh[V] [W]

48.67 x 48 = 2336.16 [W]

Puterea GD:

PGD = PnîGD[W] / Eî / Kalt [W]

2336.16 : 0.8 : 0.95 = 3073 [W]

în care:

Kalt = Coeficientul de influență al altitudinii asupra puterii motorului: se știe că puterea motoarelor cu combustie internă scade o dată cu creșterea altitudinii datorită rarefierii aerului. În cazul GD aceasta se reflectă în scăderea EE produse. Dacă nu există disponibilă nici o informație se iau următoarele valori implicite: 3% pentru motoare pe motorină, gazolină și propan și 5% pentru motoare pe gaz natural/GPL la fiecare creștere cu 1000ft = 304m în altitudine ; de exemplu, un GD pe motorină aflat la o altitudine de 300m peste nivelul mării are un Calt = 0,97 (3%), iar la 1000m se poate considera Kalt = 0,91 (9%).

Rata SFV/sarcină: acest indicator defalcă puterea produsă de către SFV și de către GD utilizând un grafic (tabelul 2.2.). Forma curbei se modifică în funcție de caracteristica climaterică a locului de amplasare a SH. Astfel, pentru o climă cu perioade lungi de vreme aspră panta curbei va scădea ușor, indicând un sistem fotovoltaic mai mic pentru o rată SFV/sarcină dată.

Tabel 5.6. : Defalcarea sarcinii acoperite de SFV și GD

Calculul puterii necesare GD pentru acoperirea sarcinii:

PnecGD = PGD + Ptot [W]

3073 + 2398 = 5471(5.5kW)

Alegerea GD din catalog se va face astfel incat :

PGDcatalog ≥ PnecGD

În acest moment se cunoaște tipul și puterea GD necesar SH.

Se mai calculează:

Energia anuala furnizata de GD(teoretica de calcul):

EGD = (1 – SFV) x San[kWh] [kWh]

(1 – 0.5) x 2180 = 1090 [kWh]

In care:

SFV = sarcina acoperită de sistemul fotovoltaic, în procente ( în calcule se trec valorile sub formă zecimală);

San = sarcina anuală calculată cu relația.

Numarul de ore de functionare teoretica a GD:

NfctGD = EGD[kWh] x 1000 / PnîGD[kW] [h]

1090 x 1000 : 2336.16 = 466 [h]

Numarul de interventii de tip service pe an (se rotunjeste la numar intreg)

Nr.service = NfctGD / ISU [-]

466 : 400 = 1.165 => 1

In care:

ISU = Intervalul de schimb de ulei, care reprezintă numărul de ore de funcționare a GD între două schimburi de ulei.

Dacă nu sunt disponibile date de catalog se pot lua valorile implicite din tabelul 2.3:

Tabelul 5.7. : Intervale de mentenanță pentru GD utilizate pentru SH.

c)Dimensionare subsistemului fotovoltaic (SFV):

Puterea SFV:

PSFV = RSFV/S x Sziln [W]

0.2 x 5972 = 1194.4 [W]

Numarul de module FV in paralel:

NFV|| = PSFV/UnSFV /InSFV

1194.4 : 48 : 7.85 = 3

In care:

UnFV = Tensiunea nominală a modulului fotovoltaic ales din catalog [V];

InSFV = Curentul nominal al modulului fotovoltaic ales din catalog [A].

Numărul de module FV în serie:

NFVserie = UnSH / UnFV

48 : 24 = 2

Numarul total de module fotovoltaice necesare:

NFV nec = NFV|| x NFvserie

2 x 3 = 6

In acest moment se cunoaste numarul de module fotovoltaice in serie, in paralel precum si numarul total de module fotovoltaice care vor intra in alcatuirea SH.

d)Definitivarea SSE cu BA:

Numarul de BA in paralel:

NBA|| = CBASH /CBaselect

345.61 : 125 = 3

In care:

KBAselect = capacitatea BA selectata din catalog [Ah];

Numarul de BA in serie:

NBAserie = UnSH / UnBA

48 : 12 = 4

Numarul total de BA necesare SH:

NBA nec = NBA|| x NBaserie

4 x 3 = 12

În acest moment se cunoaște numărul total de BA necesare SH precum și dispunerea lor serie și paralel.

