Nu în ultimul rând, doresc să mulțumesc familiei pentru înțelegerea și suportul acordat pe tot parcursul acestor ani de studiu. [301737]

CUVÂNT ÎNAINTE

Resursele regenerabile reprezintă unica soluție pentru a limita poluarea mediului înconjurător și pentru a [anonimizat]. [anonimizat]. Cererea de energie este în continuă creștere iar resursele convenționale sunt pe cale de a [anonimizat] a [anonimizat].

Într-o [anonimizat], rețelele de comunicații sunt într-o [anonimizat].

Demersul științific al acestui studiu este de a [anonimizat], [anonimizat], producerea de energie electrică din resurse regenerabile și nevoia de comunicare și acces la informații prin intermediul rețelelor de telefonie.

Prezenta teză reprezintă rezultatul cercetărilor efectuate în Catedra de Producere și Utilizare a Energiei a Facultății de Energetică din cadrul Universității Politehnica București sub îndrumarea domnului profesor dr. ing. [anonimizat]-i [anonimizat]-a lungul studiilor doctorale.

[anonimizat]-i mulțumesc domnului profesor dr. ing. [anonimizat], domnului profesor dr. ing. [anonimizat] "Angel Kunchev" pentru sprijinul acordat.

[anonimizat].

[anonimizat], întreaga activitate și dezvoltare a societății umane este direct dependentă de energia electică. Energia electrică este un suport logistic esențial al societății moderne și trebuie produsă în fiecare moment la nivelul cererii. []

La nivel modial sectorul energetic este influențat și modelat de următoarele aspecte:

creșterea continuă a populației și a urbanizării, deci implicit creșterea consumului de energie electrică și concentrarea lui pe suprafețe mici. Comisia Europeană pentru Energie și Transport susține că până în anul 2030 consumul de energie electrică în Europa va crește cu circa 60%. [anonimizat] o creștere anuală medie de 2% a consumului de energie electrică la nivel mondial. Această rată a creșterii presupune că până în anul 2040 consumului de energie se va dubla.

[anonimizat] a resurselor regenerabile. În 1956 geofizicianul M. King Hubbert a prezis că rezervele de combustibili fosili vor atinge un vârf urmat de o [anonimizat]. [anonimizat] 41 de ani rezervele de petrol vor fi epuizate. Rezervele mondiale de petrol vor scădea drastic până în 2020. În ceea ce privește resursele de cărbune un raport al Energy Watch Group din 2007 susține că maximul rezervelor de cărbune va fi atins în 2022. În aceste estimări și calcule evident nu sunt luate în considerare rezervele nedescoperite.

evoluția tehnologiei care va permite creșterea performanțelor în utilizarea resurselor de combustibili fosili, neregenerabili și în obținerea energiei electrice din surse regenerabile. Un exemplu în acest sens îl constituie fabricarea celulelor fotovoltaice cu ajutorul nanotehnologiei. Celulele solare convenționale au două mari dezavantaje, au randamente scăzute și sunt scumpe din cauza costurilor ridicate de producție. Nanotehnologia se pare ca este capabilă nu doar să crească eficiența celulelor solare, dar și să scadă costurile de producție. Cercetătorii au descoperit o modalitate de a realiza celule solare din plastic care pot fi aplicate pe orice tip suprafață și sunt mai ieftine deoarece nu au nevoie de condițiile speciale necesare fabricării celulelor solare convenționale. Aceste celule din plastic folosesc nanorozi dipersați într-un polimer.

necesitatea reducerii emisiilor poluante în mediul înconjurător și atingerea unor praguri cât mai înalte de eficiență energetică. Una dintre încercările în acest sens o costituie casele construite în și din pământ de către arhitectul elvețian Peter Vetsch care utilizează transferul de căldură întârziat între sol și atmosferă. La o anumită adâncime temperatura solului este constantă indiferent de temperatura atmosferică, aproximativ la 13-14ș C. O clădire cu două sau trei laturi în contact direct cu solul folosește mai puțină energie pentru a încălzire în perioadele reci ale anului, respectiv pentru răcire în perioadele călduroase, diferența de temperatură necesară a fi acoperită este mult redusă față construcțiile convenționale. Izolarea termică este realizată și de schimbul redus de aer cu exteriorul.

necesitatea producerii din surse regenerabile a energiei electrice. Comisia Europeană a recunoscut nevoia promovării surselor regenerabile, iar la 10 ianuarie 2007 a adoptat un pachet de măsuri, aprobat de către Consiliul și Parlamentul European printr-un angajament independent al UE de a reduce cu cel puțin 20% emisiile de gaze cu efect de seră până în anul 2020, comparativ cu nivelul noxelor din 2005, precum și obiectivul de a produce până în 2020 din surse regenerabile a 20% din totalul energiei, inclusiv obținerea a 10% energie produsă din biocarburanți.

Umanitatea în încercarea de a reduce dependența de combustibilii fosili și de a proteja mediul înconjurător, ceea ce prespupune de fapt continuarea și protejarea propriei sale existențe dezvoltă tot mai mult domeniile cu utilizează resurselor regenerabile.

La nivel mondial există șase mari producători de energie electrică din surse hidroenergetice: China (282 GW), Brazilia (89 GW), SUA (80,1 GW), Canada (77,6 GW), Rusia (47,9 GW) și India (44,8 GW).

Capacitatea globală totală instalată în 2014 a fost de 1055 GW, aceasta însemnând o creștere de 3,6% în comparație cu 2013. China este cel mai mare producător de energie utilizând ca sursă energia apelor, în 2014 amenajarea hidroenergetică de la Xiluodu a fost pusă în funcțiune, aceasta este a treia ca mărime din lume, după amenajările de la Three Gorges tot din China și cele de la Itaipu din Brazilia, având o putere instalată de 13,86 GW și 13 turbine, deși în total vor fi instalate 18.

În 2014 puterea instalată în sursa solară a înregistrat și aceasta o creștere comparativ cu 2013 de 40 GW, în zece ani capacitatea solară a avut o creștere spectaculoasă de la 3,7 GW în 2004 la 177 GW în 2014. Liderul în acest domeniu este Germania cu o putere instalată de 38,2 GW. Europa are cea mai mare contribuție privind creșterea globală a producției de energie din surse fotovoltaice puterea totală instalată funcțională este de 87 GW, totuși în 2014 China a avut cea mai mare crestere, cu un total de 10,6 GW ajungând la o putere instalată de 28,2 GW.

Și utilizarea energiei eoliene a cunoscut în 2014 o creștere cu aproape 51 GW comparativ cu 2013 și în 2013 cu 35 GW comparativ cu 2012, putera instalatăgolbal este de 370 GW, în 2004 puterea totală instalată a fost de 48 GW. Liderul mondial este tot China cu o capacitate de 115 GW, care se confruntă cu problema transportului energiei eoliene de la locul unde este produsă, respectiv unde se găsește resursa, la locul unde este nevoie.

Așa cum se poate observa în fig. 4 capacitatea instalată în zece ani a crescut exponential deși această creștere presupune investiții foarte mari și politici guvernamentale care să sprijine aceste politici. În fig. 5 se pot observa investițiile realzate anual în ultimii zece ani în surse regenerabiile de energie, iar fig. 6 prezintă sumele investite anual de în ultimii 10 ani pentru fiecare tip de tehnologie în parte.

Așa cum putem observa din figura următoare în ultimii cinci ani cele mai mari investiții
s-au realizat în obținerea energiei din surse solare, urmate de investiții în sursele eoliene, celelalte în tipuri de surse regenerabile investițiile au fost mult mai mici dar biomasa și biocombustibilii au început să fie din ce în ce mai utilizați, deci vor crește și investițiile în aceștia.

Cel mai mare investitor mondial în surse regenerabile, ironia face ca acesta să fie și cel mai mare poluator este China, figura 7, are a investit de la 3 miliarde dolari americani în 2004 la 83,3 în 2014.

România încearcă să sprijine producătorii de energie verde prin acordarea de certificate verzi. Conform datelor ANRE în 2014 aproximativ 43,17 % din toată energia produsă la noi în țară era produsă din resurse regenerabile. În tabelul următor este prezentată evoluția numărului de producători de energie verde, producători recunosuți de către ANRE, în figura 8 este prezentată evoluția puterii instalate în surse regenerabile în intervalul 2010 – 2013.

