Sistem de alimentare cu energie, monitorizare, control si comunicatie [301699]

RAPORT DE CERCETARE INOVARE

CONTRACT: 5DPST/20.08.2013

Tema: “[anonimizat], control si comunicatie

pentru habitate temporare aflate in izolare” – SIGHAB

Etapa I: Analiza solutiilor actuale si cerintelor legislative in domeniul SIGHAB

Director general: dr.ing. Ion POTÂRNICHE

Responsabil proiect: ing. Razvan MARCULESCU

Vol. ……..

Ex. ……..

Data:

[anonimizat]–ACTEL S.A.:

• redresoare numerice universale (RUN)

[anonimizat] o [anonimizat]. [anonimizat], egalizarea, descărcarea recuperativă și protecția bateriilor de acumulatoare. Se folosesc și ca surse de tensiune continuă independente.

• echipamente de actionare motoare de curent continuu (EAMC)

[anonimizat], [anonimizat].

• echipamente de actionare motoare asincrone (EMAS)

[anonimizat]-o [anonimizat]: conveiere, [anonimizat], ventilatoare, [anonimizat], centrifuge, [anonimizat].

• echipamente de excitatie statica (SRATN)

[anonimizat], reglarea și protectia înfășurării de excitație a mașinilor sincrone: [anonimizat].

• echipamente de actionare pentru instalatii de foraj (SDACRN)

[anonimizat] ([anonimizat], pompe de noroi etc.).

Activitati secundare :

[anonimizat]:

• cercetarea aplicata: [anonimizat];

• dezvoltarea experimentala: [anonimizat]/[anonimizat], [anonimizat] a [anonimizat], precum si imbunatatirea substantiala a celor deja produse sau instalate.

Servicii:

• Cercetare

• Proiectare

• Consultanță pentru identificare aplicație

• Asistență tehnică la montaj

• Asistență tehnică la punere în funcțiune

• Service în perioada de garanție și postgaranție

• Scolarizare personal clienți

ICPE ACTEL oferă asistență tehnică pe toată durata de viață a produselor.

Experienta relevanta in domeniul proiectului

ICPE ACTEL S.A. [anonimizat] a [anonimizat], fiabile, avantajoase, [anonimizat], cu calitate atestata pentru medii specifice diferite.

Produsele care poarta marca ICPE ACTEL S.A. îmbina avantajele componentelor de electronica de putere ([anonimizat]) cu tehnicile de reglare numerica a [anonimizat], pentru a fi oferite într-o gama diversa spre multiple domenii: generare si distributie energie electrica, foraj terestru si marin, telecomunicatii, industrii (metalurgica, chimica, etc), transport terestru (auto, feroviar) si naval, agricultura, atat in tara cat si la export (Franta, India, Turcia, Irak, Kazakhstan, Rusia, Republica Moldova, Emirate).

Cei peste 55 ani de traditie in domeniul actionarilor electrice recomanda S.C. ICPE-ACTEL S.A. ca pe un insemnat producator de echipamente complexe, bazate pe electronica de putere.

ICPE ACTEL a derulat și conlucrează la proiecte de cercetare cu finanțare din fonduri publice având parteneri de prestigiu: Comitetul Electrotehnic Român (programele AMTRANS și CALIST), Universitatea Politehnica din București CMIM (RELANSIN, CEEX), Agenția de Cercetare pentru Tehnică și Tehnologii Militare (SECURITATE).

ICPE ACTEL dispune de o experiență de CONTRACTOR, în cadrul a 11 asemenea programe.

Obiectivul proiectului de cercetare consta in realizarea integrata a sistemului complet mobil si flexibil de energizare, control, comunicatie, monitorizare functii biologice ai subiectilor umani, monitorizare perimetrala si de mediu, instalatii auxiliare de apa.

Obiectivele specifice ale proiectului sunt:

evaluarea tuturor parametrilor economici, pentru identificarea cu precizie a țintelor de dezvoltare tehnologică și pentru minimizarea riscurilor de natură economică;

crearea și menținerea continuă la zi a unei baze de date ce va conține informații cu privire la modificările tehnologice ale componentelor produsului, în vederea implementării în exclusivitate a soluțiilor tehnologice de vârf;

maximizarea eficienței spațiului, prin realizarea unui sistem inovativ de împachetare compactă a echipamentelor utilizate, in vederea asigurarii unui transport usor al acestora catre locul de amplasare;

dezvoltarea durabilă a procesului de producție, prin adoptarea celor mai noi soluții de eficiență energetică la întregul lanț de producție;

inovația continuă, susținută de dialogul permanent cu clienții, pentru identificarea cerințelor acestora și pentru updatarea permanentă a portofoliului de servicii oferite;

dimensionarea scalabilă a produsului pentru a se înlesni posibilitatea de adăugare la cerere, a unor de pachete de servicii de mentenanță, monitorizare și updatare continuă a soft-ului si echipamentelor;

dezvoltarea unei structuri generale prin care utilizatorul final poate alege între mai multe alternative, pornind de la o opțiune de bază relativ ieftină a sistemului și apoi adăugarea diverselor pachete de echipamente opționale, fiecare dimenisionate pentru a răspunde unor nevoi specifice;

Realizarea unei instalatii mobile si flexibile pentru amplasamente izolate atat in situatii de urgenta cat si pentru destinatii speciale intr-o perioada de 36 de luni;

Proiectarea si cu un puternic accent inovativ in ceea ce priveste protectia mediului, flexibilitatea alimentarii cu energie, managementul computerizat al resurselor, comunicatii interne si externe, securitate perimetrala, iluminat si apa precum si biomonitorizarea subiectilor umani cu potential de risc;

Dezvoltarea sistemului prin utilizarea unor tehnologii de ultima ora in ceea ce priveste versatilitatea in aplicare si cerintele de operare in conditii extinse de mediu, perfect adaptate impachetarilor optimale in containere de transport;

Dezvoltarea unei infrastructuri suport: containere de transport, sistem suport pentru panourile solare, catarg segmentat pt turbina eoliana, adecvate impachetarii si usor de desfasurat in amplasament;

Adoptarea unei solutii constructive orientata spre adaptarea cerintelor tehnice ale produsului la potentialul de risc din tara: inundatii, cutremure, alunecari de teren.

Produsul este realizat din 6 module distincte, realizate independent de catre membrii consortiului, urmand a fi integrate in cadrul unui sistem modular complex de catre coordonatorul proiectului SC WING COMPUTER GROUP SRL. Modulele vor fi functionale atat ca parte a sistemului integrat dar si independent, putand fi comercializate si separat fata de restul sistemului.

3.1 Istoria energiei

Energia, din punct de vedere științific, este o mărime care indică capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic când trece printr-o transformare din starea sa într-o altă stare aleasp ca stare de referință. O definiție mai ușor de înțeles este dată de sensul comun al cuvântului cu semnificația de forță, vigoare, putere, tărie, capacitatea de a acționa.

Energia joacă un rol fundamental în modelarea condiției umane. Nevoia omului pentru energie este esențială supraviețuirii, așa că nu este de surprins că producerea și consumul de energie sunt unele din cele mai importante activități ale vieții umane. Se consideră că energia este cheia "avansului civilizației", că evolutia speciei umane depinde de conversia energiei pentru folosul omului. Puțini oameni au pus sub semnul îndoielii împamântenita presupunere că nivelul standardului de viață și calitatea vieții sunt proporționale cu cantitatea de energie folosită de o societate. Oricât de imprecis ar putea fi, majoritatea oamenilor încă acceptă formula statornicită: energie = progres = civilizație.

Astăzi, electricitatea este principala sursă de energie folosită de om, parte integrantă a oricărei activități pe care o facem și folosită la scară din ce în ce mai largă pe an ce trece. Pe măsură ce folosirea electricității a căpătat adoptare globală în timpul secolului XX, exploatarea resurselor naturale a crescut enorm. Hidrocentralele au continuat să joace un rol important în noua matrice energetică, dar zonele cu potențial au fost curând captate. Inginerii au îmbunătățit constant motorul cu aburi astfel încât randamentul producției de electricitate să crească. Odată cu creșterea eficienței centralelor, costul electricității a scăzut dramatic, fapt ce a dus la creșterea consumului. Combustibilii fosili, mai întâi cărbunele și apoi petrolul, au devenit principalele resurse pentru producerea energiei electrice.

3.2 Energia din combustibili fosili

Descriere și istoric

La ora actuala cel mai utilizat mijloc de alimentare in zone izolate este grupul motor-generator, care reprezinta ansamblul format din dintr-un motor cu ardere interna si un generator, care poate fi de curent continuu sau de curent alternativ, care la randul sau poate fi monofazat sau trifazat. Motoarele cu ardere interna (Fig.1) au aparut in diverse forme inainte de secolul 19, dar abia in jurul anului 1850 au inceput sa fie folosite in numar mare in domeniul forajului si productiei petrolului.

Prin definitie, generatorul electric reprezinta un dispozitiv care transforma energia mecanica in energie electrica. In cazul de fata, energia mecanica este furnizata prin intermediul unui ax de catre motorul cu ardere interna, dar aceasta poate sa vina de asemenea de la o turbina eoliana sau de la o turbina de apa, etc. Generatoarele produc aproape toata energia disponibila in reteaua electrica.

Inversul conversiei de putere de mai sus, adica din energie electrica in energie mecanica este realizat de motoarele electrice. Diferentele constructive intre generatoare si motoare sunt foarte mici.

Ca istorie, in anul 1831 Michael Faraday (1791-1867) construieste primul generator electric numit „Discul lui Faraday” (Fig.6), un tip de generator homopolar. Pentru crearea acestuia s-a plecat de la ideea ca energia mecanica de rotatie poate fi convertita in energie electrica. Principiul de functionare al acestui generator va fi numit ulterior „Legea lui Faraday” care spune ca „o forta electromotoare este generata intr-un conductor electric care este inconjurat de un flux magnetic variabil”.

„Discul lui Faraday” utiliza un disc fabricat din cupru care se rotea untre polii unui magnet in forma de potcoava. La rotirea acestuia se producea o mica tensiune de curent continuu. Din pacate, solutia testata de Faraday s-a dovedit a fi ineficienta datorita faptului ca apareau circulatii de curenti care se anulau reciproc in zonele din disc care nu se aflau sub influenta campului magnetic. Acest efect limita puterea la iesire si ducea la incalzirea discului de cupru.

Ulterior s-au folosit generatoarele homopolare care aveau o serie de magneti aranjati in jurul perimetrului discului cu scopul de a mentine un camp magnetic constant. Experimental s-a descoperit ca folosind mai multe spire intr-o bobina se puteau obtine tensiuni mai mari, astfel putandu-se obtine orice tensiune dorita la iesire prin varierea numarului de spire. Astfel, bobinajele au devenit o componenta de nelipsit in urmatoarele proiecte de generatoare.

Dinamul a fost primul tip de generator electric ce a fost capabil sa ofere energie pentru industrie. Acesta se foloseste de inductia electromagnetica pentru a converti rotatia mecanica in curent continuu folosind un comutator. Primul dinam a fost construit in anul 1832 de catre Hippolyte Pixii impreuna cu Ampere.

Dinamul este alcatuit dintr-o structura stationara care produce un camp magnetic constant si o structura alcatuita din bobine ce se roteste in interiorul campului magnetic. La generatoarele de putere mica campul magnetic poate fi produs de catre o structura de magneti permanenti. Pentru puteri mai mari, magnetii permanenti sunt inlocuiti de electromagneti, ce pot furniza un camp magnetic mult mai puternic.

Mai tarziu, Michael Faraday a creat un generator electric cu functionare heteropolara. Acesta a dispus bobinele care generau campul magnetic in directii opuse si astfel a luat nastere generatorul de curent alternativ. Acesta este folosit la ora actuala in procent de 99% deoarece distributia de energie in curent alternativ s-a dovedit a fi mult mai facila datorita posibilitatii de transformare a energiei cu pierderi foarte mici prin intermediul transformatoarelor. Astfel, a devenit posibil transportul energiei la nivele de tensiune foarte mare si curent mic, deci cu pierderi (prin efect Joule) foarte mici.

Principii de functionare

In functie de configuratia lor, motoarele cu ardere interna sunt de mai multe tipuri:

a) Cu miscare rectilinie: in doi timpi, in patru timpi (ciclul Otto), in sase timpi, Diesel. ciclul Atkinson, ciclul Miller

b) Cu miscare rotativa: Wankel

c) Cu combustie continua: turbina pe gaz, cu reactie

Din tipurile enumerate mai sus, cel mai des folosite sunt cele in patru timpi. Acestea, dupa cum implica si denumirea, cuprind in functionarea lor patru timpi distincti:

1)Admisia combustibilului reprezinta prima cursa a motorului, de asemenea cunoscuta si sub numele de cursa de aspiratie. La acest moment pistonul se deplaseaza in pozitia maxima de volum (pozitia de maxim jos) si astfel se creaza un vacuum (presiune negativa). Supapa de admisie se deschide si astfel amestecul de aer si combustibil (sub forma de vapori) este aspirat in camera de ardere. La sfarsitul acestui timp are loc inchiderea supapei de admisie.

2) Compresia amestecului combustibil/aer are loc cu ambele supape inchise (de admisie si de evacuare). Pistonul incepe sa se deplaseze catre pozitia sa de volum minim (pozitia de maxim sus) si astfel comprima amestecul combustibil. In timpul acestui proces presiunea, temperatura si densitatea amestecului cresc.

3) Aprinderea amestecului are loc imediat dupa ce pistonul ajunge in pozitia de volum minim (pozitia de maxim sus). Acum, in functie de combustibilul folosit, amestecul ori este aprins de catre bujie (in cazul motoarelor pe benzina), ori se autoaprinde ca urmare a presiunii si temperaturii foarte ridicate (in cazul motoarelor Diesel). In urma exploziei presiunea in camera de ardere creste foarte mult, fapt ce conduce la impingerea pistonului catre pozitia de volum maxim (pozitia de maxim jos). Aceasta energie este transmisa prin intermediul arborelui cotit catre sarcina (in cazul de fata catre generator).

4) Evacuarea gazelor arse are loc dupa deschiderea supapei de evacuare. Pistonul incepe sa se deplaseze catre pozitia de volum minim (pozitia de maxim sus) si impinge catre exterior gazele arse. Dupa evacuarea gazelor si ajungerea pistonului in pozitia de volum minim (pozitia de maxim sus), supapa de evacuare se inchide si cea de admisie se deschide si astfel incepe o noua secventa in ciclul urmator.

Alte variante constructive suprapun unii din timpi. Motoarele cu turbina de exemplu parcurg acesti pasi simultan, dar acestia au loc in parti diferite ale motorului.

In cazul grupurilor motor-generator cele mai utilizate motoare sunt cele diesel. Se folosesc si motoare pe benzina, dar numai pana la un nivel scazut de putere (cateva sute de wati), unde consumul de combustibil nu este foarte important si se prefera ca grupul motor-generator sa cantareasca cat mai putin pentru a putea fi transportat cat mai usor.

Varianta cu motor diesel este preferata in cazurile in care portabilitatea ansamblului nu conteaza atat de mult. Din punct de vedere constructiv, motoarele Diesel cantaresc mai mult deoarece, functionand la presiuni mult mai mari decat la motoarele pe benzina, acestea au o constructie mult mai solida.

Din punct de vedere al eficientei, motoarele Diesel au cea mai mare eficienta energetica deoarece prezinta un randament termic mult mai mare decat cele pe benzina. Eficienta lor poate trece de 50%, pe cand cele pe benzina abia ating 30%. Din acest motiv, in cazul echipamentului descris in proiectul de fata, este de preferat alegerea unui generator Diesel. De asemenea, combustibilul utilizat de acestea (motorina) este mai usor de prelucrat din petrol decat benzina si este mai usor de gasit in zonele izolate.

Un generator sincron este alcatuit din :

1) carcasa, 2) miez feromagnetic statoric (stator), 3) infasurare statorica, 4) scut de sustinere si protectie, 5) ax (arbore), 6) infasurare rotorica, 7) miez feromagnetic rotoric, 8) lagar, 9) intrefierul si stator-rotor.

Circuitul magnetic al masinii sincrone este alcatuit din doua miezuri feromagnetice cu infasurari care sunt separate printr-un intrefier (aer). Pentru a reduce pierderile prin curenti turbionari, circuitul magnetic este confectionat din tole de fier cu pana la 5% siliciu.

Funcționarea mașinilor electrice de curent alternativ se bazează pe fenomenul inducției electromagnetice și al apariției forței electromagnetice, fenomene ce se manifestă simultan, indiferent de regimul de funcționare (motor sau generator).

Din punct de vedere electric o mașină cuprinde două categorii de înfășurări: una inductoare, care produce câmpul magnetic inductor și alta indusă, în care se induc tensiuni electromotoare.