Se mai calculează:

Capacitatea totală a BA din cadrul sistemului hibrid:

CtotSH = NBA|| x CBaselect[Ah] =

= 3 x 125 = 375 [Ah]

Capacitatea efectiv utilizabila totala:

Kef.ut = KtotSH x Dmax.adm [Ah]

375 x 0.8 = 300 [Ah]

In care:

Dmax.admn=Descarcarea maxima admisibila a BA,luata din datele de catalog.

e)Dimensionarea controlerului din SCAP:

Curentul nominal al controlerului trebuie sa fie mai mare decat curentul de scurtcircuit al SFV:

IscSFV = NFV|| x IscPFV [A]

= 3 x 7.85 = 23.55 [A]

f)Dimensionarea invertorului:

Invertoarele SH de alimentare cu EE a consumatorilor izolați trebuie să îndeplinească două condiții de bază:

Puterea în funcționare continuă a invertorului trebuie să fie mai mare sau egală cu suma puterilor absorbite de către toți consumatorii pe care SH îi alimentează;

Pinv ˃ Σ Pnec = 2.398 [W]

2. Puterea maximă a invertorului trebuie să fie mai mare decât puterea la curentul de pornire maxim al consumatorilor pe care SH îi alimentează (Pmaxp).

Pinv ˃ Pmaxp[W]

Pmaxp = Ppfrigider + Pphidrofor + Ppmasinadespalat + Pled +PTV + Plaptop =

= 362 + 1320 + 2640 + 66 + 88 + 88 = 4.564 [W]

In care: curentul de pornire pentru frigider,hidrofor si masina de spalat s-a luat conform tabelului 5.4.

Tabelul 5.8.Carcacteristicile de pornire pentru diversi consumatori

Se alege un invertor Invertor xANTREX 6k W XW6048 de 3675$ [12]

5.4.Calculul economic

In urma calculelor s-a obtinut urmatoarele componente pentru sistemul hibrid, investitia initiala necesara pentru achizitionarea componentelor fiind sintetizata in tabelul de mai jos:

Tabel 5.9.Total investitie initiala

CAPITOLUL VI

Concluzii:

1.SH care utilizeaza RR precum cea solara,implica unele dificultati legate de:

Tiparul zilnic (alternața zi-noapte) și sezonier al acestora, disponibilitatea RR depinzând puternic de caracteristicele climatice ale locului;

Acoperirea sarcinii variabile la consumator din surse de conversie care utilizează resurse energetice intermitente;

Costurile de investiții inițiale relativ mari.

Datorită izolării de rețeaua națională de electrificare, aceste sisteme trebuie să funcționeze complet autonom și automat, fără intervenția utilizatorului sau a altor factori umani. În scopul realizării acestui deziderat SH se dotează, SFV cu BA, GD și SCAP care se programează atât pentru a superviza starea întregului sistem cât și pentru a direcționa fluxurile de energie după necesitățile consumatorului și prioritățile presetate.

În faza de proiectare a SH, trebuie ținut seama de toți factorii specifici de amplasament și cablare ale tuturor componentelor sistemului, în special aceaia care se referă la sistemele de valorificare a RR

4. Pentru sistemul proiectat:

Potențialul solar este suficient de ridicat pentru utilizarea de SFV ;

Datorită caracteristicilor climatice, aceste SH trebuie dotate atât cu sistem de acumulare a energiei (de preferință baterii de acumulatori), cât și cu grupuri Diesel, pentru a acoperi cererea de EE pe perioada de indisponibilitate a RR;

Iluminatul interior și exterior cu becuri de tip LED este o investiție suplimentară din partea furnizorului de SH, dar din experiența internațională aducând economii substanțiale a costului pe durata de viață a SH;

Costul total al investiției inițiale se ridică la ≈25450$ existând și posibilitatea de optimizare.

Bibliografie

[1] *** – http://www.casa-construct.ro/articole/energia-solara-sursa-inepuizabila-3.html

[2] *** – http://www.amemm.ro/energia-solara

[3]*** – http://www.amemm.ro/index.php?option=com_k2&view=item&layout=item&id=45& mid=4&lang=ro

[4]*** – http://toppanourisolare.ro/panouri-solare/tipuri-de-panouri-solare.html

[5] -Ioan Turcu:Icemeberg S.A.- Studiu privind evaluarea potentialului energetic actual al surselor regenerabile de energie in romania (solar/vant/biomasa/microhidro/geortermie )Identificarea celor mai bune locatii pentru dezvoltarea investitiilor in producerea de energie electrica neconventionala.

[6] Bunda Serban – Sistem hibrid solar-eolian-diesel pentru electrificarea unui catun izolat

[7] Bunda Serban – Amplasarea sistemelor hibride

[8]*** – www.http://generator.compari.ro/agt/6901-dsea-p53043702/

[9] Bunda Serban – Etape de proiectare amplasare si cablare a sistemelor hibrid

[10]*** – http://www.maplandia.com/romania/salaj/jibou/jibou-google-earth.html

Anexa 1 : Schema monofilara al sistemulul hibrid solar-Diesel

Anexa 2: Panourile fotovoltaice alese pentru SHSD

Anexa 3:GD pe motorina-Caracteristici tehnice

AGT 680 1 DSE

Anexa 4: Baterii de acumulatori utilizate

LIFELINE GPL-31 XT