Tabel 1 Producători recunoscuți de către ANRE []

Procentajul de energie verde din totalul energiei consumate în România este în 2010 – 35,24%, în 2011 – 27,19%, în 2012 – 25,07 și în 2013 – 35 ,59%. Din totalul de 4349 MW instalați în 2013, 59,7 % reprezintă energie eoliană (2594 MW), 12,2% este hidro (531 MW), 26,6% solară (1158 MW) și 1,5% biomasă (66 MW).

CAPITOLUL 1

SCURTĂ ANALIZĂ A SURSELOR DE ENERGIE REGENERABILĂ

Energia geotermală

Energia geotermală este reprezentată de diversele categorii de energie termică care sunt înmagazinate în scoarța terestră.

Zăcămintele geotermale pot fi clasificate în funcție de temperatură, dar pot fi clasificate și în funcție de starea termodinamică a fluidului (lichid, abur saturat, umed sau abur supraîncălzit), există clasificări și în funcție de condițiile geologice, geofizice sau chimice.

Următoarea clasificare este cea propusă de Consiliul Mondial al Energiei []:

resurse cu temperatură înaltă (>225°C);

resurse cu temperatură medie (125÷225°C);

resurse cu temperatură joasă (<125°C);

resurse din roci uscate fierbinți;

resurse geopresurizate.

Cele mai exploatate resurse geotermale sunt primele trei din clasificația de mai sus. Aceste zăcăminte se mai numesc și hidro-geotermale, conțin cantități suficiente de fluid, în straturi de roci cu porozitate mare și pot fi extrase. Acestea sunt și ele împărțite în două categorii:

a. zăcăminte de entalpie joasă cu temperaturi mai mici de 150 °C la adâncimea de un km;

b. zăcăminte de entalpie înaltă cu temperaturi mai mari de 150 °C la adâncimea de un km.

Zăcămintele geotermale se găsesc în apropiere zonelor de contact dintre plăcile tectonice, zone tectonice și vulcanice active.

Figura 1.1 Localizarea sistemelor geotermale majore []

Figura 1.2 Localizarea zăcămintelor geotermale din Romania [4]

În scopul obținerii energiei electrice din energie geotermală sunt utilizate în general zăcămintele de entalpie înaltă care produc abur umed sau abur saturat uscat. În continuare sunt prezentate succint scheme ale soluțiilor de producere a energiei electrice din resursa geotermală:

Figura 1.3 Producerea energiei electrice din abur saturat uscat

Figura 1.4 Producerea energiei electrice din abur saturat umed cu o laminare

Figura 1.5 Producerea energiei electrice din abur saturat umed cu două laminări

Figura 1.6 Producerea energiei electrice în centrale electrice cu fluid secundar centrale electrice cu separatoare bifazice rotative

Figura 1.7 Producerea energiei electrice în centrale electrice cu separatoare bifazice rotative

Energia solară

1.2.1 Generalități

Soarele este o sursă inepuizabilă de energie, se estimează o durată a existenței Soarelui, implicit a radiației solare de încă aproximativ 4-5 miliarde de ani.

La nivelul Pământului, radiația solară se poate clasifica în:

radiația directă – componenta paralelă, provenită de la discul solar și măsurată după direcția normalei la suprafață;

radiația difuză – radiația primită de o suprafață plană provenită din toată emisfera văzută de acea suprafață, cu excepția discului solar;

radiație reflectată – este rezultatul reflexiei razelor de către suprafețe reflectante, această componentă depinde de coeficientul reflecție al suprafeței respective;

radiația globală – radiație directă și radiație difuză.

În vederea analizării radiației solare sunt definite următoarele mărimi:

Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică unitară solară, măsurată în atmosferă, în straturile superioare ale acesteia, perpendicular pe direcția razelor. Valoarea constantei solare, general acceptată, este de 1.350 W/m2 și fiind de fapt o medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliților. De fapt, valoarea radiației solare la limita superioară a atmosferei suferă
de-a lungului anului variații de ± 3% din cauza diferențelor dintre distanța Pâmânt – Soare.

Energia termică unitară este măsurată la nivelul suprafeței terestre, perpendicular pe direcția razelor solare.

Fluxul de energie radiantă solară care ajunge la suprafața terestră și reprezintă intensitatea radiației solare, care în atmosfera terestră, din cauza elementelor componente ale acesteia este disipată treptat cu aproximativ 30% prin absorbție și difuzie. Radiația solară absorbită transformată în căldură este diseminată în toate direcțiile, iar prin aceste procese de absorbție și difuzie atmosfera se încălzește și produce o radiație cu lungime de undă mare numită radiație atmosferică. Un alt factor care înflulențează intensitatea radiației solare este reflecția sa de către atmosfera terestră, prin reflectare parte din radiația solară este disipată, proces este denumit difuzie Rayleigh. Fluxul de energie radiantă este mai mic decât constanta solară, iar în timp ce radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței receptoare, radiația solară difuză este constantă diferențele existente în realitate sunt considerate neglijabile, indiferent de orientarea suprafeței receptoare.

Astfel, radiația solară este influențată de următorii parametrii:

unghiul format de direcția razelor soarelui cu planul orizontal (înălțimea soarelui pe cer);

unghiul de înclinare al axei Pământului;

distanța Pământ – Soare;

latitudinea geografică γ. []

Funcționarea panourilor fotovoltaice este dependentă de radiația directă care, în cazul unui cer senin, are cea mai mare intensitate atunci când soarele se găsește la punctul său de maxim spre Sud în emisfera nordică, iar în cazul emisferei sudice soarele se găsește la punctul său de maxim spre Nord. Explicația acestui fenomen se află în lungimea distanței pe care undele electromagnetice trebuie să o parcurgă de-a lungul atmosferei terestre. Luăm în considerare o suprafață orientată către sud, înclinarea acesteia și poziția ei față de soare este dată de unghiul h (altitudinea la care se găsește soarele la ora respectivă) și unghiul azimutal , figura următoare (figura 1.9). Poziția soarelui față de suprafața receptoare diferă și în funcție de sezon datorită mișcării de revoluție a Pământului.

Intensitatea radiației nu depinde doar de unghiul zenital, ci și de componența atmosferei, și anume conținutul de ozon, de praf, de vapori de apă, de aerosoli și de nori. În figura 1.3 este prezentată variația intensității radiației solare în funcție de unghiul zenital și un coeficient măsurabil al atmosferei, având în vedere următoarele: presiunea aerului la nivelul mării este , conținutul de apă de-a lungul unei coloane verticale de 0,02 , conținutul de ozon 0,0034 , ambele măsurate în condiții standard de temperatură și distanță medie Pământ-Soare. [5]

Figura 1.9 – Intensitatea radiației solare normale la suprafață
a) atmosferă ipotetică – turbiditate zero, b) atmosferă clară – turbiditate 0,01,
c) atmosferă poluată – turbiditate 0,4 [5]

Figura 1.10 Variația radiației solare în România în funcție de luna calendaristică

Mai jos sunt prezentate hărți ale intensității solare în lume și în Romania, hărți disponibile online.

Figura 1.11 Harta intensității solare în lume [6]

Figura 1.12 Harta intensității solare în România[7]

1.2.2 Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice

Apariția unei tensiuni electromotoare sub incidența energiei solare este denumită efect fotovoltaic, efect apărut într-un material solid ca urmare a eliberării de sarcini electrice negative (electroni) și pozitive, atunci când suprafața materalului interacționează cu radiația solară. Astfel, sub acțiunea radiației solare, apare fenomenul de polarizare electrică a materialului de unde rezultă o tensiune electromotoare ce poate genera, într-un circuit închis, energie electrică.

Celulele fotovoltaice sau celulele electrice solare reprezintă echipamente care funcționează pe baza acestui fenomen. În vederea asigurării unei puteri electrice rezonabile celulele fotovoltaice funcționează legate în serie într-un număr cât mai mare, formând panouri fotovoltaice sau panouri electrice solare.

Celulele fotovoltaice pot fi fabricate din mai multe tipuri de materiale semiconductoare, dar de regulă celulele solare sunt realizate din siliciu, peste 95%, acesta este cel de al doilea element chimic ca răspândire din scoarța terestră, fiind, deci, disponibil în cantități însemnate, aspect care duce la costurile mici cu materia primă necesară producerii panourilor.