Mașina sincronă este caracterizată prin faptul că viteza de rotație a rotorului, în regim de funcționare staționar este riguros dependentă de frecvența tensiunii la care este conectată infășurarea de curent alternativ și numărul de perechi de poli ai câmpului învârtitor, respectiv ai înfășurării de excitație. Un element caracteristic pentru mașina sincronă constă în alimentarea în curent continuu a înfășurării de excitație. Datorită acestui fapt mașina sincronă poate funcționa la factor de putere unitar.

In figura de mai sus este prezentata masina sincrona in constructie directa (a) si in constructie inversata (b).

Rotorul masinii sincrone poate avea mai multe forme constructive:

a) Cu poli aparenti (Fig.9 – a)

b) Cu poli inecati (Fig.9 – b)

Principalele componente ale rotorului sunt: 1- ax, 2- piese polare, 3- miez sau dinti, 4- infasurare de excitatie.

Rotorul cu poli aparenți se folosește la construcția hidrogeneratoarelor (viteza sub 500 rot/min) și a motoarelor sincrone pentru viteze sincrone reduse (mulți poli), iar rotoarele cu poli înecați se folosesc la construcția turbogeneratoarelor care au o singură pereche de poli și mai rar două perechi.

Mașina sincronă poate funcționa în regim de generator, motor sau compensator sincron pentru furnizarea puterii reactive necesare la compensarea factorului de putere. Mașina sincronă în construcție directă se utilizează pentru producerea energiei electrice în centrale și se folosește la puteri foarte mari (până la 1500 MVA).

La puteri sub 100 KVA, mașinile sincrone se construiesc și în variantă inversată, având pe stator înfășurarea de excitație, iar pe rotor înfășurarea de curent alternativ (Fig. 9 -b). Accesul la această înfășurare se face prin intermediul a trei inele și perii. Dacă se scoate și nulul la placa de borne, este necesară montarea unui al patrulea inel.

Principalele părți componente sunt prezentate în figura de mai jos: 1 – excitatoare (generator de curent continuu, 2 – carcasă, 3 – inel de ridicare, 4 – miez stator, 5 – înfășurare stator, 6 – paletă ventilator, 7 – piesă polară, 8 – cuplă, 9 – ax, 10 – fereastră aspirație, 11 – placă borne, 12 – talpă susținere, 13 – scut, 14 – inele.

Puterile mașinilor sincrone sunt limitate din considerente mecanice și termice. Pentru răcire se folosește ca agent termic aerul, hidrogenul și apa. La puteri mari, răcirea conductoarelor se face direct, fluidul de răcire circulând în contact cu conductorul. Prin utilizarea supraconductibilității se prevede puterea limită de 2500 și 5000 MVA.

Gama foarte largă de puteri pentru care se construiesc mașinile sincrone impune realizarea de variante diferite pentru sistemele de excitație ale mașinii. Sursa de curent continuu necesară pentru excitația mașinii sincrone se adoptă funcție de puterea mașinii și de condițiile ce se impun la funcționarea în regim normal și de avarie.

O condiție importantă ce se impune sistemului de excitație constă în realizarea unei viteze mari de răspuns, adică asigurarea creșterii într-un timp foarte scurt a tensiunii la bornele înfășurării de excitație, în scopul restabilirii rapide a tensiunii la bornele generatorului sincron, în caz de avarie în sistemul electroenergetic. Reglarea curentului de excitație trebuie să se facă în limite largi chiar la funcționarea normală, pentru a asigura circulația puterii reactive între generator și sistem. Pentru a asigura furnizarea puterii electrice în condițiile funcționării normale, fiecare mașină sincronă este prevăzută cu două sisteme de reglaj: sistemul de reglare automată a tensiunii (RAT) care comandă curentul de excitație funcție de mărimile de ieșire ale generatorului (putere, tensiune, curent, unghi intern) și sistemul de reglare automată a vitezei de rotație care comandă vana de admisie a agentului primar (abur, apă, gaz).

Regimul de generator sincron este cel mai des întâlnit la mașina sincronă. Înfășurarea de excitație, alimentată în curent continuu, este antrenată de un motor primar la viteza de sincronism. Câmpul magnetic învârtitor care este dat de sistemul inductor produce un flux magnetic variabil în timp, care înlănțuie spirele fiecărui circuit de fază a înfășurării statorului și induce o tensiune electromotoare în fiecare fază. Decalajul spațial al celor trei faze determină apariția unui sistem trifazat de tensiuni. Dacă la bornele statorului este conectată o impedanță trifazată simetrică, atunci înfășrările vor fi parcurse de un sistem trifazat de curenți, care va da naștere unui câmp magnetic învârtitor, numit câmp magnetic de reacție ce se rotește tot cu viteza sincronă ca și câmpul învârtitor de excitație (inductor). Cele două câmpuri magnetice se compun și se obține câmpul magnetic învârtitor rezultant din mașină. Generatorul sincron debitează pe impedanța de sarcină o putere electrică P2 care este mai mică decât puterea mecanică P1 primită la ax de la motorul primar, datorită pierderilor.

Avand in vedere bilanțul energetic al generatorului sincron, pierderile în excitatoare se iau în considerare numai dacă excitatoarea este cuplată pe axul mașinii sincrone. În fierul rotoric nu se pro-duc pierderi deoarece curentul de excitație este conti-nuu și fluxul este constant în timp. Dacă din puterea mecanică primită la ax se scad pierderile mecanice, se obține puterea P, transferată statorului prin întrefier numită putere electromagnetică. Cuplul electromagnetic este un cuplu rezistent și se opune cuplului activ dat de motorul primar fiind definit prin relația:

P= -M * Ω1

Din puterea electromagnetică P preluată de către stator, cea mai mare parte se transferă sub formă de putere electrică impedanței de sarcină și numai o parte se consumă pentru acoperirea pierderilor prin efect electrocaloric în înfășurarea trifazată și o altă parte acoperă pierderile în fierul statorului încât se poate scrie relația:

P=P2 + pj + pFE

și astfel se poate defini randamentul generatorului.

În situația în care un generator sincron este conectat la o rețea la care sunt cuplate și alte generatoare, se spune că generatorul respectiv funcționează în paralel cu celelalte. Dacă rețeaua la care sunt cuplate generatoarele sincrone își menține tensiunea și frecvența constantă la variația sarcinii atunci rețeaua se consideră de mare putere (se utilizează și termenul rețea de putere infinită).

Un al doilea regim de funcționare al generatorului sincron este regimul autonom în care generatorul sincron funizează energia receptoarelor printr-o rețea proprie la care nu mai sunt conectate și alte generatoare.

Un sistem energetic este alimentat de la mai multe centrate electrice la care diferă forma de obținere a energiei electrice (hidrocentrale, termocentrale, centrale nucleare). Sistemele neconvenționale de conversie a energiei mareelor, eoliene, solare în energie electrică nu pot fi incluse, de obicei, în sistemele energetice.

Fiecare centrală electrică, indiferent de modalitatea conversiei unei forme de energie, este utilată, de regulă, cu mai multe generatoare sincrone care debitează simultan pe o rețea dată, asimilată cu un generator sincron. În această situație, se pune problema cuplării și funcționării în paralel a două generatoare.

Condițiile de cuplare în paralel a două generatoare sincrone sunt impuse de respectarea următoarelor condiții:

– egalitatea tensiunilor;

– egalitatea frecvențelor;

– coincidența ordinii de succesiune a fazelor;

– existența condiției ca tensiunile celor două surse în momentul cuplării în paralel să fie în fază.

Se consideră că tensiunile celor două generatoare sincrone au același mod de variație în timp, de preferințăde formă sinusoidală.

Generatorul sincron funcționează autonom dacă debitează puterea electrică produsă, unei impedanțe de sarcină oarecare și nu este conectat la o rețea pe care debitează alte generatoare. Asemenea cazuri se întâlnesc doar în instalațiile izolate: cabane, grupuri electrogene de rezervă, vehicule (autoturisme, vagoane de cale ferată, etc.). Se presupune că generatorul sincron autonom este antrenat la viteza constant de sincronism, adică frecvența tensiunii la borne nu se modifică. Ca și în cazul generatoarelor de curent continuu, la generatoarele sincrone pot fi trasate: caracteristica de mers în gol, caracteristici externe, caracteristici de reglaj, caracteristici în sarcină și caracteristici de scurtcircuit.

Caracteristica de funcționare în gol se definește prin relațiile:

Eo = f(Iex); n = n1 ; I = 0

Eo = 4,44 Kw W f Φ

Se știe că tensiunea electromotoare indusă de câmpul învârtitor de excitație este proporțională cu fluxul maxim care depinde de mărimea curentului de excitație. La o anumită scară, caracteristica de mers în gol este similară curbei de magnetizare. În situația în care polii nu prezintăun magnetism remanent, caracteristica de mers în gol pleacă din origine (curba cu linie întreruptă), iar în situația în care polii prezintă un magnetism remanent, în lipsa curentului de excitație, se obține o tensiune Erem care reprezintă (5 – 10)% din tensiunea la borne corespunzătoare regimului nominal (curba cu linie plină).

Caracteristicile externe diferă ca aliură în funcție de natura sarcinii: la sarcină activă și activ-inductivă, odată cu creșterea sarcinii, tensiunea la borne U scade în raport cu tensiunea de mers în gol Eo, datorită efectului distorsionant și respectiv demagnetizant al reacției indusului, în timp ce la o sarcină activ-capacitivă, odată cu creșterea sarcinii, tensiunea la borne U crește în raport cu tensiunea de mers în gol Eo, datorită efectului magnetizant al reacției indusului.

Principalele componente ale unui grup electrogen sunt:

1) Motorul – reprezinta sursa generatoare de energie mecanica. Puterea acestuia este direct proportionala cu puterea maxima care poate fi debitata de catre generator. In functie de necesitati, motorul poate functiona cu mai multe tipuri de combustibili, cum ar fi motorina, benzina, gazolina, propan (in forma gazoasa sau lichida) sau gaz natural. Unele tipuri de motoare pot chiar functiona cu mai multe tipuri de combustibil.

2) Generatorul – reprezinta componenta care converteste energia mecanica produsa de catre motor in energie electrica. In cele mai multe cazuri acesta este un generator sincron, care poate fi monofazat sau trifazat, in functie de aplicatie. Functionarea acestuia a fost descrisa pe larg in capitolul precedent.

3) Sistemul de alimentare – este responsabil cu asigurarea alimentarii motorului cu combustibil. In Fig.28-(3) rezervorul de combustibil este reprezentat ca si componenta de sine statatoare, dar in anumite cazuri acesta poate fi inglobat in sasiul generatorului. Rezervorul asigura o anumita autonomie generatorului, dar la acesta poate fi conectat si un alt rezervor suplimentar, in cazurile in care este nevoie de o autonomie foarte mare.

O alta componenta importanta a sistemului de alimentare este pompa de combustibil care transfera combustibilul din rezervor catre motor. Aceasta, de obicei, este o pompa electrica, dar in anumite cazuri poate fi si mecanica, cu actionare prin cama. Filtrul de combustibil este responsabil cu filtrarea combustibilului, oprind trecerea eventualelor impuritati catre sistemul de injectie a combustibilului. Injectorul de combustibil atomizeaza combustibilul lichid si injecteaza cantitatea necesara catre camera de ardere a motorului.

4) Regulatorul de tensiune, dupa cum sugereaza si numele, regleaza tensiunea la iesirea generatorului. Acesta injecteaza curent in infasurarea rotorica (de excitatie) a generatorului. Tensiunea la iesirea generatorului este controlata prin varierea curentului de excitatie. De asemenea, regulatorul de tensiune monitorizeaza curentul de iesire (statoric) al generatorului si asigura protectia acestuia la suprasarcina. Frecventa tensiunii de iesire este si ea monitorizata.

5) Sistemul de racire al motorului este compus din pompa de lichid care este antrenata de catre motor, radiator (schimbatorul de caldura) si ventilator. Un debit de lichid de racire circula prin interiorul motorului si asigura racirea corespunzatoare a acestuia.

6) Sistemul de ungere asigura lubrifierea corespunzatoare a motorului si este format dintr-o pompa de ulei care recircula uleiul aflat in baia de ulei prin interiorul motorului, asigurand astfel lubrifierea necesara acestuia.

7) Incarcatorul de baterie este antrenat tot de catre motor si asigura, prin intermediul unui regulator, incarcarea bateriei motorului. Aceasta este necesara pentru alimentarea electromotorului ce antreneaza motorul, in vederea pornirii acestuia.

8) Panoul de control reprezinta interfata de control a generatorului. De aici se poate comanda pornirea sau oprirea generatorului, se pot monitoriza si seta parametrii de functionare ai acestuia.

9) Sasiul de fixare reprezinta suportul pe care se fixeaza motorul si generatorul, impreuna cu componentele auxiliare ale acestora. Fixarea se face prin intermediul unor suporturi elastice care reduc transmiterea vibratiilor produse in functionare. De cele mai multe ori in interiorul sasiului se inglobeaza si rezervorul de combustibil.

10) Sistemul de admisie aer furnizeaza aer filtrat motorului si este compus dintr-un filtru de aer asezat intr-o carcasa si un sistem de tuburi care directioneaza aerul catre admisia motorului.

11) Sistemul de evacuare este compus dintr-o toba de esapament care are rolul principal de a reduce zgomotul produs de evacuarea din motor a gazelor arse.

Adaptarea tehnologiei la cerințele proiectului

Pentru modelul experimental al primei etape se va alege un grup diesel generator de mici dimensiuni care sa asigure o autonomie mare de functionare in cazul lipsei surselor alternative de energie (solar – eolian). De asemenea grupul trebuie sa aiba optiune de pornire automata de la distanta si control digital al functionarii pentru o integrare facila in schema de automatizare a produsului finit.

Modelul ales este KDE6700TA produs de Kipor. Acesta furnizeaza la iesire o tensiune monofazata de 230Vca / 50Hz.

3.3 Energia solară

Descriere și istoric

Soarele este atât la propriu cât și la figurat în centrul civilizației umane, rolul său decisiv în aparitia vieții pe Pământ fiind continuat ulterior cu întrebuințări din ce în ce mai evoluate.

Pământul primește 174PW de radiație solară la marginea superioară a atmosferei. 30% din această cantitate este reflectată înapoi in spatiu, restul fiind absorbită de nori și atmosferă, oceane și suprafețele de pământ. Spectrul luminii solare la nivelul solului coincide cu spectrul vizual și se extinde puțin în infraroșu apropiat și ultraviolet apropiat. Energia solară totală absorbită de atmosfera Terei, oceane și suprafețele de pământ însumează aproximativ 3,85 milioane de exojouli (3,85 x 1018 EJ) pe an. Din aceasta, aproximativ 3 mii de exojouli sunt capturați prin fotosinteză de biomasă. Cantitatea de energie solară la nivelul suprafeței pământului este atât de mare încât pe parcursul unui an depașește cumulul de energie din toate sursele neregenerabile la un loc (cărbune, petrol, gaze și minereuri de uraniu). În afară de energiile geotermale și energia mareelor, toate celelalte energii alternative derivă din energia solară.

Utilizările soarelui se împart în tehnologii solare pasive și tehnologii solare active. În timp ce tehnologiile pasive se referă la luarea în calcul a soarelui pentru încălzirea, luminarea și ventilarea naturală a clădirilor, tehnologiile active tratează metode de conversie a energiei solare în alte forme utile de energie. Aceste metode de conversie produc fie direct electricitate prin celule fotovoltaice, fie prin încălzirea unui fluid de lucru care este folosit pentru energia termică acumulată fie supus unei noi conversii în electricitate prin turbine cu aburi.

Generarea de electricitate folosind metoda indirectă de captare a energiei solare se numește CSP (Concentrated Solar Power – energie solară concentrată) și implică un sistem de lentile sau oglinzi și dispozitive de urmărire ce focalizează lumina soarelui într-o zonă restransă în care se află fluidul de lucru. În funcție de natura fluidului și tipul de instalație, se ating valori de sute de grade care duc la angrenarea de turbine cu aburi și generarea energiei electrice. Sistemele CSP au avantajul de a putea furniza energie și în lipsa soarelui din cauza inerției termice a fluidului de lucru.

Caracterul intermitent pe termen scurt (trecerea de la zi la noapte) și periodic (cu niveluri mai mari de radiație solară în timpul verii și mai mici în timpul iernii) al energiei solare este o problemă importantă în nevoia constantă de energie. Din punct de vedere al periodicității, aceași situație este împărtășită și de energia eoliană, cu mențiunea că cele două surse regenerabile au caractere oarecum complementare cu tendințe de vânt mai puternic iarna și soare mai puternic vara. Pentru rezolvarea disponibilității intermitente tendința este de a lega energia solară de alte forme de energie alternativă. Așa cum s-a vazut, în sistemele solare concentrate, fluidele de lucru pot reprezenta și mediul de stocare al energiei sub formă termică, ajungandu-se la autonomii de 39 de ore.