Principiul de funcționare este relativ simplu, electronii ocupă diferite nivelele energetice în jurul nucleelor atomilor denumite și straturi sau benzi energetice. Straturile energetice sunt accesibile electronilor dar sunt separate între ele de “bariere energetice”. Banda energetică de valență sau bandă de valență reprezintă nivelul energetic cel mai mare dintre cele populate de către electroni. Nivelul energetic următor, accesibil electronilor, dar neocupat este se numește bandă energetică de conduție sau bandă de conducție. Valoarea “barierei energetice” dintre cele două straturi este dată de diferența de potențial energetic, ΔE, dintre banda de conducție și banda de valență, adică diferența dintre nivelul energetic Ec al benzii de conducție și Ev al benzii de valență ΔE=Ec-Ev. De exemplu, ΔE≈1 eV pentru siliciului monocristalin, iar în cazul siliciului amorf valoarea acestei bariere energetice poate să ajungă la ΔE≈1,7 eV.

Valorile barierei energetice sunt de fapt cuante de energie care trebuie să fie transmise electronilor de pe stratul de valență pentru a deveni liberi, adică să migreze de pe banda de valență pe banda de conducție. Sub influența radiației solare, în cazul materialelor semiconductoare precum siliciul, cuantele de lumină (fotonii) transmit electronilor de pe banda de valență energia necesară pentru a depăși “bariera energetică” și a migra pe banda de conducție. Celulele fotovoltaice pentru a funcționa folosesc acest fenomen.

În vederea utilizării la fabricarea celulelor fotovoltaice materialul semiconductor este impurificat cu varii elemente chimice pentru a se realiza un surplus de sarcini electrice negative sau de sarcini electrice pozitive, obținându-se astfel straturi de material semiconductor de tip n sau de tip p, în funcție de tipul sarcinilor electrice predominte. Două astfel de straturi cu sarcini electrice diferite sunt alipite în zona de contact obținându-se o zonă de contact numită jocțiune de tip p-n.

Datorită diferenței de potențial electric care apare în zona joncțiunii p-n, electronii execedentari vor avea tendința de a sări de stratul n pe stratul p unde există deficit de electroni și viceversa. Aceste salturi care se produc între cele două straturi ale sunt limitate de nivelul energetic al purtătorilor de sarcini electrice din această cauză nu se va realiza niciodată un echilibru la nivelul sarcinilor electrice în profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul p va fi ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul n, va fi ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se va produce o redistribuire a sarcinilor electrice în zona joncțiunii p-n, rezultând o diferență de potențial locală care împiedică o deplasare ulterioară a sarcinilor dinspre stratul p sipre stratul n și viceversa. Sarcinile electrice libere vor fi respinse din zona de joncțiune către straturile carora aparțin și se vor deplasa către zone opuse.

Lumina prezintă are un caracter dual, conform teoriei ondulatorii a luminii caracteristici de undă și conform teoriei corpusculare, sau fotonice a luminii caracteristici corpusculare. Pentru efectul fotovoltaic este important caracterul corpuscular. În urma acțiunii radiației solare asupra joncțiunii p-n fotonii cu un nivel energetic de ajuns de ridicat (cu cât intensitatea radiației solară este mai mare cu atât nivelul energetic este mai ridicat) vor transfera electronilor situați pe straturile de valență suficientă energie pentru a deveni electroni liberi, adică se vor deplasa pe straturile de conducție.

Diferența internă de potențial produsă local la nivelul joncțiunii p-n va avea un efect asupra electronilor liberi care sunt situați pe stratul n și care vor fi respinși spre suprafața stratului n al joncțiunii, iar efecutul asupra electronilor liberi care sunt situați în stratul stratul p vor fi atrași spre zona de joncțiune și o vor traversa. Electronii care vor ajunge în stratul n vor fi respinsi spre suprafața acestui strat. Deoarece în urma migrării pe stratul de conducție, sub acțiunea radiației solare, fiecare electron liber va lăsa în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului din care a plecat se vor forma perechi de sarcini electrice negative și pozitive, nu doar electroni liberi. Tot datorită diferenței interne de potențial manifestate local la nivelul joncțiunii p-n golurile formate în stratul n sunt atrase spre zona de joncțiune p-n, o vor traversa și odată ajunși în stratul p vor fi respinși spre suprafața acestui strat, iar golurile formate în stratul p vor fi respinse spre periferia stratului p al joncțiunii.

Datorită salturilor pe care le fac sarcinile electrice între cele două straturi și în zona joncțiunii p-n, așa cum am descris mai sus, la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii se va realiza o polarizare electrică. În cazul în care aceste suprafețe exterioare sunt acoperite cu un strat metalic, fiecare fiind de fapt un electrod, va apărea o diferență de potențial care într-un circuit închis va conduce la apariția curentului electric. Această diferență de potențial, precum și curentul electric, se vor produce atâta timp cât există radiație solară, orice variație a intensității sale va conduce la variații ale diferenței de potențial și, cel mai important, variații ale curentului electric.

Practic o celulă fotovoltaică este compusă din joncțiunea p-n și cei doi electrozi, electrodul negativ al celulei fotovoltaice are amplasat deasupra sa un strat antireflexiv pentru a împiedica reflexia radiației solare incidente pe suprafața celulei electrice solare, crescând astfel cantitatea de energie transferată electronilor de valență din cele două straturi semiconductoare.

Randamentul celulelor fotovoltaice este influențat de următorii doi factori:

intensitatea radiației solare incidente pe suprafața celulei;

eficiența procesului de conversie a energiei radiației solare în energie electrică.

1.2.3 Tipuri de celule fotovoltaice

Așa cum am menționat în subcapitolul anterior, siliciul este cel mai utilizat element chimic pentru poducerea de celule fotovoltaice la nivel industrial. Acesta este supus unor procese tehnologice complexe pentru a se realiza siliciul metalurgic care are puritate de 98%. Acesta este purificat chimic într-o nouă etapă pentru a se obține siliciu sub formă lichidă de calitate electronică. În procesul de transformare la care este suspus siliciul ultima etapă presupune doparea sa pentru obținerea straturlor de tip P și de tip N. Pentru a amortiza cantitatea de energie electrică utilizată la în cadrul procesului său de fabricare, o celulă fotovoltaică va trebui să funcționeze undeva între 2 și 3 ani.

Constructiv există următoarele tipuri de celule fotovoltaice:

celule cu siliciu monocristalin – siliciul este răcit și cristalizează rezulând un singur cristal, care ulterior este secționat în fâșii subțiri pe care sunt aplicate celelalte straturi componente ale celulelei menționate anterior. Culoarea celulelor fotovoltaice cu siliciu monocristalin este de regulă albastru. Randamentul lor este ridicat, aproximativ 18%, însă în cazul unei iluminării slabe este scade mai mult comparativ cu alte tipuri de celule iar costurile de producție sunt ridicate;

celule cu siliciu policristalin – siliciul este răcit și cristalizează rezulând mai multe cristale, secționarea în fâșii duce la celule compuse din mai multe cristale. Culoarea este tot albastră, au un randament destul de bun, aproximativ 14%, scade și în cazul lor dacă iluminarea este slabă, dar costurile de producție sunt mai mici. Având cel mai bun raport calitate-preț sunt cele mai utilizate tipuri de celule la producerea panourilor fotovoltaice;

celule cu siliciu în stare amorfă – siliciul nu este cristalizat și este depuns pe un material suport, de regulă, o foaie de sticlă, culoarea acestor celule este gri. Au un randament scăzut la intensități mari al radiației solare, dar au randament mai bun în cazul unei iluminări slabe (randamentul energetic este de aproximativ 7%). Costurile de producție sunt mici comparativ cu alte tipuri de celule însă se degraează într-un timp relativ de funcționare;

celule tandem – sunt obținute prin îmbinarea sub formă de straturi a tipurilor de celule de mai sus. Randamentul lor este mai bun deoarece este absorbit spectru mai larg al radiației electromagnetice aspect important deoarece duce la producerea unei cantități mai mare de energie electrică, dar costurile de producție sunt foarte mari;

celule cu film subțire – sunt fabricate prin depunerea în straturi foarte subțiri de elemente semiconductoare pe un material de suport (sticlă, oțelul inoxidabil, materialul plastic) și au un randament de aproximativ 13%. Aceast proces de fabricație folosește o cantitate redusă de materiale și a devenit unul dintre cele mai frecvente doarece costurile sunt reduse, iar celulele fotovoltaice produse sunt flexibile și au o greutate redusă. Un exemplu de astfel de celule sunt CdTe, CIGS sau GaAs.

celule din polimeri – reprezintă una dintre cele mai noi tehnologii, celulele sunt fabricate din polimeri organici în film (10 nm) din polifenilen-vinil și fulerene de carbon.