Sistemele fotovoltaice fară conexiune la rețeaua electrică folosesc de obicei baterii de acumulatori pentru obținerea autonomiei pe timpul nopții sau în zilele înorate. Sistemele cu conectare la retea au disponibilă ca soluție stocarea hidroelectrica prin pompare. În timpul zilei o parte din energie este folosită pentru pomparea unui volum de apă de la o înălțime scăzută la una mai ridicată, în timp ce noapte ciclul se inversează iar căderea de apă antrenează pompa ce devine generator. Altă metodă de stocare este fotosinteza artificială care transformă energia solară în energia chimică a unui combustibil "solar".

Ca o eficientizare a dispozitivelor fotovoltaice clasice, au apărut dispozitivele fotovoltaice concentrate (CPV – Concentrated PhotoVoltaics), care nu trebuiesc confundate cu instalațiile CSP. Similar tehnologiei CSP, și aici este vorba de concentratea luminii soarelui în general cu lentile sau oglinzi pe suprafețe fotovoltaice, cumulat cu folosirea de dispozitive de orientare cu rol de menținere a celulelor în punctul focal al concentratoarelor. Un tip de sisteme CPV îl reprezintă concentratoarele de luminiscentă solară (LSC – Luminiscent Solar Concentrators) care operează pe principiul colectării radiației de pe o suprafață mare și direcționarea ei către o suprafață mai mică de ieșire cu nivel mai ridicat al radiației.

O altă formă de captare a energiei solare o reprezintă generatoarelor termoelectrice ce se folosesc de efectul Seebeck în joncțiuni semiconductoare.

Celulele fotovoltaice impreună cu generatoarele termoelectrice sunt singurele moduri de generare a energiei electrice în mod static, fără părți în mișcare. Acest lucru aduce un plus de fiabilitate și un volum mai mic de operații de mentenanță, rezultând un cost scăzut de operare.

Pe plan global, din punct de vedere al importanței, energia fotovoltaică este pe locul trei, după energia hidro și eoliană. La finele anului 2011, puterea totală instalată cumula 69GW, numar ce este într-un trend crescător accentuat. Mai mult de 100 de țări au adoptat energia fotovoltaică, pe primul loc aflându-se atât Uniunea Europeană ca entitate confederală cât și Germania ca stat individual. Pe locul doi se află Italia, urmată de Japonia și Statele Unite ale Americii.

În mod surprinzător, în anii '70-'80 Romania ocupa locul 3 în lume cu 860.000m2 de panouri solare instalate, de calitate slabă însă. De atunci lucrurile s-au schimbat radical, comparativ cu locurile fruntașe unde acum puterile instalate ajung la mii de MWp, la finele aceluiași an 2011, Romania abia ajungea în jurul cifrei de 3 MWp, în ciuda unui potențial energetic solar de 1,2 TWh producție anuală. Așezarea geografică este favorabilă, cu un potențial de 210 zile însorite pe an cu aproximativ 600-800 kWh/m2/an energie tehnic fezabilă pentru captare. Cele mai importante regiuni din acest punct de vedere sunt coasta Mării Negre, Dobrogea și Oltenia. Dacă până acum proiectele au țintit instalații mici ce nu au depășit 1MW și s-au bazat pe investiții locale, la finele anului 2012 se estimează deja un salt la 61MW cu extindere spre 200MW în viitorul apropiat, aducând România printre fruntașele în zona Europei de est.

Planurile pentru parcul solar de la Covaci pun în discuție o instalație cu 480.000 de panouri First Solar în tehnologie thin-film cu 35MW putere instalată. Parcul ar ocupa o suprafață de 560 hectare langă comuna Sanandrei și ar costa 180 milioane de euro, bani ce se doresc a fi atrași în proporție de 98% din fonduri europene nerambursabile. Alt proiect important de 32MW, împărțit în 4 secțiuni de 8MW fiecare este planificat tot în judetul Timiș, lângă localitatea Gătaia. Un proiect de 48MW lângă Segarcea, județul Dolj, este o alta perspectiva îmbucurătoare.

Brosurile de promovare a energiilor verzi prezintă slogane de genul "Energia solară este gratuită", însă dupa cum știm, în realitate nimic nu este "gratuit". La apariția tehnologiei, era necesară mai multa energie pentru a produce o celulă solară decât putea aceasta să genereze în timpul duratei ei de viață. Cu timpul tehnologia a evoluat și datorită noilor descoperiri și reducerii costurilor de producție s-a ajuns la perioade de recuperare a energiei de producție de sub un an pentru panourile de ultimă oră realizate în tehnologie thin film, perioadă ce reprezintă în jur de 3% din durata de viață a panoului.

Având în vedere că sursa de energie este soarele, iar pentru funcționare nu sunt necesare alte surse de energie și nu există părți în mișcare, sistemele fotovoltaice nu sunt poluante și nu eliberează gaze cu efecte de seră în timpul operării. Dacă se ia în calcul tot ciclul de viață al sistemului, atunci trebuie avute în vedere și fazele de fabricație, decomisionare și reciclare. Majoritatea impactului ecologic își are originea în timpul procesului de producție al panourilor. Acolo se consumă cantități mari de energie și materie primă, cât și substanțe rare sau toxice cum ar fi acizi, alcani sau cantități mai mici de plumb. În plus, anumite tehnologii au cerințe speciale ce implică pentru producție metale nocive ca seleniu și cadmiu. Riscul produs de panou o dată ieșit de pe linia de fabricație este însă mic atât timp cât sunt respectate instrucțiunile de folosire și înlăturare.

Emisiile de gaze cu efecte de seră asociate panourilor fotovoltaice moderne sunt cu un ordin de mărime mai mici decât nivelul aferent termocentralelor convenționale. De asemenea s-a constatat că suprafața de pământ ocupată nu este mai mare decât a unei centrale pe cărbuni, având avantajul că la sfărșitul perioadei de producție, solul poate fi refolosit imediat cu un impact poluant practic inexistent.

Principii de functionare

In cazul panourilor fotovoltaice, care reprezinta forma de energie solara relevanta in acest proiect, exista mai multe tehnologii pe piata care au la baza acelasi principiu de functionare.

La baza sta efectul fotovoltaic prin care anumite materiale sub incidenta unei lumini exterioare genereaza si suporta un curent electric fara a fi atasate la o sursa externa de tensiune. Pentru functionare, celula fotovoltaica are nevoie de 3 elemente:

Lumina care excita electronii liberi

Separerea de sarcina in interiorul materialului

Conexiunile electrice pentru legarea la un circuit exterior

Constructiv o celula fotovoltaica este alcatuita dintr-un sandwitch de materiale. Primul si cel mai important element il reprezinta jonctiunea semiconductoare pn, locul in care se capteaza si se transforma energia solara. Suplimentar mai sunt prezente straturi pentru conexiuni electrice, filtre de lumina, invelisuri de protectie mecanica, etc.

Pentru a elimina pierderile de energie solara incidenta si pentru protectia impotriva agentilor externi se aplica peste grila un material antireflector. Celula solara este inchisa intr-o capsula din sticla sau din material plastic transparent.

Randamentul unei celule depinde de iluminare si de temperatura. Temperatura este un parametru important, deoarece celulele sunt expuse radiatiei solare, fiind posibila incalzirea lor. In plus, o parte din energia absorbita nu este convertita in energie electrica: se disipa sub forma de caldura. Din aceste motive, temperatura celulelor este intotdeauna mai ridicata decat a mediului ambiant. Variatia caracteristicilor curent-tensiune ale celulelor fotovoltaice functie de temperatura jonctiunii, la iradiere solara constanta.

Jonctiunea semiconductoare clasica este construita din siliciu cu impuritati de fosfor in zona n, respectiv de bor in zona p. Siliciul este al doilea element chimic cel mai raspandit in scoarta terestra cu o pondere de 25%, ceea ce-i confera o disponibilitate ridicata si un pret scazut. Alternativ multe alte tehnologii au aparut cu avantaje din punct de vedere al costului de productie sau al eficientei. Astfel, exista celule bazate pe siliciu cristalizat (monocristalin sau policristalin), siliciu amorf, galiu-arseniu (GaAs), Cadmiu-Teluriu (Cd-Te) sau Cupru-Indiu-Seleniu (CuInSe2). Si din punct de vedere constructiv exista mai multe tehnologii complementare structurii clasice sandwich, cum ar fi vopseluri foto-absorbante, polimeri organici, straturi multiple pentru a capta energia luminoasa intr-un domeniu de lungimi de unda cat mai larg.

Tensiunea si curentul unei singure celule au valori mici pentru majoritatea aplicatiilor de aceea in mod uzual se folosesc aranjamente de celule serie paralel inglobate intr-un panou, obtinandu-se astfel si o rezistenta mai buna la stresuri mecanice si factori externi cum este cazul aplicatiilor de uz exterior. Aceasta conectare trebuie sa se realizeze cu respectarea anumitor criterii precise, tinand cont de dezechilibrele care se creeaza in timpul functionarii intr-o retea de fotocelule. Practic, chiar daca numeroasele celule care formeaza un generator, sunt teoretic identice, datorita inevitabilelor dispersii de fabricatie, ele au caracteristici diferite. Pe de alta parte, iluminarea si temperatura celulelor nu este aceeasi pentru toate celulele din retea. Din aceste motive trebuiesc luate masuri pentru evitarea deteriorarii celulelor (diode de protectie).

Puterile instalate ale panourilor fotovoltaice variaza in functie de aplicatie si pot fi de la cativa mW (folosite la ceasuri de mana, calculatoare de buzunar etc.) pana la cca. 300W sau mai mult. Energia electrica produsa este sub forma de curent continuu si pentru un panou fotovoltaic anume ea varianza functie de iradianta solara (cantitatea de energie solara absorbita de unitatea de suprafata de panou in unitatea de timp), temperatura celulelor, vechime etc.

Mai multe module solare impreuna cu alte componente (cabluri de conectare pentru curent continuu, cutii de interconectare, invertoare, cabluri de conectare de curent alternativ, transformatoare) pot forma un sistem fotovoltaic.

Tehnologia bazata pe siliciu cristalin (mono sau poli) este preferata in general deoarece este una matura, ofera module cu eficiente relativ mari, preturi de achizitie medii-scazute si garantii de productivitate de 80% din valoarea nominala la 25 ani de folosire. Modulele bazate pe aceasta tehnologie, cu puteri nominale de cca 200W, sunt o varianta populara printre fabricantii din domeniu. Orientarea panourilor fotovoltaice este importanta si in general trebuie sa fie orientate catre sud (in emisfera nordica), inclinate la un unghi usor mai mic decat latitudinea locatiei.

Intensitatea radiației variază continuu odată cu ora din zi, anotimpul și condițiile meteorologice. Aceasta se măsoară în wați sau kilowați pe metru pătrat [Wm2, KWm2]. Energia radiației, puterea integrată pe o anumită perioadă de timp, este dată în wați-oră (de asemenea kilowați-oră, joules) pe metru pătrat. În limbajul comun, termenul „radiație” este utilizat atât pentru intensitatea radiației cât și pentru energie. Intensitatea radiației solare în afara atmosferei terestre variază între 1325 și 1420 Wm2. Media radiației extraterestre este așa numita constantă solară: E0=1367 Wm2

Reflexia, dispersia și absorbția atmosferei terestre reduce această radiație cu aproximativ 30%, deci radiația incidentă pe suprafața pământului în mijlocul zilei cu cerul senin, este în jur de 1000 Wm2. Așa numita radiație globală este alcătuită din doua componente: radiația directă și radiația difuză. Radiația directă este alcătuită din razele soarelui ce pică direct pe suprafața pământului, pe când radiația difuză provine din toate direcțiile; cerul apare egal iluminat în toate direcțiile. Componenta difuză poate fi văzută în zilele insolite, ca cer albastru. Când cerul este complet acoperit de nori, numai radiația difuză pică pe suprafața pământului.

Radiația difuză joacă un rol important în utilizarea energiei solare din Europa Centrală, între 40% (în luna Mai) și 80% (în luna Decembrie) din radiația globală este radiație difuză (figura 10). Distribuția anuală și cantitatea totală de energie solară este determinată de factorii climatici și meteorologici ce depind de zonă și sezon. Aceste diferențe de vreme pe pământ sunt datorate schimbării poziției soarelui față de pământ în timpul anului și variația duratei dintre apus și răsărit ce se datorează înclinației axei de rotație a pământului.

În Europa Centrală, cantitatea energiei solare incidente din perioada noiembrie – ianuarie este de aproape 5 ori mai mică decât în lunile de vară, iar radiația este mult mai uniformă în zonele de latitudine mică.

Densitatea de energie a radiației solare este mică în comparație cu combustibilii fosili. Energia incidentă pe o suprafață de 1m2 orientată optim, dintr-o zi de vară senină cu soare, din Europa Centrală, este echivalentă cu arderea unui litru de petrol. În ciuda acestui fapt, cantitatea radiației solare incidente pe suprafața Germaniei pe durata unui an întreg, este aproape de 90 de ori mai mare decât consumul total de energie al țării.

Cerința impusă unui sistem de utilizare a energiei solare este ca acesta să convertească radiația solară cât mai mult posibil, în forma energiei dorite și a o face disponibilă consumatorului, cu pierderi minime. Pentru receptorul de radiație (unde are loc conversia), aceasta înseamnă ca:

– radiația din întregul spectru solar trebuie absorbită complet

– toată energia obținută din fiecare foton absorbit, va trebui convertită numai în forma de energie consumată de utilizator

Posibilitatea îndeplinirii acestor cerințe nu depinde doar de calitatea sistemului. În cele mai multe cazuri, pierderile apar din motive fizice fundamentale ce limitează eficiența conversiei energiei. Conversia radiației în electricitate, va fi examinată ca un exemplu.

– în acord cu proprietățile materialului celulelor solare, numai o parte din spectrul solar va fi absorbit (datorită faptului că celulele solare au o anumită culoare dependentă de tipul lor)

– doar o parte din energia absorbită de celulă este convertită în energie electrică; o parte considerabilă este convertită în căldură producând încălzirea modulelor în timpul funcționării

Calitatea conversiei din radiație solară în energie total utilizabilă trebuie să țină cont de toate pierderile ce intervin în sistem. De asemenea o influență decisivă o au și sistemele de prelucrare a energiei ce afectează performanța întregului sistem (ex: pierderi datorate transportului de energie, randamentul scăzut al componentelor electronice ce au sarcină parțială, etc.).

Condițiile impuse receptorului, joacă de asemenea un rol important în producția energiei. Așa cum poziția soarelui de schimbă odată cu anotimpurile și pe parcursul unei zi, cantitatea de radiație disponibilă pentru procesul de conversie depinde de orientarea receptorului. În general, orientarea spre Sud este favorabilă dacă receptorul este plasat în emisfera nordică, astfel radiația primită dimineața este aproximativ egală cu radiația primită seara. Înclinând receptorul, se obțin proporții diferite ale radiației difuze și directe colectate. Partea din radiația difuză folosită este mai mică pentru un receptor înclinat decât pentru unul orizontal; crescând unghiul de înclinație scade partea difuză a radiației. Utilizarea optimă a radiației directe este atinsă numai când suprafața receptorului este mereu perpendiculară pe direcția radiației incidente. Cu cât înclinația receptorului este mai mare, cu atât energia utilizabilă este mai mică. În Europa Centrală, o înclinație mai mare este favorabilă iarna, când traiectoria soarelui pe bolta cerească este mai aproape de orizont, iar vara, o înclinație mai mică aduce un aport mai mare de energie.

Așa numitul receptor urmăritor, la care orientarea și înclinarea sunt reglate continuu, astfel încât suprafața lui să fie mereu perpendiculară pe direcția soarelui, au o utilizare mai eficientă acolo unde partea radiației directe este foarte mare (ex: în deșert). În Europa Centrală, urmărirea soarelui aduce un aport energetic cu 30% mai mare, această suplimentare fiind susținută de o complexitate tehnică considerabilă a instalației. Pentru montări staționare ale receptorului, unghiul de înclinare optim depinde de condițiile de operabilitate ale sistemului.

Celulele fotovoltaice generează putere de CC. Distribuția și aplicarea puterii de CC implică multe riscuri caracteristice. Prin urmare majoritatea sistemelor de distribuție electrice folosesc putere de CA. Conversia de la puterea de CC la puterea de CA este realizată de invertoare.

O caracteristică importantă a energiei solare este permanenta sa variație din timpul unei zile, lună, an. Deci alimentarea continuă a unui consumator electric determină accesul la un dispozitiv de stocare a energiei. Acesta poate fi o baterie într-un sistem de energie locală. Invertoarele pentru această multitudine de sisteme au 2 aplicații:

a) conversia puterii de CC în putere de CA (baterie PV)

b) stabilirea unei alimentări de CA cu un sistem fiabil cu tensiune constantă.

Alimentarea consumatorilor mici descentralizați care nu pot fi conectați la o rețea publică este fără îndoială răspândită în întreaga lume. Aceasta este aproape aplicația ideală pentru sistemele neconectate la rețea de furnizare de puteri fotovoltaice izolate.

Experimentând cu aceste sisteme într-o limită a ieșirii de 2-10 kW s-a arătat că ele nu ar trebui să fie doar fiabile, economice și viguroase, ci mai mult, toate structurate în module și deci vor fi mai ușor de extins mai târziu. Doar un proiect simplu structurat și flexibil al sistemului pentru aceste sisteme de furnizare de putere PV va face posibilă răspândirea aplicației.

Posibilitatea conectării unui număr nelimitat de baterii ale invertoarelor pe latura CA este de asemenea unică. Această caracteristică permite orice mărire a puterii sistemelor de invertoare. O expansiune simplă a sistemului este acum ușor posibilă dacă cererea de încărcare va crește în viitor.

În trecut majoritatea sistemelor hibride PV cu limita scăzută la ordinul kW-ilor se bazau pe conceptul CC mixt și cuplajul de CA, în care PV este cuplat pe partea de CC cu bateria ca o componentă centrală. În aceste sisteme sarcinile de CA sunt alimentate de invertoarele de baterie care în anumite cazuri se comportă de asemenea ca bateriile furnizate la generatoarele de CA (ex. Diesel). Aceste sisteme de obicei nu pot fi extinse și furnizează un design complicat al sistemului de CC și deci sistemul de înalt nivel costă mult. Puterea pe care generatorul de putere cuplat CC (ex. PV) o poate contribui la alimentarea sarcinilor este limitată de puterea invertorului de baterie. Există 2 tipuri diferite de cuplaj: cuplajul CA și CC.

La sistemul cuplat pe CA toți producătorii de energie sunt conectați direct sau cu un controler de sarcină sau cu un redresor la linia de CC. Tensiunea este fixată prin tensiunea bateriei. În sisteme mai mici sunt 12, 24, 48 V, în sisteme mai mari peste 10 kW sunt 110 și 220 V. în sistemele și mai mici consumatorul se poate conecta direct la linia de CC. Pentru toți consumatorii CA un invertor este necesar.

În sistemele pur cuplate CA toți producătorii și consumatorii sunt conectați la magistrala AC. Aici există doar magistrala de tensiune comună de 240 V / 50 Hz în Europa și 120 V / 60 Hz în SUA. Toți producătorii cu generatoare AC, de exemplu turbine eoliene, turbine cu apă sau rețele publice pot conecta direct toate componentele pe care le furnizează o tensiune CC și are nevoie de un invertor pentru conectare cum ar fi modulele PV sau bateriile. Aproape toți consumatorii se pot conecta direct la această rețea.

Avantajele cuplajului pe CA sunt:

 100% compatibile cu rețeaua locală;

 ușor de instalat, deoarece se află în folosința componentelor standard (consumatori, dispozitive folosite într-o instalație normală a casei);

 suplimentarea de putere la toate componentele de alimentare;

 limita întinsă și extindere simplă;

 combinare ușoară a generatorului CA (diesel, vânt, combinare de căldură și putere).

Componenta principală a unui asemenea sistem modular de furnizare de putere este invertorul de baterie. Controlul și managementul unui sistem inteligent permite nu numai alimentarea diferiților consumatori, ci de asemenea conectează invertoare pentru alimentarea suplimentară a rețelei. Conectarea convertoarelor mici de vânt-energie sau seturi de generatoare diesel este de asemenea posibilă.

Pe partea de tensiune de CA invertorul de baterie trebuie să preia controlul complex al tensiunii, puterea reactivă și frecvența, la fel ca gestionarea puterii și folosirea bateriei drept tampon. Pe partea de tensiune CC invertorul de baterie are grijă să furnizeze cea mai bună administrare a bateriei. În final se asigură că dependența de temperatură și dependența limitelor tensiune-curent sunt satisfăcute, cicluri de sarcină pline sunt livrate regulat și metodele de încărcare sunt adaptate la tipul bateriei și condițiile ambiente specifice.

Adaptarea tehnologiei la cerințele proiectului

Dupa cum se poate vedea in imaginea de mai jos, potentialul Romaniei este foarte bun pentru folosirea energiei fotovoltaice ca sursa alternativa de energie.

Legenda:

I. Delta Dunării (energie solară);

II. Dobrogea (energie solară și eoliană);

III. Moldova (microhidro, energie eoliană și biomasă);

IV. Munții Carpati (biomasă, microhidro);

V. Podișul Transilvaniei (microhidro);

VI. Câmpia de Vest (energie geotermală);

VII. Subcarpații (biomasă, microhidro);

VIII. Câmpia de Sud (biomasă, energie geotermală și solară).

In faza elaborarii modelului experimental se doreste folosirea unui ansamblu fotovoltaic de mici dimensiuni pentru testarea solutiei. Astfel s-a luat in calcul o configuratie de 4 panouri produse de REC, model 250PE avand caracteristicile 250W putere maxima, 30Vcc.

3.4 Energia eoliană

Descriere și istoric

Morile de vânt au fost folosite pentru cel putin 3000 de ani, în special pentru măcinarea cerealelor sau pomparea apei; în timp ce pentru navele cu vela energia vântului a fost o sursă esențială de energie pentru chiar mai mult. Din Evul Mediu , morile de vânt cu ax orizontal au fost o parte integrantă a economiei rurale și numai odata cu aparitia motoarelor cu combustibili fosili au fost scoase treptat din uz. Utilizarea de mori de vânt (sau turbine eoliene) pentru generarea de energie electrică pot fi urmărite înapoi la secolul al XIX-lea odata cu generatorul eolian construit de Charles Brush in Statele Unite (avand o putere de 12 kW) și de cercetarile întreprinse de Poul la Cour în Danemarca. Cu toate acestea, pentru o mare parte a secolului al XX-lea a existat putin interes în utilizarea energiei eoliene pentru producerea de energie electrică, altele decât pentru încărcarea bateriei sau pentru locuințe îndepărtate; și aceste sisteme de putere mică se îndepărtează repede după ce accesul la rețeaua de electricitate a devenit larg disponibil. O evoluție notabilă a fost turbina eoliana de 1250 kW Smith – Putnam construita în Statele Unite ale Americii în 1941. Această mașină remarcabil a avut un rotor din oțel de 53 m în diametru, pin pitch control durata și miscare a lamelor pentru a reduce sarcinile. Deși bara unei lame a eșuat catastrofal în 1945, a rămas cea mai mare turbina eoliana construita pentru inca 40 de ani (Putnam, 1948).

Golding (1955) și Shepherd și Divone în Spera (1994) oferă o istorie fascinantă de dezvoltare a primelor turbine eoliene. Ele înregistrează 100 kW / 30 m diametru Balaclava turbina eolina în URSS în 1931 și Andrea Enfield 100 kW / 24 m diametru construite în Marea Britanie la începutul anilor 1950. În acesta turbina, lamele goale, care se deschid catre varf, erau folosite sa traga aer in sus prin turn unde o alta turbina controla generatorul. În Danemarca a fost construita masina Gedser de 200 kW / 24 m diametru în 1956, în timp ce Electricite de France testat eoliana de 1.1 MW cu 35 m diametru turbina in 1963. În Germania, profesorul Ulrich Hutter a construit o serie de turbine inovatoare, ușoare în anii 1950 și 1960. In pofida acestor progrese tehnice și entuziasmul dovedit de Golding de la Electrical Research Association în Marea Britanie, printre altele, nu a existat un interes susținut de generare a energiei eoliene până când prețul petrolului a crescut dramatic în 1973.

Principii de functionare

Puterea generata de o turbina eoliana este data de formula:

P = ½ Cp ρ A U3

Unde:

ρ este densitatea aerului (1.25 kg/m3)

Cp este coeficientul de putere

A este suprafata acoperita de rotor

U este viteza vantului

Densitatea aerului este destul de mică, de 800 de ori mai mică decât a apei care alimenteaza o hidrocentrala, și acest lucru duce direct la dimensiunile mari ale unei turbine eoliane . În funcție de viteza vântului ales in proiectare , o turbină eoliana de 3MW poate avea un rotor care este mai mare de 90 m în diametru. Coeficientul de putere descrie acea fracțiunea din puterea în vântului care pot fi convertita de turbina eoliana în lucru mecanic. Ea are o valoare maximă teoretică de 0,593 (limita Betz ) și mai degrabă valori maxime mai mici sunt realizate în practică. Coeficient de putere al unui rotor variază în funcție de raportul viteza de vârf și este doar un maxim pentru un raport unic viteză vârful . Îmbunătățiri progresive ale coeficientului de putere sunt în permanență căutate prin schimbari de design detaliate ale rotorului și prin funcționare la viteză variabilă este posibil să se mențină coeficientul de putere maximă într-un interval de viteze ale vântului. Cu toate acestea , aceste măsuri vor oferi doar o creștere modestă în putere. Creșteri semnificative ale puterii de ieșire poat fi realizate numai prin creșterea câmpului de rotor sau de localizarea a turbinei eoliene pe site-uri cu viteze ale vântului mai mari.

Prin urmare, în ultimii 40 de ani a existat o creștere continuă în diametrul rotorului turbinelor eoliene disponibile comercial de la mai puțin de 30 m la peste 100 m. O triplare a diametrului rotorului duce la o creștere de nouă ori în putere. Influența vântului viteza este, desigur, mai pronunțată astfel cu o dublare a vitezei vântului avem pana la de opt ori creșterea în putere. Astfel, au fost depuse eforturi considerabile pentru a se asigura că centralele eoliene sunt dezvoltat în zonele cu cele mai mari viteze de vânt și turbine amplasate optim în vânt. În anumite țări turnuri foarte înalte sunt utilizate (mai mult de 100 m înălțime) pentru a profita de creșterea vitezei vântului cu înălțimea.

În trecut, o serie de studii au fost efectuate pentru a determina mărimea "optimă" a unuei turbine eoliene prin echilibrare a costurilor complete de fabricare, instalarea și operarea pentru diferite dimensiuni de turbine eoliene față de veniturile generate. Rezultatele indica un cost minim de energie se obține cu diametre ale turbinelor in gama de 35-60 m, considerand ipotezele făcute. Cu toate acestea, aceste estimări acum par a fi prea mici și nu există nici un punct evident la care diametrul rotorului și, prin urmare, puterea de ieșire va fi limitata în special pentru turbinele eoliene offshore in cazul în care componentele foarte mari pot fi transportate cu vaporul direct de la fabrica la site.

Ca producătore de energie electrică, turbinele eoliene sunt conectate la o rețea electrică. Aceste rețele includ circuite de reîncărcare a bateriilor, siteme de putere la scara rezidențiala, rețele izolate sau insulare, și rețele de utilități. În ceea ce privește numărul total, cele mai multe dintre turbinele eoliene sunt de fapt destul de mici – de ordinea de 10kW ori mai puțin. In ceea ce privește din capacitatea totală de generare, turbinele care alcătuiesc majoritatea capacității sunt, în general, destul de mari – în intervalul de la 1,5 – 5 MW. Aceste turbine mai mari sunt folosite în principal în rețelele de utilități mai mari, in principal in Europa și Statele Unite și, mai recent, în China și India. Turbina prezentat este General Electric de 1.5MW si acest producătorul a livrat peste 10 000 de unități ale acestui model.

Pentru a înțelege modul în care sunt utilizate turbine eoliene, este util să se ia în considerare pe scurt câteva din faptele fundamentale care stau la baza funcționării lor. În turbinele eoliene moderne, procedeul de conversie folosește forța aerodinamică de bază de ridicare pentru a produce un cuplu net pozitiv pe o rotație a arborelui, care mai întâi rezulta producția de energie mecanică și apoi este transformata in energie electrică cu ajutorul unui generator. Turbinele eoliene, spre deosebire de alte generatoare, pot produce energie numai în răspuns la resursa care este disponibilă imediat. Nu este posibila stocarea vântului și folosirea lui ulterior. Asadar ieșirea unei turbine eoliene este, astfel, în mod inerent fluctuant și nedispecerizabil.(Cel mult se poate limita producția a ceea ce vântul ar putea produce) Orice sistem la care este conectata o turbina eoliena trebuie, într-un fel, să ia această variabilitate în cont. În rețele mai mari, turbina eoliană servește la reducerea sarcinii electrice totale si deci determină o scădere în număr a generatoarelor convenționale utilizate sau în combustibil a celor care sunt pornite. În rețele mai mici , pot exista de stocari a energiei , generatoare de rezervă și unele sisteme de control de specialitate. Un alt fapt este că vântul nu este transportabil: acesta poate fi convertit numai acolo unde exista. Din punct de vedere istoric , un produs precum faina a fost făcută la moara de vant si apoi transportata la punctul de utilizare. Astăzi, posibilitatea de transmitere a energiei electrice prin intermediul liniilor electrice compensează într-o oarecare măsură, pentru incapacitatea vantului de a fi transportabil. În viitor, sisteme de energie pe bază de hidrogen ar putea adăuga la această posibilitate.

Limita lui Betz demonstrează că o turbină eoliană ideală poate extrage din vânt o putere de cel mult 59,3%, dar analiza efectuată mai sus nu indică regimul de funcționare a turbinei sau varianta constructivă a rotorului astfel încât să se atingă valoarea maximă a factorului de putere. În cele ce urmează se va face o analiză din punct de vedere calitativ a regimului de funcționare a turbinei și a efectului numărului de pale sau al factorului de soliditate asupra valorii factorului de putere.

Eficiența conversiei energiei fluxului de aer în energie mecanică va fi mai mică decât valoarea optimă dacă:

a) Rotorul turbinei are un număr de pale mare (factorul de soliditate este mare) sau rotorul rotește cu o viteză foarte mare și fiecare pală se mișcă într-un flux de aer distorsionat (turbulent) de către pala din față.

b) Rotorul turbinei are un număr mic de pale (factorul de soliditate este mic) sau rotorul ro-tește cu o viteză foarte mică și fluxul de aer traversează suprafața rotorului fără a interacționa cu acesta.

În consecință, pentru a obține o eficiență maximă de conversie a energiei trebuie ca viteza de rotație a rotorului să fie corelată cu viteza vântului. Pentru a caracteriza turbinele eoliene cu diferite caracteristici aerodinamice se utilizează un parametru adimensional, numit coeficient de viteză al turbinei sau rapiditatea turbinei λ (în engleză tip speed ratio).

Rapiditatea leagă într-o singură formulă trei variabile importante ale turbinei: viteza de rota-ție ω, raza rotorului (diametrul) R și viteza vântului v și se definește ca raportul dintre viteza liniară a vârfului palei U și viteza vântului.

O turbină oarecare poate funcționa într-o gamă largă de variație a rapidității λ, dar va avea e-ficiență maximă Cp numai pentru o valoare optimă a rapidității, cu alte cuvinte, dacă viteza liniară U va fi egală cu viteza vântului înmulțită cu valoarea optimă a rapidității.

În figura de mai sus sunt prezentate caracteristicile Cp – λ, pentru turbine cu un număr diferit de pale. Analiza acestor caracteristici ne permite să tragem următoarele concluzii:

a) Cu cât numărul de pale este mai mic, cu atât mai mare este rapiditatea optimă pentru care factorul de putere sau eficiența conversiei energiei este maximă.

b) Două turbine cu puteri egale, dar cu număr diferit de pale se deosebesc prin aceea că tur-bina cu multe pale va dezvolta un moment mai mare și va avea viteza de rotație mai mică și invers – turbina cu puține pale va dezvolta un moment mic, dar va avea o viteză de rotație mai mare.

c) Turbina cu trei pale are cel mai mare factor de eficiență. Diferențele dintre factorii de efi-ciență maximi ai turbinelor cu 2-5 pale nu este semnificativă. Avantajele turbinelor cu două sau cu o singură pală constau în posibilitatea funcționării într-o zonă mai largă de variație a rapidității, în care factorul de eficiență are valoare maximă sau aproape de cea maximă.

d) Factorul maxim de eficiență (Betz) al turbinei cu 12 – 18 pale este mai mic decât al turbinei cu 3 pale și nu depășește 0,35.

Dependența puterii turbinei de diametrul rotorului. Turbinele de putere mică au turnuri cu înălțimi relativ mai mari decât cele de putere mare. Aceasta se explică prin necesitatea excluderii influenței negative a stratului de suprafață al solului și a obstacolelor asupra vitezei vântului. Pentru valori ale diametrului rotorului cuprinse între 5 și 10 m, raportul dintre înălțimea turnului și diame-trul rotorului este egal cu 6 – 2. Începând cu diametre egale sau mai mari de 30 m, acest raport osci-lează în jurul cifrei 1. Evident, costurile specifice ale turbinelor mici vor fi mai mari.