Figura 1.13 – Tipuri de celule fotovoltaice (monocristalin, policristalin, amorf și cu film subțire)

1.3 Energia eoliană

1.3.1 Generalități

Resursa eoliană este una dintre cele mai vechi resurse utilizate de către om, folosită pentru a obține energie mecanică în vederea propulsiei ambarcațiunilor, iar mai apoi pentru punerea în funcțiune a morilor de vânt. Astăzi energia eoliană este cea mai utilizată resursă regenerabilă fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creștere în ultimii ani, turbine noi de vânt se fabrică și instalează în toată lumea. În anul 2014 s-a înregistrat maximul privind puterea instalată la nivel mondial, aproximativ 51 GW, China este liderul mondial privind puterea instalată în energie eoliană, și anume 114.609 MW. Previziunile Global Wind Energy Council sunt foarte optimiste cu privire la dezvoltarea acestui sector, sunt așteptate creșteri semnificative ale capacității instalate în următorii ani, iar Asia își va păstra rolul de lider.

Vântul reprezintă mișcarea maselor de aer ce au temperaturi diferite, diferența de temperatură fiind generată de suprafețele de apă și de pământ care absorb diferit caldura provenită de la soare. Global, mișcarile masive de aer sunt datorate de diferențelor de presiune (gradientul baric) dintre diferitele zone ale suprafeței terestre rezultate în urma radiației solare neuniforme și a rotației Pământului.

Mărimile necesare pentru analizarea acestui tip de energie sunt:

câmpul de viteze;

câmpul de presiuni;

câmpul de temperatură.

Parametri energetici ai vântului sunt:

intensitatea vântului – evaluată în meteorologie prin Scara Beaufort în 12 trepte, intervalele intensității vântului sunt identificate prin efectele pe care le produc asupra mediului înconjurător.

Tipurile de vânt sunt:

calm v = 0 – 0,4 m/s;

ușor v = 0,4 – 5,8 m/s;

moderat v = 5,8 – 11 m/s;

tare v = 11 – 17 m/s;

furtună v = 17 – 25 m/s;

uragan v > 34 m/s.

În vederea exploatării acestei resurse pentru producerea de energie electrică viteza vântului trebuie să se încadreze intervalul 1,5 – 25 m/s, turbinele eoliene au nevoie de valori diferite în funcție de tipul constructiv.

variația vitezei în timp – viteza vântului este o mărime vectorială, caracterizată prin mărimea scalară egală cu mărimea vectorului și direcția vectorului. Viteza vântului
într-un punct variază în timp, iar pentru a o măsura este importantă componenta orizontală a vitezei vântului. Aceasta, conform normelor meteorologice, se măsoară ca mărime medie pentru un interval de timp de 10 minute, la cote standard de 10 și 50 m. Viteza vântului este importantă pentru calculele energetice, dar și pentru evaluarea efectelor asupra întregului ansamblu al turbinei.

Ordonarea datelor se face sub forma:

curbelor de frecvență – numărul de ore sau procent din numărul total de ore într-un an sau într-un interval de timp asociate intervalelor de viteze;

curbelor de asigurare – curba de asigurare are pe abscisă frecvența (sau durata ore/an), iar pe ordonată pragul de viteză asigurat. Curba de frecvență se poate obține prin derivarea curbei de asigurare. Prin integrarea curbei de frecvență se obține viteza medie anuală sau multianuală.

Figura 1.14 Exemplu de variație a vitezei vântului în timp

vitezele extreme – sunt luate în calcul atât la proiectarea structurii de rezistență a turbinei, dar și a turbinei propriu-zise, dacă viteza vântului este prea mare turbina poate fi defectată, de regulă turbinele sunt prevăzute cu sisteme de frânare tocmai pentru a preveni acest lucru;

direcția vântului – este foarte importantă pentru modul de instalare al turbinelor, pentru a avea un randament cât mai bun aceastea sunt poziționate pe direcția vântului, iar în cazul parcurilor eoliene trebuie avută în vedere atât așezarea lor pentru a putea exploata la maxim resursa, dar și faptul că turbinele nu trebuie să se umbrească între ele. Există și tipuri de turbine eoliene care pot produce energie electrică indiferent de direcția vântului.

Mai jos sunt prezentate harta globală a vitezei vântului și hărți ale potențialului eolian din țara noastră, trebuie precizat că România este situată într-o zonă de interferență a maselor de aer cu contraste termobarice mari și dispune de un potențial energetic eolian bun, așa cum se va observa hărțile de mai jos.

Figura 1.15 Harta globală a vitezei vântului[8]

Figura 1.16 Potențialul eolian zonal și numărul anual de ore de vânt cu viteză mai mare de 4 m/s[9]

Figura 1.17 Harta vânturilor pentru România realizată de ICMENERG

Figura 1.18 Harta vânturilor pentru România realizată de MegaJoule [10]

1.3.2 Conversia energiei eoliene în energie electrică

O turbină eoliană este o mașină rotativă care convertește energia cinetică a vântului în energie mecanică, energia mecanică este apoi transformată în energie electrică, de către un generator. Puterea transferată la o turbină eoliană este proportională cu densitatea aerului, cu suprafața “măturată” de catre rotor și cu cubul vitezei vântului.

Puterea vântului se poate determina plecând de la energia cinetică a unui curent de aer cu viteză constantă:

(1.1)

(1.2)

unde m reprezintă masa de aer care trece prin suprafața turbinei într-un interval de timp t, iar
este debitul masic de aer care trece prin suprafața turbinei.

Puterea curentului de aer este dată de următoarea ecuație, obținută prin raportarea energiei vântului la intervalul de timp t:

. (1.3)

sau

(1.4)

P = puterea [W];

cp = un factor de eficiență determinat de construcția turbinei;

ρ = densitatea aerului [kg/m³];

r = raza palelor turbinei [m];

v = viteza aerului [m²/s].

Presupunând, în ecuația (1.3) A=1 m2 și cunoscând faptul că densitatea medie a aerului este =1.226 kg/m3, rezultă o relație de calcul rapid a puterii vântului:

[kW/m2] (1.4)

Deci puterea curentului de aer variază proporțional cu viteza vântului, iar puterea lui nominală se consideră egală cu puterea generatorului electric care produce energia electrică. Pentru a nu se depăși această putere turbinele eoliene sunt prevăzute cu sisteme de reglare automată a puterii (prin modificarea unghiului de atac a palelor, a suprafeței lor etc.), iar la viteze foarte mari ale vântului, viteze ce depășesc viteza maximă admisibilă, funcționarea turbinei va fi întreruptă (prin așezarea palelor paralel cu direcția vântului, împiedicarea accesului vântului etc.) pentru a evita distrugerea rotorului.

În timp ce curentul de aer străbate suprafața rotorului și turbina extrage energia, acesta este încetinit și dispersat, de aceea o turbină eoliană nu poate extrage mai mult de 59% din energia vântului, deci cp nu poate fi mai mare de 0,59. Această limită se aplică indiferent de tipul constructiv al turbinei și este cunoscută în literatura de specialitate ca limita lui Betz sau coeficientul Betz. De exemplu, la o temperatura de 15 °C la nivelul mării densitatea aerului este de 1,225 kg/m³, presupunând o viteză a vântului de 8 m/s care trece printr-un rotor cu diametrul de 100 m obținem o cantitate de 77.000 kg de aer “maturată” pe secondă și o putere totală de 2,5 MW din care în realitate nu pot fi extrași decât 1,5 MW.

1.3.3 Tipuri de turbine eoliene

Există două categorii mari de turbine eoliene în funcție de axa după care se rotesc, turbine eoliene care se rotesc în jurul unei axe orizontale și care sunt foarte des întâlinite și turbine eoliene care se rotesc dupa o axă verticală și care sunt mai puțin utilizate.