Puterea mecanică generată de turbină este proporțională cu pătratul diametrului rotorului. Odată cu creșterea diametrului, respectiv a înălțimii turnului, va crește și viteza vântului. De obicei, creșterea vitezei vântului este considerată proporțională cu raportul înălțimilor la puterea 1/7. Astfel puterea turbinei este proporțională cu diametrul rotorului la puterea (2 + 3•1/7) = 2,42. Pentru turbi-nele comercializate în prezent o bună aproximare oferă expresia:

în care, D – este diametrul rotorului, în m, P – puterea, în kW.

La nivel mondial se constată tendința de majorare a diametrului rotorului, chiar și în cazul când puterea nominală rămâne aceeași. De exemplu, turbinele cu puterea de 1,5 MW proiectate până în anul 1997 aveau diametrul mediu al rotorului egal cu 65,0 m, în anul 2000 diametrul rotoru-lui a atins valoarea de 69,1 m, iar în anul 2003 a ajuns deja la 73,6 m. Majorarea diametrului rotoru-lui conduce la creșterea puterii extrase din vânt. Dacă puterea nominală rămâne aceeași, poate fi micșorată viteza de calcul a vântului. Astfel, crește aria de utilizare a turbinelor eoliene, care includ noi zone cu un potențial energetic eolian mediu și mic. Această tendință se reflectă și asupra expresiei empirice : pentru turbinele proiectate după anul 2003, puterea nominală, în MW, poate fi calculată cu expresia:

Viteza liniară a vârfului palei este produsul dintre viteza de rotație și raza rotorului. Pentru turbinele cu puterea nominală de 0,6 – 3,6 MW viteza liniară variază între 43,0 și 90 m/s (155-325 km/h). Astfel de viteze liniare impun o proiectare riguroasă a profilului aerodinamic, asigurarea bunei calități a suprafeței și o balansare dinamică excelentă a rotorului. Toate aceste măsuri conduc la diminuarea considerabilă a zgomotului și permit amplasarea turbinelor moderne în imediata vecină-tate a comunelor și orașelor.

Astăzi , cele mai frecvent proiectat model de turbine eoliene, este turbina eoliana cu ax orizontal (HAWT). Ceea ce inseamna ca axa de rotație este paralelă cu solul. Rotoarele HWAT sunt , de obicei, clasificate în funcție de orientarea rotorului (direcția opusă vântului sau direcția vântului) , de proiectare hub ( rigid sau flexibil) , de control al rotorului (pitch sau stall) , numărul de lame (de obicei, două sau trei lame), și modul în care acestea sunt aliniate cu vântul (giratie libera sau giratie activa). Figura 3 prezintă configurațiile direcția opusă vântului și direcția vântului.

Principalele subsisteme ale unei turbine eoliene cu ax orizontal sunt:

– Rotorului , format din lamele și butuc de sprijin;

– Trenul de rulare, care include părțile rotative ale turbinei eoliene (exclusiv ale rotorului); de obicei, este format din arbore, cutie de viteze, de cuplare, o frână mecanică, și generatorul ;

– Nacela și cadrul principal, inclusiv carcasa turbine eoliene, placa de bază si sistemul de pivotare ;

– Turnul și fundația;

– Controlul masinii;

– Sincronizarea sistemului electric, inclusiv cabluri, aparataj, transformatoare și convertoare de putere, eventual electronice.

Rotorul este format din butuc și palelele turbinei eoliene. Acestea sunt adesea considerate a fi componentele turbinei cele mai importante din punctul de vedereal performanței cat și al costului total.

Cele mai multe turbine de astăzi au rotoare contra vântului rotoare si sunt cu trei lame. Există unele rotoare in direcția vântului si câteva modele cu două lame. Turbinele cu o singură lamă au fost construite în trecut, dar nu mai sunt acum. Majoritatea producatorilor folosesc control activ (pitch control), si ideea generala este de a folosi pitch control mai ales la turbinele eoliene de dimensiuni mari. Lamele pe majoritatea turbinelor eoliene sunt realizate din materiale compozite, în primul rând fibra de sticla sau fibra de carbon intarita cu materiale plastice (GRP sau CFRP), dar uneori sunt utilizate de lemn / epoxidice laminate.

Palele sau captorul de energie sunt realizate dintr-un amestec de fibre de sticlă și materiale compozite. Ele au rolul de a capta energia vântului și de a transfera rotorului turbinei. Profilul lor este rodul unor studii aerodinamice complexe, de el depinzând randamentul turbinei. Astfel, diame-trul palelor (sau suprafața acoperită de acestea) este în funcție de puterea dorită. De exemplu, pentru turbinele cu trei pale se folosesc următoarele dimensiuni:

– putere 10 kW necesită un diametru de 7 m pentru suprafața descrisă de pale;

– putere 0,2 MW necesită un diametru de 27 m pentru suprafața descrisă de pale;

– putere 2 MW necesită un diametru de 72 m pentru suprafața descrisă de pale.

Lățimea palelor impune valoarea cuplului de pornire, care va fi cu atât mai mare cu cât pale-le sunt mai late; profilul palelor depinde de cuplul dorit în funcționare.

Numărul de pale depinde de eoliană. În prezent, sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigură limitarea vibrațiilor, a zgomotului și a oboselii rotorului, față de sistemele mono-pală sau bi-pală. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bi-pală față de cel mono-pală, iar creșterea este de 3% între sistemul cu trei pale față de două pale. În plus, este un compromis bun între cost și viteza de rotație a captorului eolian și avantaje din punct de vedere es-tetic pentru sistemul cu trei pale, față de cel cu două pale. Butucul este prevăzut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotație a turbinei eoliene (priza de vânt).

Controlul activ, prin motoare hidraulice, numit și "pitch control". Acest sistem asigură mo-dificarea unghiului de incidență a palelor pentru a valorifica la maximum vântul instantaneu și pen-tru a limita puterea în cazul în care vântul depășește viteza nominală. În general, sistemul rotește palele în jurul propriilor axe (mișcare de pivotare), cu câteva grade, în funcție de viteza vântului, astfel încât palele să fie poziționate în permanență sub un unghi optim în raport cu viteza vântului, astfel încât să se obțină în orice moment puterea maximă. Sistemul permite limitarea puterii în cazul unui vânt puternic (la limită, în caz de furtună, trecerea palelor în "drapel").

Controlul aerodinamic pasiv, numit și "stall control". Palele eolienei sunt fixe în raport cu butucul turbinei. Ele sunt concepute special pentru a permite deblocarea în cazul unui vânt puternic. Deblocarea este progresivă, până când vântul atinge viteza critică. Acest tip de control este utilizat de cea mai mare parte a eolienelor, deoarece are avantajul că nu necesită piese mobile și sisteme de comandă în rotorul turbinei.

Ultimul tip de control, vizează utilizarea avantajelor controlului pasiv și al celui activ, pen-tru a controla mai precis conversia vântului în energie electrică. Acest sistem este numit control ac-tiv cu deblocare aerodinamică, sau "active stall". El este utilizat pentru eolienele de foarte mare pu-tere.

Trenul de transmisie (drive train) este format din alte părțile rotative ale turbinelor eoliene în aval de rotor. Acestea includ de obicei un arbore de viteză redusă (pe partea de rotor), o cutie de viteze, precum și un arbore de mare viteză (pe partea generatorului). Alte componente ale trenului de transmisie includ rulmenții de sprijin, unul sau mai mulți cuplaje, o frână, si piesele mobile ale generatorului. Scopul cutiei de viteze este de a accelera viteza de rotație a rotorului de la o mică valoarea (zeci de rpm) la un nivel corespunzător pentru functionarea unui generator standard (sute sau mii de rpm). Două tipuri de cutii de viteze sunt utilizate în turbinele eoliene: ax paralel și planetar. Pentru dimensiuni mai mari ale masinii (peste aproximativ 500 kW), avantajele, greutatea și dimensiunea, cutiei de viteze planetare devin mai pronunțate. Unele modele de turbine eoliene folosesc mai multe generatoare , așadar sunt cuplate la o cutie de viteze cu mai mult de un arbore de ieșire. Alții folosesc modele special concepute, generatoare cu viteză redusă care nu necesită cutie de viteze.

În timp ce proiectarea componentelor trenului de transmisie ale turbinei eoliene, de obicei, urmează un curs convențional de proiectare mecanica , încărcare unică a trenului de transmisie de la turbine eoliene necesită o atenție deosebită . Vânturile fluctuante și dinamica a rotoarelor mari care se misca impune sarcini variabile mari asupra componentelor trenului de transmisie .

Arborele primar: este arborele rotorului turbinei eoliene. Se mai numește arborele lent, de-oarece el se rotește cu viteze de ordinul a 20 – 40 rot/min. Prin intermediul multiplicatorului, el transmite mișcarea, arborelui secundar.

Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice, caracterizată prin cuplu mare și viteză mică specifică turbinei eoliene, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) și arborele secundar (al generatorului).

Există mai multe tipuri de multiplicatoare, cum ar fi:

a) Multiplicatorul cu una sau mai multe trepte de roți dințate, care permite transformarea mișcării mecanice de la 19-30 rot/min la 1500 rot/min. Axele de rotație ale roților dințate sunt fixe în raport cu carcasa.

b) Multiplicatorul cu sistem planetar, care permite obținerea unor rapoarte de transmisie mari, într-un volum mic. În cazul acestora, axele roților numite sateliți nu sunt fixe față de carcasă, ci se rotesc față de celelalte roți.

Există și posibilitatea antrenării directe a generatorului, fără utilizarea unui multiplicator.

Arborele generatorului sau arborele secundar antrenează generatorul electric, sincron sau asincron, ce are una sau două perechi de poli. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotație în cazul unui vânt violent. Pot exista și alte dispozitive de securitate.

Aproape toate turbinele eoliene utilizeaza fie inducție sau generatoare sincrone. Aceste modele implică o viteză de rotație constantă sau aproape constantă când generatorul este direct conectat la o rețea . Dacă generatorul este utilizat cu convertoare electronice de putere , turbina va fi capabila să funcționeze la viteză variabilă .

Mai multe turbine eoliene instalate în aplicații legate de rețea folosesc generatoare de tipul inductie cu infasurare de amortizare (SQIG). Un SQIG operează într-un interval îngust de viteze ușor mai ridicate decât turația sa sincronă (un generator cu patru poli operează într -o rețea de 60 Hz are o viteză sincronă de 1800 rpm). Principalele avantaje ale acestui tip de generator de inducție sunt că acesta este robust, ieftin și ușor de conectat la o rețea electrică. O opțiune din ce în ce mai populare astăzi este generatorul de inducție alimentat dublu (DFIG). DFIG este adesea folosit în aplicatii cu viteză variabilă.

O opțiune din ce în ce mai populara pentru generatoarele mari este turbina eoliena cu viteza variabila. Există o serie de avantaje pe care o astfel de configurație le oferă, inclusiv reducerea uzurii pe turbine eoliene cat și exploatarea potențialului de vant la eficiență maxima pe o gamă largă de viteze ale vântului, obținându-se un randament crescut de captare a energiei. Atunci când este utilizat cu convertoare de putere adecvate electronice, generatoarele fie sincrone sau fie inducetive fie poat rula cu viteză variabilă .

Generatorul electric asigură producerea energiei electrice. Puterea sa atinge 4,5 MW pen-tru cele mai mari eoliene. În prezent se desfășoară cercetări pentru realizarea unor eoliene de putere mai mare (5 MW). Generatorul poate fi de curent continuu sau de curent alternativ. Datorită prețu-lui și randamentului, se utilizează, aproape în totalitate, generatoare de curent alternativ. Generatoa-rele de curent alternativ pot fi sincrone sau asincrone, funcționând la viteză fixă sau variabilă.

Generatorul sincron sau mașina sincronă (MS) se poate utiliza în cazul antrenării directe, respectiv legătura mecanică dintre arborele turbinei eoliene și cel al generatorului se realizează di-rect, fără utilizarea unui multiplicator. În consecință, generatorul este conectat la rețea prin interme-diul unui convertor static. Dacă generatorul este cu magneți permanenți, el poate funcționa în mod autonom, neavând nevoie de excitație. Excitația unei mașini sincrone se poate realiza în variantele:

● Excitație electrică. Bobinele circuitului de excitație (situate pe rotor) sunt alimentate în curent continuu, prin intermediul unui sistem de perii și inele colectoare fixate pe arborele generato-rului. Alimentarea se poate face prin intermediul unui redresor, ce transformă energia de curent al-ternativ a rețelei, în curent continuu. Există însă mai multe metode de realizare a excitației. Genera-toarele sincrone cu excitație electrică sunt cele mai utilizate în prezent.

● Cu magneți permanenți (MSMP). Sursa câmpului de excitație o constituie magneții per-manenți situați pe rotor, fiind astfel independentă de rețea. Acest tip de mașină are tendința de a fi din ce în ce mai utilizată de către constructorii de eoliene, deoarece ea funcționează autonom, iar construcția în ansamblu, este mai simplă.

Mașina asincronă (MAS) este frecvent utilizată , deoarece ea poate suporta ușoare variații de viteză, ceea ce constituie un avantaj major pentru aplicațiile eoliene, în cazul cărora viteza vântului poate evolua rapid, mai ales pe durata rafalelor. Acestea determină solicitări mecanice importante, care sunt mai reduse în cazul utilizării unui generator asincron, decât în cazul generatorului sincron, care funcționează în mod normal, la viteză fixă. Mașina asincronă este însă puțin utilizată pentru eo-liene izolate, deoarece necesită baterii de condensatoare care să asigure energia reactivă necesară magnetizării.

Din punct de vedere contructiv, mașinile asincrone se realizează în două variante.

● Cu rotor bobinat. Înfășurările rotorice, conectate în stea, sunt legate la un sistem de inele și perii ce asigură accesul la înfășurări, pentru conectarea unui convertor static în cazul comenzii prin rotor (mașina asincronă dublu alimentată – MADA).

● Cu rotorul în scurtcircuit. Rotorul este construit din bare ce sunt scurtcircuitate la capete prin intermediul unor inele. Înfășurările rotorice nu sunt accesibile din exterior.

Această categorie include carcasa turbinei eoliene, placa de bază a mașinii sau cadrul principal, și sistemul de orientare. Cadrul principal ajuta la montarea și alinierea corectă a trenului de transmisie. Carcasa nacelei protejează conținutul de vreme.

Sistemul de orientare este necesar pentru a menține arborele aliniat corect cu vântul. Componenta sa principală este o poartă mare care se conectează la cadrul princip la turn. Un sistem de orientare activ este întotdeauna folosit cu turbine eoliene cu direcția opusă vântului și, uneori, cu turbinele in direcția vântului, conține unul sau mai multe motoare de orientare, fiecare dintre ele conduce un pinion de viteza împotriva rotii dintate atașate de lagărul de orientare. Acest mecanism este controlat de un sistem automat de control si senzorul de direcție a vântului, de obicei, montat pe nacela. Uneori frâne sunt utilizate cu acest tip de model pentru a ține nacelei în poziție, atunci când nu se misca.

Pilonul este, în general, un tub de oțel și un turn metalic. El susține turbina eoliană și nacela. Alegerea înălțimii turnului de oțel este importantă, deoarece trebuie realizat un bun compromis între prețul de construcție și expunerea dorită la vânt. În consecință, odată cu creșterea înălțimii, crește viteza vântului, dar și prețul. În general, înălțimea pilonului este puțin mai mare decât diametrul palelor. Înălțimea eolienelor este cuprinsă între 40 și 80 de metri. Prin interiorul pilonului trec cablu-rile care asigură conectarea la rețeaua electrică.

Sistemul de control pentru o turbină eoliană este important în ceea ce privește atât funcționarea utilajului cat și producția de energie electrică. Un sistem de control al turbinei eoliene include următoarele componente:

• senzori – viteza, poziția, debitul, temperatura, curent, tensiune, etc;

• controlorii – mecanisme mecanice, circuite electrice;

• amplificatoare de putere – switch-uri, amplificatoare electrice, pompe hidraulice, și supape;

• acționare – motoare, pistoane, magneți și solenoizi;

• inteligenta – calculatoare, microprocesoare.

Sistemul electronic de control a funcționării generale a eolienei și a mecanismului de o-rientare, are rolul de a asigura pornirea eolienei, reglarea înclinării palelor, frânarea, ca și orientarea nacelei în raport cu vântul.

Sistemul de răcire. Sunt prevăzute sisteme de răcire, atât pentru multiplicatorul de viteză ce transmite eforturile mecanice între cei doi arbori, cât și pentru generator. Ele sunt constituite din ra-diatoare de apă sau ulei și ventilatoare. Răcirea cu ulei este utilizată pentru multiplicatoare.