1.3.3.1 Turbine care se rotesc după axa orizontală

Turbinele ce se rotesc dupa axa orizontală au rotorul principal și generatorul electric în vărful unui turn a cărui înălțime crește odată cu puterea instalată și trebuie direcționate în vânt. Turbinele de puteri mici sunt de regulă direcționate de o giruetă, în timp ce turbinele mari folosesc un senzor de vânt cuplat la un servomotor. Deoarece turnul pe care sunt instalate turbinele produce turbulente în spatele său palele sunt amplasate în direcția vântului față de turn, iar pentru a preveni ca ele să fie lovite de turn la atunci când vântul este foarte puternic sunt construite rigid, în general dintr-un amestec de fibră de sticlă și materiale compozite, mai mult ele sunt plasate la o distanță destul de mare în fața turnului și uneori sunt puțin inclinate în sus.

Rotorul acetui tip de turbine poate fi echipat cu două, trei sau mai multe pale, asemănătoare cu cele ale unei elice de avion atât în privința profilului cât și a posibilităților de rotire în jurul axului propriu. Ele au rolul de a capta energia vântului și de a o transfera rotorului turbinei. Sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigură limitarea vibrațiilor, a zgomotului și a oboselii rotorului. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul cu doă pale față de cel cu una singură, iar creșterea este de 3% între sistemul cu trei pale față de cel cu două pale. În plus, este un raport bun între cost, randament și viteza de rotație.

Avantajele turbinelor care se rotesc dupa axa orizontală:

au un randament ridicat;

palele sunt plasate în centrul de greutate al turbinelor, deci au o stabiliate bună;

posibilitatea de a plasa palele în direcția vântului pentru a obține maximul de energie din resursa eoliană;

posibilitatea frâna / opri palele rotorului când viteza vântului este prea mare pentru a evita pagubele;

pot fi instalate pe turnuri înalte permițând astfel accesul la vânturi mai puternice în zone cu vânturi mai slabe la înalțimi mici. Există zone unde la fiecare 10 metri înălțime, viteza vâtului poate crește cu 20%, iar puterea produsă cu 34%.

Dezavantaje ale turbinelor care se rotesc după axa orizontală:

sunt greu de manevrat în vanturi turbulente apropiate de pământ;

turnurile înalte și palele lungi de până la 90 de metri sunt dificil de transportat, transportul însemană cam 20% din costurile de instalare;

astfel de turbine înalte sunt dificil de instalat, fiind necesare macarale înalte, scumpe, iar mâna de lucru trebuie să fie calificată, de asemenea sunt greu de instalat în zone montane unde de regulă există viteze bune ale vântului;

aceste turbine afectează radarele aeriene în apropierea carora se află;

sunt zgomotoase și nu pot fi amplasate în apropierea locuințelor;

au un impact negativ asupra peisajului și aspura păsărilor.

1.3.3.2 Turbine care se rotesc după axa verticală

Turbinele ce se rotesc după axa verticală au rotorul așezat vertical și este amplasat lângă tun, de sunt de obicei au înălțimi mai mici, deci sunt amplsate mai aproape de pământ și astfel pot utiliza vânturi turbulente. Palele fiind așezate pe verticală pot capta vânt din orice direcție și produce energie electrică. De asemenea, aerul are o densitate mai mare la o alitudine joasă, deci au o energie potențială mai mare la o viteză a vântului dată.

b) c) d)

Figura 1.20 Tipuri de turbine ce se rotesc dupa axa vericală

turbina Darrieus, b) turbina Gorlov, c) turbina Giromill, d) turbina Savonius

Există mai multe tipuri de turbine care se rotesc după axa verticală, și anume:

turbine Darrieus – au o formă ovală și un randament ridicat, dar produc forțe de torsiune mari asupra turnului ceea ce înseamnă o stabilitate în funcționare mică. Forțele de torsiune sunt reduse prin ancorarea ei cu încă trei parâme pentru a mări rezistența. De asemenea au nevoie de o sursă externă de putere sau de un rotor Savonius pentru a porni, deoarece cuplul de pornire este foarte mic.

turbine în spiarală Gorlov – sunt de fapt un subtip de turbină Darrieus cu o configurație elicoidală și reprezintă o tehnologie mai nouă patentată în 2001 care rezolvă majoritatea problemelor turbinei Darrieus. Nu are nevoie de motor de pornire deoarece pornește singură, forețele de torsiune sunt mai mici, vibrațiile și zgomotele sunt joase, este sigură în funcționare și are o randament de până la 35%.

giromill – este tot un subtip al turbinei Darrieus, numai că spre deosebire de aceasta are pale drepte. Pornesc singure și au divrese moduri de a reduce momentele de torsiune (cupluri mari de pornire, viteze de rotație mai mică pentru palele joase care reduc forțele ce acționează asuora palelor și duc îndoirea lor), au un coeficient de peformanță mai mare, randamentul lor ajungând până la 38 %, de asemenea au o operare mai bună în vânturi turbulente.

turbine eoliene Savonius – au 2 sau mai multe pale însă spre deosebire de tubinele Darrieus pornesc singure, dacă au cel puțin 3 pale. Sunt sigure în funcționare dar au un randament mai mic. Există diferite subtipuri, de exemplu rotoarele de tip Banesh sau Rahai care măresc eficiența. Există și încercări de a folosesi vele ce se pot închide sau deschide în funcție de viteza vântului.

Avantaje ale turbinelor care se rotesc dupa o axa verticală:

la puteri mici au randamente mai mari decât turbinele care se rotesc după axa orizontală;

au costuri scăzute de întreținere deoarece componentele în mișcare sunt în apropiere de pământ;

nu au nevoie de un mecanism de deviere pentru a le pune în direcția vantului, reducând costurile de producție;

funcționează bine în vânturi turbulente și peste puțin probabil să se rupă în vânturi puternice;

înălțimea lor redusă este utilă acolo unde nu se pot construi structuri înalte;

sunt ușor de integrat în zonele urbane deoarece nu sunt zgomotoase;

de regulă sunt instalate la înălțimi mici și nu au un efect negativ la fel de ridicat ca turbinele care se rotesc după axa orizontală asupra populației de păsări.

Dezavantaje ale turbinelor care se rotesc dupa o axa verticală:

unele dintre aceste tipuri de turbine produc doar jumatate din energia pe care o produc cele cu axa orizontală, dar există soluții constructive de îmbunătățire a randamentului lor;

unele dintre aceste tipuri au cuplu de pornire mic și nu pot porni singure;

turbina verticală Darrieus și orice subtip derivat care folosește parăme pentru a fi fixată pune stres pe bază. Pentru a rezolva această problemă este nevoie de o suprastrucutură necesară eliminarii paramelor care crește costurile de instalare.

1.4 Energia apelor

Puterea apei este cea mai importantă sursă de energie care nu implică nici un fel de emisie toxică și nu produce nici un fel de reziduuri solide sau lichide. Centrala hidroelectrică se folosește de o cădere naturală sau artificială a unui râu și pe lângă avantajul lipsei de emisii presupune și o economie, spre deosebire de alte tipuri de centrale electrice bazate pe combustibili fosili, în ceea ce privește combustibilul. Apa este cea mai importantă sursă regenerabilă de energie cu o cotă de aproximativ 20% din producția de energia electrică pe plan mondial și peste 30% din producția națională (acest procent cuprinde și amenajările de capacitate mare nu doar microhidrocentralele în care se investește acum și care sunt luate în considerare la calculele privind dezvoltarea noilor capacități de surse regenerabile), energie electrică produsă cu randamente de peste 70%. Centralele hidroelectrice (CHE) au cele mai reduse costuri de exploatare și cea mai mare durată de viață în comparație cu alte tipuri de centrale electrice, iar faptul că se realizează amenajări hidroenergetice de peste un secol experiența face ca CHE să atingă nivele de performanță tehnică și economică foarte ridicate. Totuși amenajările hidroenergetice și centralele hidroelectrice necesită investiții mari, cea mai mare parte din cheltuieli o reprezintă investițiile făcute în activele corporale și necorporale sau ratele anuale de returnare a acestora, dacă investiția s-a făcut prin intermediul unui credit bancar. Cu toate acestea energia hidroelectrică are în țările dezvoltate prețul de cost cuprins între 50 – 70% din prețul energiei termoelectrice sau nuclearoelectrice.

Amenajările hidroenergetice de mare amploare nu mai sunt o soluție din cauza impactului negativ asupra ecosistemelor din care face parte resursa de apă pe care se realizează centrala hidroenergetică, de aceea se dorește valorificarea microhidropotențialului. Consiliul Mondial al Energiei estimează că, sub influența "politicilor actuale", capacitatea instalată a hidrocentralelor mici va crește la 51 GW până în anul 2020, cea mai mare creștere având loc în China. În cazul scenariului optimist al Consiliului Mondial al Energiei, capacitatea instalată va crește la aproximativ 75 GW până în anul 2020. Toate regiunile globului înregistrează creșteri semnificative în capacitatea hidrocentralelor mici, în China observându-se cea mai mare creștere.

Tabelul 1.1 Situația și estimarea dezvoltării MHC în lume[]

Potențialul hidroenergetic amenajabil din punct de vedere economic al țării noastre este valorificat în prezent doar în proporție de aproximativ 54%. Dacă s-ar utiliza doar potențialul hidroenergetic amenajabil prin centrale hidroelectrice de mică putere s-ar produce echivalentul a 80 % din energia electrică generată de către cea mai mare amenajare hidroenergetică din România, Porțile de Fier I. Un alt aspect important al instalării de noi microhidrocentrale (MHC) este impactul economic pe care l-ar avea in diferite zone ale țării, deoarece MHC distribuite pe întreaga suprafață a țării.

România nu dispune de resurse de apă însemnate, atât din punct de vedere al resurselor hidrologice cât și al potențialui hidroenergetic (o țară cu resurse energetice semnificative este Norvegia unde aproximativ 95% din producția de energie este din surse hidroenergetice). Aceasta lucru este datorat faptului că rețeaua cursurilor de apă se formează la altitudinea de 1400-1500 mdM și are debite care, la punctul de vărsare în Dunăre sau la ieșirea din țară, ajung până la cca 180 m3/s. Cum nevoile de apă pentru populație, industrie și pentru irigații, pe de o parte cresc în timp, iar pe de altă parte, România este o țară cu resurse energetice primare clasice limitate, amenajarea potențialului hidrologic și hidroenergetic este o problemă destul de delicată.

Figura 1.21 Rețeaua hidrografică a României []

1.4.1 Conversia energiei apei în energie electrică

O clasificare a hidrocentralelor, după marime, este prezentată în tabelul următor:

Tabelul 1.2 Tipuri de hidrocentrale

Deoarece investiții în România nu se mai realizează decât în MHC mai jos sunt prezentate principalele componente ale unei MHC:

• acumularea – constituie o formă de stocare a energiei potențiale disponibile;

• sistemul de transfer sau circuitul hidraulic – compus la rândul său din priza de apă (echipată cu grătar) și circuitul de transfer (canalul, conducta forțată, galeriile și evacuarea) aici o parte din energia disponibilă este convertită în energie cinetică;

• turbina hidraulică – este componenta cea mai importanta a unei CHE, aici energia apei este convertită în energie mecanică;

• generatorul – energia mecanică transmisă prin intermediul arborelui către rotor este transformată, conform legilor electromagnetice, în energie electrică;

• transformatorul – modifică parametrii energiei electrică produsă la parametrii necesari transportului prin intermendiul rețelei electrice;

• linia de legătură la rețea – MHC este conectată la rețea pentru a furniza energie electrică consumatorilor.

Puterea pe care o MHC o poate produce depinde de înălțimea căderii de apă, H, și de debitul de apă care ajunge în turbine. Căderea de apă determină energia potențială disponibilă a unei amenajări hidroenergetice. Puterea brută teoretică disponibilă poate fi apoi calculată cu umrătoarea o relație simplificată:

(1.5)

Niciodată energia când este convertită dintr-o formă în alta fără a suferi pierderi, în cazul turbinelor mici de apă conversia sre realizează cu randamente de aproximativ 80%.

Figura 1.22 Secțiunea longitudinală a unei MHC

1.2.5 Biomasa

Biomasa este energia îmagazinată sub formă chimică în toate produsele de origine animală sau vegetală, de fapt biomasa reprezintă partea biodegradabilă a oricărui tip de deșeuri, industriale, urbane, agricole și forestiere, include toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Este resursa regenerabilă cea mai abundentă de pe planetă și este prima formă de energie utilizată de om, odată cu descoperirea focului.

Biomasa poate fi împărțită în următoarele categorii:

deșeuri – deșeuri agricole rezultate în urma proceselor de producție și procesări, deșeuri provenite de la fermele de animale și de la culturile de plante, deșeuri urbane organice și deșeuri lemnoase urbane, deșeuri industriale organice etc.;

produse forestiere – lemn, orice tip reziduri rămase în urma exploatării forestiere, deșeuri lemnoase provenite din procesarea lemnului precum rumegușul;

plante acvatice – în principiu alge, ierburi de apă;

culturi energetice – culturi de plante cultivate pentru obținerea de biocombustibili (rapiță, soia, floarea-soarelui etc.).

Biomasa contribuie la aproximativ 10% din totalul de energie primară, la nivel mondial. Producția mondială de biomasă în 2014 a fost de aproximativ 16.250 TWh și este estimată la 146 miliarde de tone metrice pe an, reprezentând de regulă biomasă solidă și provine din surse locale sau regionale.provenind din plante sălbatice. Culturile de fermă și copacii pot produce până la 20 de tone metrice per acru de biomasă pe an. Unele tipuri de alge și ierburi por produce 50 de tone metrice pe an. []

România are un potențial energetic mare din acest din acest punct de vedere evaluat la aproximativ 7.600 tep/an, reprezentând circa 19% din totalul de resurselor primare de energie. Lemnul pentru foc și deșeurile agricole reprezintă aproape 80%, iar deșeurile provenind de la procesările industriale cam 6,5% din totalul biomasei.

Transformarea biomasei în energie elecrică are la bază următoarele două procese tehnologice:

termochimică;

biochimică sau biologică.

Conversia biomasei în energie electrică

Conversia biomasei în energie electrică este dată de următoarea ecuație chimică reprezentând ciclul carbonului în natură

Figura 1.23 Ciclul carbonului în natură

De regulă pentru a putea produce energie, căldură sau pentru a putea fi folosită drept combustibili pentru autovehicule biomasa trebuie să fie transformată în combusibil solid, lichid sau gazoscombusibli, există și cazuri în care pentru obținerea de energie sau caldură arderea directă este potrivită. Conversia biomasei în combustibil se realizează prin procese mecanice, termice sau biologice, acestea sunt explicitate în schema de mai jos.

Figura 1.24 Căile de conversie a biomasei []

Figura 1.18 Diagrama Van Krevlen pentru diferiți combustibili fosili

Pentru vedea diferența dintre energia conținută în combustibilii fosili și cea din biomasă se poate realiza o comparație între cu ajutorul rapoartului O:C și H:C, cunoscut și ca diagrama Van Krevlen. Cu cât sunt mai mici rapoartele, cu atât este mai mare conținutul de energie al materiei analizate.

Arderea este cea mai utilizată metodă de conversie a biomasei în energie electrică cu o eficiență de aproximativ 20 – 25%. Procesul de ardere se poate face direct sau simultan cu un alt combustibil fosil convențional (co-ardere), dar doarece biomasa în comparație cu cărbunele are conținut diferit de materii organice și anorganice, proprietăți fizice și putere calorică (mult mai mică din cauza umidității mari și a prezenței oxigenului) diferite este necesară modificarea instalației de ardere. Acest lucru este necesar mai ales din cauza conținutului de materii volatile.

Procesele de gazeificare și de piroloză sunt în esență pocese de ardere, dar în prezența unei cantități mai mici de oxigen, respectiv în lipsa oxigenului. Raportul dintre cantitatea de oxigen ce intrată în procesul de ardere și cea necesară arderii complete este denumit raport echivalent, iar cu ajutorul său se poate calcula compoziția gazului produs. Dacă raportul este mai mic decât 0,1 procesul de ardere se numește piroliză, în acest caz numai un procent mic din energia chimică a biomasei este transformat în gaz, restul apare în carbonul și biouleiul produs. Dacă raportul echivalent este cuprins între 0,2 si 0,4 procesul de ardere se numește gazificare, în acest caz are loc transferul maxim de energie chimică de la biomasă la gazul rezultat.