Dispozitivele de măsurare a vântului sunt de două tipuri: o giruetă pentru evaluarea direc-ției și un anemometru pentru măsurarea vitezei. Informațiile sunt transmise sistemului numeric de comandă, care realizează reglajele în mod automat

Sistemul de orientare a nacelei este constituit dintr-o coroană dințată (cremalieră) echipată cu un motor. El asigură orientare eolienei și "blocarea" acesteia pe axa vântului, cu ajutorul unei frâne.

Microturbine – turbine cu puterea nominală egală sau mai mică de 3 kW. Viteza nominală de rotație a microturbinelor este relativ mare (200-500 rot/min) și se utilizează în general în re-gim autonom. Peste 95% dintre turbine sunt dotate cu generatoare sincrone de mică viteză, cu magneți permanenți (GSMP), cuplate direct la rotorul turbinei (fără multiplicator mecanic) după cum este prezentat în figura 7.

La viteze mici de rotație, performanțele tehnice ale generatorului asincron scad esențial și în sisteme e-lectrice izolate necesită echipament special pentru exci-tație și stabilizarea tensiunii. În literatura de specialitate nu a fost identificat nici un exemplu de dotare a micro-turbinelor eoliene cu generator asincron care funcționea-ză în regim autonom sau alimentează o rețea electrică i-zolată.

Turbine de mică putere (3 – 30 kW). Absolut toate turbinele cu puterea nominală de până la 10 kW sunt dotate cu GSMP cuplate direct cu turbina eoliană. în gama de puteri 10-30 kW sunt și unele excepții: turbi-na eoliană produsă de „Atlantic Orinet Corporation " (SUA) cu puterea nominală de 20 kW este dotată cu ge-nerator cu reluctanță variabilă.

În acest domeniu, situația este incertă. Pe piață predomină sistemul multiplicator – generator asincron sau sincron, cu excitație electromagnetică (GSEM) sau cu magneți permanenți. După anii 1990 au fost lansate pe piață câteva prototipuri de turbine eoliene cu cuplare directă, prin care se urmăresc următoarele sco-puri:

– micșorarea costurilor de operare și mentenanță;

– majorarea eficienței conversiei energiei eoliene, inclusiv în zonele cu vânturi moderate;

– micșorarea vitezei de pornire (start) a turbinei, astfel crește gama de viteze lucrative ale vântului;

– micșorarea lungimii și greutății gondolei;

– micșorarea vibrațiilor și zgomotului;

– crește disponibilitatea și fiabilitatea turbinei eoliene.

Firma finlandeză WinWind a lansat pe piață o turbină eoliană cu puterea de 1.100 kW, cu diametrul rotorului 56 m, care prezintă un hibrid, un compromis dintre schema cu multiplicator și cea cu cuplare directă. Așa-numitul concept „Multibrid", care se află la baza noii turbine, constă în utilizarea multiplicatorului planetar cu o singură treaptă cu raportul de transmisie de 1:5,7 și a GSMP cu viteza de rotație cuprinsă între 40 și 146 rot/min. Masa sistemului multiplicator – GSMP a rămas aceeași ca și la turbine tradiționale, dar gondola are o construcție mai simplă și mai com-pactă.

Turbine cu viteză fixă este cunoscută și sub numele de „Conceptul Danez”, care utilizează un generator asincron cu rotorul în scurtcircuit (GARS) pentru a converti energia mecanică în energie electrică. Datorită diferenței dintre viteza rotorului turbinei și viteza rotorului generatorului asinron este necasară utilizarea unui multiplicator (cutie de viteze) care realizează concordanța necesară dintre aceste două viteze. Alunecarea generatorului asincron variază puțin pe măsură ce puterea ge-nerată crește, nerămânând riguros constantă. Deoarece variațiile vitezei mașinii electrice sunt sub 1%, acest tip de turbină se consideră a funcționa la viteză constantă sau viteză fixă.

Turbina cu viteză fixă este în prezent prevăzută cu sisteme de frânare aerodinamică activă (stall control) chiar dacă s-au proiectat și sisteme de turbine cu viteză fixă și reglarea unghiulei de atac (active pitch contol). Generatorul asincron cu rotorul în scurtcircuit este conectat la rețea prin intermediul unui transformator. Datorită fluctuațiilor de tensiune, generatorul asincron absoarbe putere reactivă de la rețea. Din acest motiv, configurația prezentată utilizează o baterie de condensatoare cu rolul de compensator de energie reactivă. Conectarea la rețea se realizează prin intermediul unui soft-starter, cu rolul de a preveni șocurile de curent în cazul în care condițiile de cuplare în paralel a celor două surse de energie electrică (generator asincron și rețea) nu sunt îndeplinite.

Indiferent de metoda de control a puterii generate, trebuie de menționat că fluctuațiile vitezei vântului se transformă în fluctuații ale puterii mecanice și în consecință în fluctuații ale puterii electrice. În cazul unei rețele slabe, aceste fluctuații ale puterii electrice conduc la apariția unor variații ale tensiunii în punctul de conexiune cu rețeaua. Principalele dezavantaje ale acestei configurații constau în faptul că necesită un sistem de control (reglare) a vitezei, o rețea puternică și trebuie să fie capabil să suporte solicitări mecanice apreciabile.

Turbine cu viteză variabilă limitată utilizează un generator asincron cu rotorul bobinat (GARB), care are conectată în circuitul rotorului o rezistență variabilă. Generatorul asincron este conectat la rețea prin intermediul unui transformator. Conectarea fără șocuri de curent se face cu ajutorul dispozitivului soft-starter, iar bateria de condensatoare asigură compensarea puterii reactive. Valoarea rezistenței rotorice se modifică prin intermediul unui convertor optic montat pe axul rotorului. Cuplarea optică elimină necesitatea sistemului inele – perii care este mai scump și necesită operații de intreținere. Reglarea puterii generate de sistem se realizează prin modificarea alunecării mașinii asincrone, alunecare care se modifică prin variația rezistentei circuitului rotoric. Plaja de reglare dinamică a vitezei este impusă de valoarea rezistenței variabile din circuitul rotoric. Domeniul obișnuit este de 0 – 10 % peste valoarea vitezei de sincronism. Energia suplimentară produsă de generator este disipată sub formă de căldură prin rezistența conectată în circuitul rotoric.

Turbine cu viteză variabilă și convertor de putere mai mică decât puterea nominal au la bază un generator asincron cu rotorul bobinat în regim de dublă alimentare (MADA). Arborele generatorului asincron în regim de dublă alimentare este cuplat la arborele turbinei prin intermediul multiplicatorului.

Înfășurările statorice ale generatorului sunt conectate la rețea, iar înfășurările rotorice sunt conectate la un convertor electronic cu reacție după curent. În acest mod, frecvențele mecanică și e-lectrică ale rotorului sunt decuplate, deoarece convertorul electronic de putere compensează diferența dintre frecvența mecanică și frecvența electrică, injectând în rotor un curent de frecvență variabilă. Prin aceasta devine posibilă funcționarea turbinei la viteză variabilă. Viteza rotorului se poate re-gla în scopul dorit, de exemplu: fie pentru obținerea cantității maxime de energie, fie pentru micșorarea zgomotului produs de turbină.

În cazul acestei configurații, controlul puterii aerodinamice se face în mod uzual prin reglarea unghiului de atac al palei elicei. Puterea nominală a convertorului electronic de frecvență este de aproximativ 30% din pute-rea nominală a generatorului asincron. Convertorul realizează atât compensarea puterii reactive cât și conectatea la rețea fără șocuri de curent. Uzual, sistemul funcționează în domeniul -40% – +30% din viteza de sincronism. Deoarece puterea convertorului de frecvență este mult mai mică decât puterea nominală, această configurație devine atractivă din punct de vedere economic. Prezintă însă dezavantajul prezenței ansamblului inele – perii și al protecției împotriva avariilor ce pot apare în rețea.

Configuratia de turbine cu viteză variabilă și convertor cu putere egală cu puterea nominală se mai numește „turbină cu acționare directă”, deoarece nu necesită în mod esențial un multiplicator. La arborele turbinei se poate conecta un generator sincron multipolar de viteză mică, cu rotorul bobinat și cu inele, care are aceeași viteză cu viteza de rotație a turbinei și care transformă energia mecanică în energie electrică. Generatorul sincron poate fi excitat electric (dacă are rotorul bobinat) (GSRB) sau poate fi excitat cu magneți permanenți în cazul generatorului sincron cu magneți permananți (GSMP). Se mai poate folosi ca generator electric și un generator a-sincron în regim de dublă alimentare (MADA).

Statorul generatorului electric nu este conectat direct la rețea, ci prin intermediul unui convertor electronic de frecvență convertorul de frecvența asigută compensarea puterii reactive și cu-plarea la rețea fără șocuri de curent. Ca și în cazul anterior, limitarea puterii mecanice a vântului se realizează prin reglarea unghiului de atac.

Procesul de proiectare a unei turbine eoliene presupune asamblarea unui numar mare de componente mecanice și electrice într-o mașină care poate converti putere fluctuantă a vântului într-o formă utilă. Acest proces este supus la o serie de constrângeri, dar cele mai importante implică viabilitatea economică potențială a proiectului.

În mod ideal, turbină eoliană ar trebui să fie în măsură să producă energie la un cost mai mic decât concurenții săi, care sunt, de obicei combustibili derivați din petrol, gaze naturale, energie nucleară, sau alte energii regenerabile.

În stadiul actual al tehnologiei, acest lucru este adesea o cerință dificilă, astfel încât, uneori stimulente sunt oferite de guverne pentru a face diferența.

Costul de energie de la o turbină eoliană este in funcție de mai mulți factori, dar cei primari sunt costul turbinei in sine și productivitatea anuala de energie. În plus față de prima, costul turbinei, alte costuri includ instalarea, exploatarea și întreținerea. Acestea vor fi influențate de proiectarea turbinei și trebuie să fie luate în considerare în procesul de proiectare. Productivitatea turbinei este o funcție atât de tipul turbinei cat și de resursele eoliene. Proiectantul nu poate controla aceste resurse, dar trebuie să ia în considerare modul in care sa le utilizeze cel mai bine. Alți factori care afectează costul de energie, cum ar fi dobânda împrumutului, discount, etc tind să fie de o importanță secundară și sunt în mare parte în afara domeniul de aplicare al proiectantului.

Constrângere de a minimiza costurile de energie are implicații profunde . Aceasta împinge proiectantul pentru a reduce costul componentelor individuale , care, la rândul său, el sau ea îl împinge spre a lua în considerare utilizarea de materiale ieftine . Există, de asemenea, un impuls pentru a menține greutatea componente cât de scăzut posibil pentru a minimiza costul componentei și costul de sprijin structură . Pe de altă parte, proiectarea turbinei trebuie să fie suficient de puternică pentru a supraviețui orice probabil evenimente extreme , și să funcționeze fiabil și cu un minim de reparații pe o perioadă lungă de timp . În cele din urmă , componentele de turbine eoliene , deoarece acestea sunt ținute mici , au tendința de a se supune la stresari relativ ridicate . Prin natura operațiunii turbinei , tensiunile de asemenea, tind să fie foarte variable.Tensiunile variabile duc la deteriorarea prin oboseală . Acest lucru în cele din urmă duce la eșec , fie a componentei sau nevoia de înlocuire.

Necesitatea de a echilibra costul inițial al turbinei eoliene cu cerința ca turbina sa aiba o viață lungă , rezistenta la efort ar trebui să fie preocuparea fundamentală a proiectantului.

Adaptarea tehnologiei la cerințele proiectului

Există o serie de abordări care pot fi luate pentru proiectarea turbine eoliene, și acolo sunt multe aspecte care trebuie luate în considerare.

Pașii-cheie de proiectare includ următoarele:

1. Determinarea aplicației.

2. Revizuirea experienței anterioare.

3. Alegerea topologiei.

4. Estimearea sarcinilor preliminare.

5. Dezvoltarea de model experimental.

6. Estimarea performantei.

7. Evaluarea proiectului.

8. Estimarea costurilor și a costurilor de energie.

9. Rafinarea de proiectare.

10. Construirea prototipului.

11. Prototipul de test.

12. Proiectarea mașinii de producție.

Determinarea aplicatiei

Primul pas în proiectarea unei turbine eoliene este de a determina cererea . Turbinele eoliene pentru producerea energiei pentru alimentarea la rețele de utilități mari , de exemplu , vor avea un alt model de turbine decat cele destinate exploatării în zone izolate.

Aplicatia va fi un factor important în alegerea dimensiunii turbinei ,tipului de generator, metodei de control , precum și modul în care urmează a fi instalata și folosita. De exemplu, turbinele eoliene de putere mare de utilitati tind să fie la fel de mari pe cat de practic. În prezent , astfel de turbinele au de obicei puteri în gama de 500kW la 3.0MW cu diametrul rotorului în gama de 38m – 90 m ( Astfel de mașini sunt de multe ori instalate în grupuri sau ferme eoliene , și pot fi capabile să utilizeze infrastructura destul de dezvoltată pentru instalarea , operarea și întreținerea lor).

Turbine pentru utilizare de catre consumatorii izolati , sau pentru a fi utilizate în comunități izolate , tind să fie mai mici , de obicei, în intervalul de 10 până la 500 kW. Ușor de instalat și întreținut și simplitatea în construcție sunt considerente importante de proiectare pentru aceste turbine.

Revizuirea experienței anterioare

Următorul pas în procesul de proiectare ar trebui să fie o revizuire a experienței anterioare. această revizuire ar trebui să ia în considerare, în special, turbinele eoliene construite pentru aplicații similare. O mare varietate de turbine eoliene a fost conceptualizat. Multe au fost construite și testate, cel puțin într-o anumită masura. Lecțiile învățate din aceste experiențe ar trebuie sa ghideze proiectantul și sa reduca opțiunile.

O lecție generală care a fost invatat de la fiecare proiect de succes este că turbina trebuie sa fie proiectata în așa fel încât funcționarea, întreținerea și service-ul sa se poata face într-un mod sigur și direct.

Alegerea structurii

Există o mare varietate de posibile aspecte generale sau "topologii" pentru o turbină eoliană. Cele mai multe dintre acestea se referă la rotor. Cele mai importante alegeri sunt enumerate mai jos:

• orientare axa rotor: orizontal sau vertical;

• control al puterii: pierdere de viteză, cu pas variabil, suprafete aerodinamice controlabile, sau unghiulare;

• poziția rotorului: opus directiei vantului in turn sau în direcția vântului în turn;

• control unghiular: giratie condusa, girație libera, sau girație fixa;

• viteza rotorului: constantă sau variabilă;

• raportul viteza de vârf și soliditate;

• tipul de hub: rigid, se clatină, lame balamale, sau cardanice;

• numărul de lame;

• Viteza generatorului: viteza sincron, mai multe viteze sincrone, sau viteza variabila;

• Structura turn.

Estimarea sarcinilor preliminare

Devreme în procesul de proiectare , este necesar să se facă o estimare preliminară a sarcinilor pe care turbina trebuie să fie capabila să le suporte. Aceste sarcini vor contribui la proiectarea componentelor individuale. Estimarea sarcini în acest stadiu poate implica utilizarea de scalare a sarcinilor din turbine de proiectare similara , "regula degetului mare " , sau instrumentele simple de analiza pe calculator. Aceste estimări sunt îmbunătățite de-a lungul fazei de proiectare pe masura ce sunt specificate detaliile de proiectare. În acest stadiu este important să se țină cont de toate sarcinile pe care turbina in final va trebui să fie capabila să le suporte.Acest proces poate fi facilitat prin referire la standardele de proiectare recomandate. Este normal ca în acest stadiu sa se pregăteasca o "bază de proiectare" pentru turbina. Acesta este setul de condiții care trebuie să fie luate în considerare în proiectare. Acestea vor include condițiile externe de mediu , cum ar fi viteza maximă așteptata de vânt , și cerințele funcționale. Aceste condiții sunt utilizate pentru estimari preliminare precum și pentru estimările mai detaliate, mai târziu în acest proces.

Dezvoltarea proiect experimental

Odată ce aspectul general a fost ales și sarcinile aproximate, un proiect experimental preliminar va fi dezvoltat. Proiectul poate fi impartit intr-un număr de subsisteme. Aceste subsisteme, împreună cu unele dintre componentele lor principale, sunt enumerate mai jos.

• rotor (lame, hub, suprafețele de control aerodinamice);

• transmisie (arbori, cuplaje, cutie de viteze, frâne mecanice, generator);

• nacela și cadru principal;

• sistem de pivotare;

• turn (fundație și montaj).

Există, de asemenea, o serie de considerații generale, care se pot aplica pentru întreaga turbina. Unele dintre acestea includ:

• metodele de fabricare;

• ușurința de întreținere;

• estetica;

• zgomot;

• alte condiții de mediu.

Estimarea performantelor

La începutul procesului de proiectare este de asemenea necesar să se prevadă performanță (curba de putere) din turbină. Acest lucru va fi în primul rând o funcție de proiectarea rotorului, dar va fi, de asemenea, afectat de tipul de generator, de eficiența trenului de transmisie, metoda de operare (viteză constantă sau viteză variabilă), și alegerile făcute în proiectarea sistemului de control.

Evaluare proiect

Proiectul preliminar trebuie evaluat pentru abilitatea sa de a rezista la încărcările turbinei care se poate aștepta în mod rezonabil a se întâlni. Este de la sine aproape înțeles că turbine eoliene trebuie să poată rezista cu usurinta oricarei sarcini care pot fi întâlnită în timpul funcționării normale.

În plus ,turbina trebuie să fie capabil să reziste la sarcini extreme care pot să apară, precum și la daune de oboseala. Daune de oboseala apar datorita nivelurilor diferite de stres, care pot să apară în mod periodic la frecvențe proporțională cu turația rotorului , într -un mod aleatoriu, sau ca urmare a unor sarcini tranzitorii.

Categoriile de sarcini la care turbinele eoliene trebuie să reziste , includ :

• sarcini de echilibru :

sarcini invariate in timp care nu sunt asociate cu rotatia

sarcini invariate in timp asociate cu rotatia,cum ar fi forta centrifugă ;

• sarcini ciclice(din cauza vântului de forfecare , greutate lama , deviație mișcare);

• sarcini tranzitorii :

sarcini datorate pornirii și opririi

sarcini de scurtă durată , cum ar fi lamele cand trec prin umbra turnului;

• sarcini stocastice ( datorită turbulenței ) ;

• sarcini de rezonanță – induse ( ca urmare a excitatiei la valori apropiate de frecvența naturală a structurii ) .

Turbina trebuie să fie capabil să reziste la aceste sarcini în toate condițiile plauzibile , inclusiv atat in timpul funcționării normale cat și la evenimente extreme .

Sarcinile de interes major sunt cele din rotor , mai ales la rădăcina lamei , dar orice sarcina la rotor se propaga prin restul structurii . De aceea , încărcarea fiecarei componete trebuie să fie analizata cu atenție .

Analiza incarcarii turbinelor eoliene și a efectelor lor este realizată, de obicei , cu utilizarea de coduri de analiză pe calculator . În acest sens , se face referire în mod normal la practici acceptate sau standarde de proiectare .

Rafinare proiect

Când proiectarea preliminară a fost analizată pentru capacitatea sa de a rezista la sarcini, când capacitatea ei a fost prezisă, iar eventual costul energiei a fost estimat, este normal ca să fie identificate unele domenii de rafinare. Proiectul este revizuit, este analizat într-o manieră similară cu procesul descris mai sus. Acest proiect sau poate unul ulterior, în cazul în care există mai multe iterații, va fi utilizat în construcția unui prototip.

3.5 Soluții de stocare a energiei

Descriere și istoric

Principalele motive care duc la necesitatea stocarii energiei sunt:

• cresterea cererii de energie electrica in cazul supraproductiei,

• generarea rapida in cazul unei cereri de varf rapide,

• optimizarea utilizarii surselor de energie regenerabila primare,

• realizarea postulatului privind compensarea energiei disponibile local.

Din pacate, energia electrica nu poate fi stocata direct. Este necesara conversia acesteia in alte forme de energie, cum ar fi:

1) Stocarea mecanica:

• Stocarea folosind energia apei

• Stocarea prin aer sub presiune

• Stocarea folosind volanti

2) Stocarea electrochimica:

• Acumulatori cu stocare interna (Pb, Ni-Cd, Li-ion, etc.)

• Acumulatori cu stocare externa – baterii primare cu regenerare externa (Zn-aer)

– stocare in gaz (electrolizor, celule de combustie)

– stocarea cu electrozi lichizi (redox cu vanadiu)

3) Stocare electrica:

• Bobine supraconductoare

• Condensatori

Alegerea modalitatii de stocare se va face in functie de mai multi factori, cum ar fi: capacitatea necesara pentru stocare, perioada minima de stocare, conditiile de incarcare si descarcare, spatiul si mediul disponibile, tipul de fluctuatii compensate, densitatea de energie necesara, durata de viata necesara, numarul minim de cicluri si proprietatile sistemului energetic.

Principii de functionare

Acumulatorul cu plumb

Cele mai raspandite tipuri de acumulatoare sunt cele cu placi de plumb, dar in ultimul timp au inceput sa fie utilizate tot mai mult si acumulatoarele alcaline. Bateria de acumulatoare se realizeaza prin inserierea unui numar de elemente corespunzatori tensiunii necesare. Tensiunile folosite in prezent in instalatiile de curent continuu sunt: 24, 48, 60, 110 si 220 [V].

Un element acumulator se compune din: vas electrolit si placi. Vasele se pot realiza din materiale care nu sunt atacate de acidul sulfuric: sticla, ebonita, ceramica. Ca electrolit se foloseste o solutie apoasa de acid sulfuric cu o densitate de 1,23 g/cm³ la 15șC. Concentratia electrolitului poate fi exprimata si in grade Baumé, relatia de legatura fiind:

; unde n este concentratia in grade Baumé. Placile sunt constituite din plumb, cele pozitive cu nervuri pentru marirea suprafetei.

Ca substante active se folosesc peroxidul de plumb PbO2 la placile pozitive si plumbul spongios la cele negative. Elementul acumulator este format din mai multe placi de acelasi fel legate in paralel, intre acestea, pentru a nu se scurt-circuita, se introduc placi separatoare din materiale izolante. Nivelul electrolitului din vas trebuie sa depaseasca marginea superioara a placilor. Reactiile ce au loc in timpul functionarii sunt suficient de complexe, dar pot si reprezentate simplificat in modul urmator :

Pb + PbO2 + 2H2SO4 2PbSO4 + 2H2O

Relatia trebuie citita de la stanga la dreapta pentru regimul de descarcare si invers pentru regimul de incarcare. Principalele caracteristici ale unui element acumulator sunt : tensiunea, rezistenta electrica interioara, capacitatea, randamentul, autodescarcare si durata de serviciu. Tensiunea la borne variaza in limite largi, functie de regimul de incarcare si descarcare, concentratia electrolitului, temperatura, etc. astfel:

– tensiune minima la sfarsitul descarcarii;

Umin = 1,75 – 1,8 V

– tensiunea in gol a unui element complet incarcat;

Ur = 2,03 – 2,05 V

– tensiunea de incarcare permanenta in regim tampon;

Ut = 2,15 – 2,2 V

– tensiunea de incarcare puternica fara degajare de gaze;

U p = 2,35 – 2,4 V

– tensiunea de degajare a gazelor;

U g = 2,4 – 2,4 V

– tensiunea la sfarsitul incarcarii;

Umax = 2,6 – 2,8 V

Tensiunea unui element se reduce la timpul functionarii cu atat mai mult cu cat curentul de descarcare este mai mare, in figura de mai jos este prezentata variatia tensiunii pentru o descarcare completa in 5 ore (1), respectiv o ora (2).

Rezistenta electrica interioara este suma rezistentelor placilor electrolitului si puntilor de legatura intre placi. Are valori cumprinse intre (0,3 – 6) 10 −3.

Capacitatea unui element reprezinta cantitatea de electricitate pe care o poate ceda acesta la o descarcare completa. Se masoara in A.h si depinde de suprafata placilor, cantitatea si pozitionarea substantei active, concentratia si puritatea electrolitului, temperatura, regimul de descarcare, etc.

Randamentul unui element reprezinta raportul capacitatii sala la cantitatea de electricitate consumata la o incarcare completa, depinde de aceiasi factori ca si capacitatea si are valori cuprinse intre 64 – 67 %

Autodescarcarea este fenomenul care are loc in mod continuu si duce la micsorarea capacitatii. Este determinata de curenti interni ce apar datorita impuritatilor metalice din electrolit sau de scurtcircuite interioare.

Durata de serviciu se exprima in numar de cicluri incarcare- descarcare; depinde de modul de exploatare si are volori de 800 – 1000 cicluri pentru placile pozitive si 1500 – 1800 pentru cele negative.

Dupa fiecare incarcare importanta a bateriei se impune reincarcarea sa. Ca surse de incarcare se folosesc, in prezent redresoare statice, datorita avantajelor fata de masinile rotative: pret redus, durata lunga de functionare, siguranta marita, automatizare usoara, etc. Exista urmatoarele metode de incarcare: incarcare cu curent constant, cu tensiune constanta, mixta.

Incarcarea la curent constant – se realizeaza mentinand intensitatea la o valoare fixa in tot cursul procesului de incarcare. Metoda are avantajul ca necesita un timp mai scurt, dar conduce la degajarea intensa de gaze in faza finala, cand incepe electroliza apei.

Incarcarea la tensiune constanta – se realizeaza mentinand tensiunea la o valoare fixa de 2,3 V pe element. In acest caz pot apare socuri de curent la incepulul incarcarii dar se evita pericolul fierberii electrolitului deoarece, in faza finala, curentul de incarcare este mai mic.

Incarcare mixta – consta in combinarea celor doua metode in scopul eliminarii dezavantajelor lor; se incepe incarcarea cu curent constant iar cand incepe degajarea gazelor se continua cu tensiune constanta.

Incarcarea de formare (punere in functiune ) a bateriei trebuie efectuata de catre personal specializat. Incarcarea de formare trebuie sa asigure capacitatea nominala a bateriei. Incarcarea se poate face si la un curent mai mic decat curentul maxim de incarcare, dar in acest caz timpul de incarcare se prelungeste proportional. Nu se recomanda sa se foloseasca un curent de incarcare mai mic de 40 % din curentul maxim de incarcare. In general pentru formarea bateriei se foloseste o incarcare in trepte cu pauze. Curentul de incarcare este un curent cu valoarea de 7 [A] pentru fiecare element. Deci, curentul total debitat de sursa de incarcare se obtine inmultind cu 7 numarul elementelor puse in paralel la incarcare.

Formarea unei baterii comporta uneori un numar mai mare de incarcari – descarcari pana se asigura capacitatea nominala a acesteia. Daca bateria se descarca cu un curent mare, descarcarea se va opri cand tensiunea va ajunge la 1,8 [V] pe element. Daca descarcarea se face intr-o ora tensiunea pe element nu trebuie sa scada sub 1,75 [V].

Dupa descarcarea bateriei se trece la incarcare. Incarcarea va incepe dupa cel putin 20 minute si cel mult doua ore la oprirea descarcarii. Cea mai favorabila incarcare este cea cu curent de valoare constanta si egala cu 1/3 din curentul maxim de incarcare.

Daca aceasta incarcare duce la durate prea mari, se procedeaza in felul urmator :

– se intrerupe incarcarea cu, curentul maxim de incarcare ;

– cand tensiunea ajunge la 2,4 [V] pe element, sau la aparitia gazelor, curenul se reduce la 1/3 si se continua incarcarea;

– cand tensiunea ajunge la 2,5 -2,6 [V] pe element sau cand apar din nou gaze, curentul se reduce la 10 % din valoarea curentului maxim de incarcare.

Incarcarea se continua pana cand apar semnele de incarcare completa a bateriei. In timpul incarcarii temperatura electrolotului nu trebuie sa depaseasca + 40 șC, in acest caz contrar se opreste incarcarea pana la scaderea temperaturii sub +30 șC.

Redresorul comandat

În numeroase aplicații apare nevoia reglajului nivelului tensiunii redresate. Printre soluții putem numi: introducerea unor rezistențe sau reactanțe reglabile în circuitul primar sau secundar, utilizarea unui autotransformator sau a unui regulator de inducție. Cea mai bună soluție din punct de vedere al randamentului și în unele cazuri și al prețului, este utilizarea redresoarelor comandate. Schemele redresoarelor comandate au configurații identice cu cele ale redresoarelor necomandate, cu deosebirea că, în locul diodelor sunt folosite tiristoare. În plus, mai este nevoie de un bloc de comanda pentru tiristoare, care în prezentarea schemelor de forță se consideră subînteles și nu este figurat.

Vom lua ca exemplu redresorul comandat monofazat cu punct median cu sarcina rezistiva. Blocul de comandă furnizează tensiunile de comandă Up1 și Up2 pentru aprinderea tiristoarelor. Unghiul α, cu care este întârziată aprinderea tiristoarelor față de trecerea prin 0 a tensiunii, este reglabil și se numeste unghi de comandă.

Stingerea tiristoarelor se face atunci când tensiunea pe înfășurarea corespunzatoare trece la valori negative. Este o stingere naturală, de la rețea.

Tensiunea medie U0 poate fi modificată între o valoare maximăcorespunzatoare unghiului de comandă α = 0 și o valoare minimă egală cu 0 (lipsa comenzii sau unghi de comandă între π și 2π).

Redresoare trifazate

Redresoarele trifazate au un randament superior celor monofazate și sunt utilizate la puteri mari, kW până la MW.

Cele mai utilizate variante sunt:

– redresorul trifazat cu punct median sau în stea;

– redresorul trifazat în punte.

Pentru redresorul trifazat cu punct median (stea), transformatorul trifazat este în cazul redresoarelor realizat în varianta triunghi-stea. Pe fiecare fază a secundarului este câte o diodă care sunt legate în continuare la un punct comun. Sarcina este conectată între acest punct comun și centrul stelei înfășurărilor secundare. Tensiunile pe cele trei faze sunt prezentate în Fig.30. Funcționarea într-o perioadă a tensiunii rețelei se subîmparte în trei părti care corespund celor trei subintervale în care, pe rând, una din cele trei tensiuni ale fazelor este mai mare (sau mai mică dacă diodele ar fi fost conectate invers) decât celelalte două.

De exemplu, în intervalul π/6 – 5π/6 tensiunea mai mare este u12. În acest subinterval este deschisă dioda corespunzătoare fazei, adică în cazul acesta D1. Celelalte două diode sunt blocate. Tensiunea pe sarcină este egală cu u12.

În momentul 5π/6 tensiunea u22 devine mai mare decât u12. În acest moment se blochează dioda D1 și se deschide dioda D2 iar tensinea pe sarcină devine egală cu u22. Apoi, se deschide D3 și în continuare ciclul se reia. În acst fel tensiunea pe sarcină este înfășurătoarea pozitivă a sistemului de tensiuni trifazate.

Dacă sensul diodelor ar fi fost invers, atunci pe sarcină ar fi fost o tensiune negativă, înfașuratoarea negativă a sistemului de tensiuni trifazate. Se observă că spre deosebire de redresoarele anterioare pulsațiile tensiunii redresate, Δu, sunt mult micșorate.

Funcționarea redresorului trifazat în punte se împarte în subintervale egale cu a șasea parte dintr-o perioadă sau π/3 dacă considerăm formele de undă așa cum sunt desenate, funcție de unghi, ωt.

În fiecare subinterval sunt deschise două dintre diodele punții și anume una din grupul de trei din stanga, cu anodul conectat în comun și una din grupul de trei din dreapta, cu catodul conectat în comun. În grupul cu anodul comun va fi deschisă aceea căreia îi corespunde tensiunea de fază cea mai mare, pozitivă, aplicată între anod și centrul stelei înfășurărilor secundare ale transformatorului. În grupul cu catodul comun va fi deschisă aceea căreia îi corespunde tensiunea de fază cea mai mică, negativă, aplicată între catod și centrul stelei înfășurărilor secundare ale transformatorului.

De exemplu, în intervalul π/6 – 3π/6 cea mai mare tensiune de fază este u21 și corespunzător este deschisă dioda D1 iar cea mai mică tensiune de fază este u22 și corespunzător este deschisă dioda D5. Astfel schema echivalentă a redresorului în acest interval este aceea din figura alaturata (s-au păstrat ramurile punții corespunzătoare diodelor deschise, celelalte sunt marcate cu linie întreruptă). Aplicând teorema a doua a lui Kirchhoff se obține expresia tensiunii de sarcină pe subintervalul π/6 – 3π/6:

us = u21 – u22

Această tensiune corespunde de fapt suprafeței umbrite din sistemul trifazat de tensiuni, iar pe sarcină are forma de asemenea umbrită din graficul tensiunii de sarcină.

Valoarea maximă a tensiunii pe sarcină este:

Acest tip de redresor are cele mai bune performanțe. Randament maxim și pulsații minime ale tensiunii pe sarcină.

Invertorul

In cadrul proiectului SIGHAB prezenta unui invertor este necesara pentru a converti tensiunea continua a bateriilor in tensiune alternativa, necesara pentru alimentarea diversilor consumatori vitali din tabara de sinistrati.

Invertoarele sunt circuite de putere care transforma energia unei surse de curent continuu în energie de curent alternativ. Pe scurt un invertor face transformarea continuu–alternativ si se observa ca face o operatie inversa fata de redresor.