Fermentația este un proces biochimic prin care se produce bioetanol, C2CH3OH, din varii plante de cultură precum trestia de zahăr, sfecla de zahăr, porumb sau grâu. Fermentația cuprinde mai multe etape: zdrobirea biomasei, convertirea amidonului în zaharuri de către enzime, convertirea zaharurilor în bioetanol cu ajutorul drojdiei și ultima etapă este de separare și purificare a bioetanolului prin distilare. Reziduul rezultat în urma procesului de fermentație poate fi utilizat ulterior fie drept combustibil sau ca hrană pentru animale.

Digestia anaerobă este proces biochimic care are loc în absența oxigenului și în care o are loc o scindare a polimerilor din materia organică prin intermediul unei populații mixte de bacterii, rezultatul său fiind un gaz, așa numitul biogaz. Biogazul este compus în mare parte din metan, dioxid de carbon și din mici cantități de amoniac, hidrogen sulfurat și mercaptani.

Digestia anaerobă se produce în mai multe etape:

descompunerea biomasei care este realizată de o populație eterogenă de microorganisme și care la rândul său este compusă din hidroliza celulozei la glucide simple, hidroliza proteinelor la aminoacizi, a lipidelor la acizi grași, a amidonului și ligninei la compușii aromatici. Rezultatul acestei etape este un produs solubil în apă;

conversia glucidelor în acid acetic – reacții de fermentație care sunt realizate la un pH cuprins între 6 și 7 de către bacterii acidofile și care presupun înlăturarea atomilor de hidrogen și grupării carboxil a aminoacizilor, precum și scindarea acizilor grași cu masă moleculară mare în acizi grași cu masă moleculară mică. Deoarece acizii formați reduc pH-ul soluției este se adaugă CaO pentru corectarea sa;

formarea biogazului din acid acetic prin reacții de fermentație ce au loc într-un mediu strict anaerob și care sunt realizate de către bacterii metanogene. Biogazul reprezintă un amestec de metan și dioxid de carbon.

Etapele de mai sus pot avea loc doar dacă biomasa nu contține amoniac în concentrație mare, nu există sulfuri solide penicilină, săruri de metale, iar raportul numărului atomilor de carbon și de azot trebuie să fie sub 15. Durata digestei anaerobe este de câteva săptămâni și produsul obțiunt este un gaz de calitate medie cu un conținut energetic de aproximativ 22.000 kJ/m3N.

Prin digestia aerobă (compostare) se obține căldură din bălegar, rareori din reziduuri ale biomasei. Procesul se realizează cu bacterii sunt acidofile care produc acid lactic și care se află în bălegar, existența lor este condiționată de eliminarea reziduurilor de antibiotice.

Extracția mecanică are ca produs uleiul obținut din semințe de plante, produs folosit drept combustibil în motoarele Diesel. Pentru a fi utilizat în motoare convenționale uleiului vegetal i se reduce vâscozitatea, de regulă prin transesterificare.

CAPITOLUL 2

SISTEME HIBRIDE DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE DIN SURSE REGENERABILE ȘI METODE DE STOCARE A ENERGIEI

2.1 Generalități

Energy Information Administaration estima în 2007 că aproximativ 86,4% din energia electrică produsă la nivel modial era obținută din combustibili fosili (36% petrol, 27,4% cărbune, 23% gaze naturale) [], iar utilizarea resurselor fosile stă la baza poluării și degradarării mediului înconjurător, aceasta resimțindu-se la nivel global, cu accentuări la nivel local.

În prezent se încearcă creșterea ratei de obținerea a energiei electroce din surse care sunt inepuizabile și care nu poluează. Aceste surse de energie regenerabile prezintă marele dezavantaj de a avea un caracter variabil care implică mijloace de stocare a energiei produse pentru putea a acoperi necesarul de energie. Stocarea se face de regulă în acumulatori, aceștia sunt scumpi și nu foarte eficienți, ceea ce duce la o creștere semnificativă a costului energiei. O soluție la această problemă o constituie sistemele hibride de producere a energiei electrice. Aceste sisteme sunt utilizate cu succes la nivel modial nu numai ca alternativă pentru cobustibili fosili poluanți, dar și pentru alimentarea cu energie electrică a consumatorilor izolați.

Sistemele hibride de producere a energiei electrice sunt sisteme autonome de generare a energiei electrice care includ mai mult de o sursă de energie, care operează împreună cu echipamentul auxiliar asociat (inclusiv stocarea) pentru a furniza energie electrică la rețea sau la locul de interes. Prin această integrare a diferitelor surse de energie într-un singur sistem de alimentare, tehnologia de hibridizare oferă posibilitatea utilizării locale a surselor de energie regenerabilă pentru furnizarea energiei electrice în locuri situate departe de rețea[].

Există sisteme hibride care includ o combinație între surse de energie eoliană, solară, energia apelor și energia hidrogenului din apă. Sistemele hibride care utilizează biocombustili prezintă o tehnologie nouă implicit mai scumpă, dar au fost și ele implementate cu succes .

În continuare sunt prezentate diferite tipuri de sisteme hibride și metode de stocare a energiei utilizate pentru funcționarea optimă a acestor sisteme.

2.2 Sistem hibrid fotovoltaic – eolian

Sistemele hibride fotovoltaic-eoliene au multiple aplicații, la fel ca orice altă astfel de soluție. Pot fi utilizate pentru alimentarea cu energie a consumatorilor racordați la rețeaua electrică care doresc un cost mai mic al energiei electrice sau pentru a proteja zonele sensibile ecologic, dar și a consumatorilor izolați precum: gospodării, cabane turistice, case de vacanță, stații de meteorologie, sisteme de telecomunicații, platforme maritime, etc.

Turbina eoliană și panourile fotovoltaice pot produce energie electrică în același timp dacă resursa este disponibilă, în cazul în care vântul nu este suficient de puternic pentu ca turbina eoliană să funcționeze, panourile fotovoltaice vor asigura necesarul de energie și invers. Există posibilitatea ca nici turbina eoliană, nici panourile fotovoltaice să nu poată asigura consumul de energie atunci consumatorul poate fi alimentat de la rețeaua publică de distribuție, dacă este racordat la ea, sau dintr-un sistem de stocare. Atunci când consumul de energie este mai mic decât producția, surplusul poate fi folosit pentru a încărca baterii de acumulatori și mai apoi uilizat în golurile de sarcină.

În figura 2.1 este prezentat una dintre cele mai simple configurații ale unui sistem hibrid fotovoltaic – eolian de producere a energiei electrice.

Figura 2.1 Sistem hibrid fotovoltaic-eolian []

Un alt model de sistem hibrid fotovoltaic – eolian este cel din figura 2.2 funcționează la fel ca cel descris mai sus cu mențiunea că în perioadele în care consumul este mai mic decât ce produc panourile fotovoltaice sau turbina eoliană surplusul de energie este utilizat pentru a produce hidrogen prin electroliza apei. Hidrogenul este stocat și utilizat atunci când este nevoie pentru a produce energiei electrică.

Figura 2.2 Sistem hibird fotovoltaic-eolian cu pile de combustie

Sistem hibrid fotovoltaic – hidro

Principalele componente ale unui astfel de sistem (figura 2.3) sunt:

panoul fotovoltaic cu puterea de 400 W;

controlerul de sistem PL 60;

turbina hidro MT 400;

sistemul de acumulare: 700 Ah/12 V;

sistemul de monitorizare cu ansamblu de șunturi și senzori;

invertor pentru consumatori în curent alternativ.

Trebuie meționat faptul că pentru funcționarea sa este nevoie de o sursă de apă.

Figura 2.3 Sistem hibird fotovoltaic – hidro[]

În practică un astfel de sistem hibrid fotovoltaic – hidro (figurile 2.4 și 2.5) de dimensiuni mai este implementat în Vietnam și alimentează cu energie electrică mai multe sate.

Figura 2.4 Sistemul implementat în Vietnam (camera bateriilor, captarea, turbina Francis, panourile fotovoltaice)[19]

Caracteristicile sale sunt:

880 de module fotovoltaice cu o putere totală de 99,5 kW din care 680 sunt monocristalin , adică 75,5 kW și 200 policristalin, adică 24 kW;

un generator trifazic cu o putere de 25 kW;

turbina Francis (debitul nominal este de 0,145 (m³/s));

baterii de acumulatoare 246 V – 2800 Ah, acumulatori tubulari, ventilați, acid – plumb, în total sunt 123 de celule legate în serie, capacitatea unei ceule 2 V – 1400 Ah;

invertor 100 kVA;

transformator trifazat 415 V/240 V, conexiune zigzag-stea;

controller de sistem[].