Deoarece invertorul este alimentat de la o sursa de curent continuu, pentru a face întreruperea fluxului de energie – de fapt se întrerupe curentul sursei – este nevoie de ventile comandabile, ventile pentru care atât intrarea în conductie cât si iesirea din conductie sa poata fi facuta prin comanda, la momente de timp potrivit alese, sau de ventile semicomandabile, pentru care doar aprinderea se face prin comanda. În acest din urma caz stingerea se asigura obisnuit, prin utilizarea unor circuite auxiliare sau prin modul de functionare al schemei. Ca ventile semicomandabile ale invertoarelor se utilizeaza tiristoarele sau ventile din familia acestora (GTO, MCT, triac), iar ca ventile comandabile sunt utilizate tranzistoare bipolare sau tranzistoare cu efect de câmp, (în special tranzistoare MOS si tranzistoa-rele b ipolare cu grila izolata (IGBT).

Necesitatea comenzii face ca inver-toarele, la fel ca redresoarele comandate, sa fie formate din doua parti principale:

• schema (circuitul, blocul) de forta,

• schema (circuitul, blocul) de comanda.

De obicei alimentarea circuitului de forta si alimentarea circuitului de comanda sunt separate. Mai mult, în majoritatea cazurilor este asigurata izo larea galvan ica totala între circuitele de forta si comanda, fie prin transformatoare de separare a impulsurilor de comanda, fie prin cuplaj optic (optocuploare, fibra de sticla). Scopul este de a proteja circuitul de comanda fata de tensiunile mari din circuitul de forta, dar si de a asigura protectia la perturbatii a circuitului de comanda.

Exista foarte multe tipuri de invertoare, date de o mare varietate, atât în realizarea schemelor cât si în modul de functionare. De aici si numeroasele criterii de clasificare a lor. Un invertor poate fi recunoscut ca apartinând unei categorii din fiecare criteriu de clasificare.

Cea mai importanta clasificare, aceea dupa varianta de schema, împarte invertoarele în:

• monoventil;

• cu punct median la sarcina;

• cu punct median la sursa;

• punte.

Invertorul monoventil are schema de forta, simplificata, prezentata în figura alaturata, împreuna cu principalele forme de unda. El este compus din sursa de curent continuu, un ventil comandabil si sarcina. Principiul de functionare este ilustrat de formele de unda. Sursa de c.c. furnizeaza la intrarea invertorului o tensiune continua, . Prin comanda alternativa a aprinderii si stingerii ventilului aceasta tensiune este transformata pe sarcina într-o succesiunea de impulsuri S care are si o importanta componenta continua. Elemente suplimentare pot elimina aceasta componenta continua si tensiunea pe sarcina se transforma într-o tensiune alternativa, S~.

Invertorul cu punct median la sarcina are schema de forta, simplificata, prezentata în figura alaturata. Este compus din sursa de c.c., doua ventile comandabile, T1 si T2 si sarcina, cuplata printr-un transformator care are în primar, partea dinspre invertor, o înfasurare formata din doua sectiuni identice, înfasurate în acelasi sens asa cum o arata semnele privind sensul infasurarii (punctul pus la capatul fiecarei infasurari). Reamintim ca punctul indica în principal ca daca un curent intra într-o înfasurare la borna notata, în celelalte se induc curenti care la rândul lor intra în borna astfel marcata, sau altfel, daca se aplica unei înfasurari o tensiune cu un anumit semn la borna marcata, pe celelalte înfasurari apar tensiuni cu acelas i semn la borna marcata. Circuitul de comanda aprinde alternativ cele doua ventile si exis ta doua perioade distincte de functionare. Prima, în care T1 este aprins, iar T2 este stins. În aceasta semiperioada tensiunea sursei apare pe sectiunea corespunzatoare ventilului T1 a înfasurarii primare, cu semnul plus la borna notata cu punct, minus la borna ce e legata la punctul median al înfasurarii, semne marcate deasemenea pe figura. La bornele celorlalte înfasurari apar tensiuni cu semnele marcate. Astfel, pe sarcina este o tensiune pozitiva. Circuitul de comanda sau uneori chiar tipul schemei de forta asigura ca, odata cu aprinderea celui de al doilea ventil, moment în care se intra în a doua semiperioada de functionare, sa se produca si stingerea primului. Semiperioada a doua are T2 aprins si T1 stins. În aceasta semiperioada tensiunea sursei apare pe sectiunea corespunzatoare ventilului T2 a înfasurarii primare, cu semnul plus la borna notata cu punct, minus la borna ce e legata la punctul median al înfasurarii, semne marcate deasemenea pe figura, între paranteze. La bornele celorlalte înfasurari apar tensiuni cu semnele marcate. Astfel, pe sarcina în a doua semiperioada este o tens iune negativa. Se obtine astfel transformarea tensiunii continue a sursei, într-o tensiune alternativa.

Invertorul cu punct median la sursa are schema de forta, simplificata, prezentata în figura alaturata este compus din sursa de c.c., formata din doua sectiuni identice conectate în serie, având un punct median, doua ventile comandabile, T1 s i T2 conectate deasemenea în serie si având un punct median, iar sarcina conectata între cele doua puncte mediane.

Circuitul de comanda aprinde alternativ cele doua ventile si exis ta doua perioade distincte de functionare. Prima, în care T1 este aprins (T2 stins). În aceasta semiperioada tensiunea sursei apare pe sarcina cu semnul marcat pe figura. Astfel, pe sarcina este o tensiune pozitiva. Circuitul de comanda sau uneori chiar tipul schemei de forta asigura ca, odata cu aprinderea celui de al doilea ventil, moment în care se intra în a doua semiperioada de functionare, sa se produca si stingerea primului. Semiperioa-da a doua are T2 aprins si T1 stins. În aceasta semiperioada tensiunea sursei apare pe sarcina cu semnul marcat deasemenea pe figura, între paranteze. Astfel, în a doua semiperioada pe sarcina este o tensiune negativa. Se obtine astfel transformarea tensiunii continue a sursei, într-o tensiune alternativa.

Invertorul punte are schema de forta, simplificata, prezentata în figura de mai jos si este compus din sursa de c.c. s i patru ventile comandabile,T1-T4 conectate în punte. Sursa este conectata la o diagonala a puntii, sarcina este conectata la a doua diagonala, conform figurii.

Circuitul de comanda aprinde alternativ grupe de doua ventile si exista doua perioade distincte de functionare. Prima, în care T1 si T4 sunt aprinse, iar T2 si T3 sunt stinse. În aceasta semiperioada tens iunea sursei apare pe sarcina cu semnul marcat pe figura. Astfel, pe sarcina este o tens iune pozitiva.

Circuitul de comanda sau uneori chiar tipul schemei de forta asigura ca, odata cu aprinderea celui de al doilea grup de ventile, moment în care se intra în a doua semiperioada de functionare, sa se produca si stingerea primulu i grup. Semiperioada a doua are T2 si T3 aprinse, iar T1 si T4 sunt stinse. În aceasta semiperioada tensiunea sursei apare pe sarcina cu semnul marcat deasemenea pe figura, între paranteze. Astfel, pe sarcina, în a doua semiperioada este o tensiune negativa. Se obtine astfel transformarea tensiunii continue a sursei într-o tensiune alternativa.

În majoritatea cazurilor din practica, sarcina are un caracter inductiv: motor, inductorul unei instalatii de încalzire prin inductie, etc. Deoarece o functionare optima are loc pentru o sarcina compensata, se corecteaza caracterul inductiv al sarcinii cu ajutorul unuia sau a mai multor condensatoare. Dupa pozitia acestora invertoarele sunt:

• invertoare serie, pentru care exista un singur condensator de compensare conectat în serie cu sarcina;

• invertoare paralel, pentru care exista un singur condensator de compensare conectat în paralel cu sarcina;

• invertoare paralel-serie, pentru care exista doua condensatore de compensare conectate unul în serie cu sarcina, al doilea în paralel pe grupul astfel format.

O a doua clasificare, la fel de importanta, este aceea dupa natura sursei, care împarte invertoarele în:

• invertoare de tensiune;

• invertoare de curent.

Invertoarele de tensiune sunt alimentate direct de la o sursa de tensiune, astfel ca la bornele invertorului tensiunea este constanta. În cazul invertoarelor de curent invertorul este alimentat deasemenea de la o sursa de tensiune, dar prin intermediul unei bobine cu inductanta mare. Aceasta asigura un curent constant de alimentare a invertorului.

Forma tensiunii pe sarcina poate fi destul de diversa în cazul invertoarelor. De cele mai multe ori forma dorita este sinusoidala, îndeosebi atunci când invertoarele servesc la controlul motoarelor electrice. Alteori si o tensiune dreptunghiulara, mai usor de obtinut, este suficienta.

La puteri semnificative este cel mai eficace ca dispozitivele comandabile fie sa fie de tip comutator, familia tiristorului, fie sa fie utilizate într-un astfel de regim, de comutatie, daca sunt din familia tranzistorului. În acest caz o forma dreptunghiulara a tensiunii de ies ire este cel mai usor de obtinut.

O prima clasificare împarte deci invertoarele în:

• invertoare cu tensiune de iesire sinusoidala sau cvasi-sinusoidala;

• invertoare cu tensiune de iesire dreptunghiulara sau cvasi-dreptunghiulara.

În general invertoarele cu tensiune de iesire sinusoidala utilizeaza circute rezonante pentru a obtine astfel forma dorita. Mai exista o categorie aparte:

• invertoare cu tensiune de iesire sintetica.

Tehnicile pentru obtinerea unor tensiuni dreptungh iulare fiind mai la îndemâna, s-au imaginat o serie de variante de invertoare, numite generic invertoare cu tensiune de iesire sintetica, la care tensiunea de iesire aproximeaza forma sinusoidala printr-o sinteza a unor succesiuni de impulsuri de forma dreptunghiulara.

Exista doua metode principale utilizate:

• cu modulatie în amplitudine a impulsurilor (MIA),

• cu modulatie în durata sau latime a impulsurilor (MID, tehnica cunoscuta mai mult sub denumirea prescurtata din limba engleza, PWM – Pulse Width Modulation).

În ultima vreme s-au dezvoltat tehnici complexe, care combina forme de unda dreptunghiulare cu treceri de tip sinusoidal sau aleg pentru comanda ventilelor momente critice în care pierderile de comutatie în aceste ventile sa fie minime pentru a mari eficacitatea invertorului.

Se poate deduce ca numarul variantelor posibile este foarte mare dar trebuie spus ca cele utilizate curent nu sunt numeroase. Este nevoie de o ordonare a criteriilor de apreciere a unei anumite scheme.

Cele mai importante sunt performantele principale si anume puterea în sarcina si frecventa de lucru optima si cea maxima. Pretul raportat la performante este esential si depinde de complexitatea schemei de putere, a celei de comanda si protectie, de ventilele utilizate. Randamentul sistemului intereseaza de asemenea foarte mult. El este legat de pierderile pe componente, o zona intens cercetata astazi. Un alt aspect important se leaga de solicitarile ventilelor, statice si dinamice.

Se mai pot aminti: comportarea la variatia parametrilor sarcinii sau sursei; comportarea în gol sau în scurtcircuit; gama de control a puterii si a frecventei; forma curentului în sarcina; necesitatea unui transformator de iesire; adaptabilitate la sistemele de utilizare existente; posibilitatea functionarii în paralel.

Adaptarea tehnologiei la cerințele proiectului

Solutia aleasa pe partea de stocare a energiei se bazeaza pe un banc de 2 acumulatori capsulati plumb-acid, model Block Power AGM, 12V-200Ah, fabricate de producatorul german de Intact. Astfel se va ajunge la o tensiune nominala a sistemului de 24Vcc cu o capacitate totala de 200Ah. Incarcarea bancului de baterii poate fi executata de oricare din cele 3 surse de alimentare disponibile (solar, eolian, diesel-generator).

In ceea ce priveste ciclul de viata, produsul rezultat are un ciclu de viata relativ lung, deoarece tehnologia utilizata in realizarea componentelor nu sufera modificari notabile intr-un timp foarte scurt, iar imbunatatirile aparute nu genereaza costuri mari.

Avand in vedere consideratiile mentionate mai sus, se justifica vizarea atingerii unei marje de profit de 12-13% pentru produsul finit in etapa finala.

Scopul prezentei propuneri de proiect este furnizarea elementelor tehnice si logistice intr-un format mobil si flexibil pentru autoritatile locale si formatiunile de situatii de urgenta, sau organizatorilor de tabere sau celor care doresc alimentarea energetica a echipamentelor aflate in izolare fata de retea astfel incat sa se acopere necesarul de generare de energie in mod flexibil (retea generatoare electrice cu combustibil, solar si eolian) si elementele tehnice pentru controlul, monitorizarea activitatilor, securizare zonala, iluminatul si purificarea apei, comunicatii si monitorizarea parametrilor biologici la personalul cheie si subiectii cu probleme de sanatate.

Acest lucru este posibil prin realizarea unui sistem integrat complet mobil si flexibil.

Deoarece in Romania exista zone expuse dezastrelor naturale (inundatii, alunecari de teren, cutremure) este absolut necesar sa existe un plan de actiune in astfel de situatii atat din punct de vedere al resurselor umane cat si din punct de vedere al echipamentelor si a timpului de raspuns.

Sistemul integrat propus vine sa raspunda cerintelor unei astfel de situatii, asigurand atat echipamentele necesare cat si logistica, avand un nivel mare de flexibilitate asigurat de posibilitatea modularii in functie de specificul situatiei si o mobilitate crescuta, putand fi transportat in containere si usor de asamblat.

Sistemul va cuprinde:

– subsistem putere hibrid retea-benzina-solar-vant pentru asigurarea alimentarii cu energie electrica a habitatului;

– subsistem de control inglobat, care va asigura rularea tuturor aplicatiilor necesare in orice tip de situatie;

– subsistem de monitorizare mediu prin intermediul senzorilor de proximitate, care vor oferi in timp real date cu privire la situatia ce trebuie evaluata si corectata;

– centru de comunicatii care va asigura posibilitatea comunicarii la nivel local, precum si la distanta prin inglobarea unui centru local GSM;

– subsistem de monitorizare a functiilor biologice pentru personalul cheie si subiectii cu probleme de sanatate sau aflati in stare de soc astfel incat sa se asigure prevenirea unor urgente medicale;

– subsistem mecanic care va contine toate elementele logistice necesare integrarii sistemului.

Principalii beneficiari ai solutiei propuse prin proiect sunt: autoritati locale, organizare de tabere militare, institutii publice, firme care organizeaza lucrari temporare aflate in spatii izolate fara posibilitatea racordarii la reteaua de alimentare cu energie electrica, proprietarii de locuinte izolate, etc.

Cărți și lucrări scrise:

Vaclav Smil – Energy in World History; Boulder, CO: Westview Press, 1994

Frank Kreith, D. Yogi Goswami – Handbook of Energy Efficiency and Renewable Energy; CRC Press, 2007

Mugur Balan – Energii regenerabile; UT PRES, 2007

J. F. Manwell, J. G. McGowan – WIND ENERGY EXPLAINED Theory, Design and Application Second Edition; John Wiley and sons, 2009

Tony Burton, Nick Jenkins – WIND ENERGY HANDBOOK Second Edition; John Wiley and sons, 2011

Conf. univ. dr. ing. Mircea Gogu – Curs conversia neconventionala a energiei electrice; Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iași

Conf. univ. dr. ing. Mircea Gogu – Curs masini electrice; Universitatea Tehnică "Gheorghe Asachi" din Iași

Site-uri și resurse web:

http://wikipedia.org/ (accesat octombrie, 2013)

http://www.eusustel.be/ (accesat octombrie, 2013)

http://academic.evergreen.edu/g/grossmaz/heidtken.html (accesat octombrie, 2013)

http://libweb.anglia.ac.uk/referencing/files/QuickHarvardGuide2013Aug.pdf (accesat octombrie, 2013)

http://www.woodengenerator.com (accesat noiembrie, 2013)

http://www.hercules-power.com (accesat noiembrie, 2013)

http://www.cres.gr (accesat noiembrie, 2013)

http://en.wikipedia.org/wiki/Internal_combustion_engine – Internal combustion engine

http://bancroft.berkeley.edu/ – Department of phisics

Enciclopaedia Britannica, Inc.

http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_generator – Electric generator

http://en.wikipedia.org/wiki/Engine-generator – Engine generator

http://www.woodengenerator.com/History-Electric_Generator.html – History

http://www.hercules-power.com/How-Generators-Work/ – How generators work

http://www.cres.gr

http://www.ce.tuiasi.ro/~chereches/ – Universitatea Tehnica "Gh. Asachi" Iasi, Facultatea de Constructii si Instalatii, Catedra de Instalatii pentru Constructii – Instalatii Electrice

Curs electronica de putere, Universitatea Transilvania din Brasov, Facultatea de Inginerie Elecrica si Stiinta Calculatoarelor, Departamentul Automatica si Tehnologia Informatiei

Software:

Editare lucrare:

Tehnoredactarea proiectului realizată în Microsoft Office Word 2007

Scheme electrice create în ePlan Electric P8