Datele despre sistemul acesta sunt furnizate de către NEDO – New Energy & Industrial Technology Developement Organization din Japonia.

Figura 2.5 Schema sistem hibrid fotovoltaic-hidro implementat în Vietnam[19]

Sistem hibrid eolian – pile de combustie

Turbinele eoliene, atunci când viteza vântului este corespunzătoare, produc energie electrică care va fi utilizată la obținerea hidrogenului prin electroliza apei, acesta va fi stocat în hidruri metalice sau în rezervoare. Evident și în accest caz este nevoie de o sursă de apă. În funcție de nevoile consumatorului hidrogenul stocat va fi utilizat pentru producerea energiei electrice.

Electroliza apei este realizată într-un electrolizor care poate funcționa în două moduri: la un punct de operare variabil sau la un punct de operare nominal constant. Electrolizorul cu punct de operare variabil iși va începe funcționarea dacă puterea produsă de către componenta eoliană a sistemului va depăși cu 20% necesarul de putere nominală a electrolizorului la care se adună puterea necesară funcționării compresorului de hidrogen. Deși surplusul de energie produs de către turbina eoliană va fi utilizat în întregime, sistemul are un mare dezavantaj, și anume, întreruperi dese în funcționarea electrolizorului care îi vor scădea randamentul și durata de viață, dar și puritatea hidrogenului. Parte din acest aspect negativ apare cu preponderență la electrolizorul alcalin deoarece acesta funcționează mai bine la un punct de operare nominal constant și poate fi amortizat folosind electrolizor PEM (proton exchange membrane sau polymer electrolyte membrane) care deși mai scump este mai ușor de manipulat dacă puterea are nivele mai mari. Una dintre variabilele ce trebuie gestionată pentru funcționarea optimă a sistemului este puterea electrică produsă de componenta eoliană care determină funcționarea celeilalte componente. O altă variabilă este puterea ce poate fi produsă de către pila de combustie pentru a satisface cererea de energie. În vederea controlării pornirilor și opririlor electrolizorului trebuie foarte bine gestionate puterea sa nominală și nivelul hidrogenului din vasul de stocare. Electrolizorul trebuie să pornească atunci când nevoia de energie o cere, iar nivelul de hidrogen stocat trebuie să asigure funcționarea corectă și sigură a pilei de combustie, dar dacă nivelul hidrogenului este prea mic pila de combustie trebuie să fie oprită conform procedurii de oprire [].

Figura 2.6 Sistemul hibrid cu electrolizor cu punct de operare variabil
(liniile colorate reprezintă cabluri de semnal).

Varianta cu electrolizor cu punct de operare nominal constant încearcă depășirea dezavantajului sistemului anterior în care electrolizorul pornea și se oprea repetat prin asigurarea funcționării constante a electrolizorului la putere nominală pe perioade de timp mai lungi și precum și livrarea de energie la consumator în funcție de necesitățile acestuia. Pentru aceasta s-au instalat la sistemul de mai sus baterii de acumulatori pentru a stabiliza și asigura electrolizorului condițiile de putere necesare funcționării, trebuie menționat că electrolizorul pornește dacă bateriile sunt încărcate peste 95 % și se va opri când încărcarea bateriilor este prea scăzută pentru a continua funcționarea. În acest caz dacă electrolizorul este oprit surplusul de energie produs de către turbina eoliană va încărca acumulatorii. Există trei situații de funcționare ale acestui sistem:

dacă energia produsă este mai mare decât cea necesară funcționării electrolizorului, excedentul este folosit pentru încărcarea bateriilor de acumulatori, dacă aceastea sunt încărcate, excedentul este pierdut;

dacă energia produsă este mai mică decât necesarul funcționării electrolizorului, bateriile vor compensa diferența:

dacă nu există excedent de energie electrolizorul va funcționa pe bateriile de acumulatori.

Când necesarul de energie electrică a consumatorului nu este satisfăcut de către componenta eoliană, pila de combustie va trebui să asigure diferența dacă hidrogenul stocat este suficient [20].

Figura 2.7 Sistemul hibrid cu electrolizor cu punct de operare nominal constant (liniile colorate reprezintă cabluri de semnal)

Sistemele regenerabile care utilizează stocarea hidrogenului, indiferent de modul în care acesta este obținut (electroliza apei prin utilizarea de aplicații ale turbinelor eoliene și panourilor fotovoltaice, gazeificarea biomasei), se numesc pile de combustie regenerative (RFC – Regenerative Fuell Cell). Așa cum se poate observa din figura 2.8 RFC este compusă dintr-un electrolizor, pila de combustie, sistemul de stocare al hidrogenului și sistemul de conversie a puterii, aici au loc transformările electrochimice pentru a stoca energia în formă de hidrogen și livrearea ei sub formă de energie electrică la consumator sau la rețea atunci când este necesar.

Figura 2.8 Topologia unei pile de combustie regenerative (PEMFC – Polymer

Electrolyte Membrane Fuel Cell, AFC – Alkaline Fuel Cell, MCFC – Molten Carbonate Fuel Cell, SOFC – Solid Oxide Fuel Cell) []

În figura următoare este prezentată o schemă mai detaliată a unui sistem hibrid eolian – pile de combustie.

Figura 2.9 Sistem hibrid eolian – pile de combustie []

Sistem hibrid eolian – hidro

Sistemele hibride eolian – hidro propun utilizarea energiei electrice produse de turbinele eoliene sub formă de energie potențială a apei într-o centrală hidroelectrică cu acumulare prin pompare. Acest tip de centrală hidroelectrică nu necesită existența unei surse de apă curgătoare sau stătătoare în apropierea locului unde se dorește instalarea, ci poate avea ca sursă apa de ploaie sau apele freatice. Conform W. Leonhard și M. Grobe de la Universitatea Braunschweig din Germania acest tip de sistem pare a fi unica soluție pentru integrarea în sistemul energetic european a unei mari cantități de energie eoliană, sistemul de stocare în centrală hidroelectrică cu acumulare prin pompare fiind singurul capabil de stocare a energiei electrice de mare capacitate.

Centralele hidroelectrice cu acumulare prin pompare utilizează surplusul de energie electrică pentru a pompa apă dintr-un rezervor inferior într-unul superior, între cele două rezervoare existând o diferență de nivel. Apa din bazinul de acumulare superior este turbionată și produce energie electrică în perioadele în care componenta eoliană a sistemului nu acoperă curba de consum.

Există două tipuri de amenajări hidroelectrice cu acumulare prin pompare:

în circuit deschis (figura 2.10 a) ) – în acest caz toată cantitatea de apă turbionată este obținută prin pompare. Stația de pompare 1 pompează apa din primul rezervor în al doilea rezervor situat la înălțimea hp. Din rezervorul superior apa este adusă prin conducta forțată la turbine care se află în casa centralei și sunt amplasate mai jos, această distanță este denumită înălțime de turbionare, ht.

Dacă considerăm t – randamentul total de funcționare al CHE și p – randamentul de pompare energiile sunt date de următoarele ecuații:

(2.1)

(2.2)

Amenajarea trebuie să îndeplinească condiția ET/EP>1, atunci:

(2.3)

în circuit închis (figura 2.10 b) ) – pentru acest tip de amenajare conducta forțată este folosită pentru turbionare, dar și pentru pompare, deci spre deosebire de amenajările în circuit deschis turbionarea și pomparea nu pot avea loc simultan, În schimb este redus numărul de mașini energetice. În cazul anterior trebuiau instalate următoarele: motor, pompă, turbină și generator, la acest tip de amenajare pot fi folosite doar trei sau chiar două mașini energetice, deoarece turbina hidraulică poate funcționa în regim de pompă prin modificarea unghiului paletelor directoare, iar generatorul sincron poate funcționa în regim de motor sincron.

Înălțimea de turbionare este aproximativ egală cu cea de pompare, așa că randamentul global va fi limitat la:

. (2.4)

În practică acest tip de sistem hibrid este destul de răspândit, existând astfel de amenajări în Spania, în insulele Canare, în Canada, Australia, Danemarca și Franța.

b)

Figura 2.10 Centrală hidroelectrică cu acumulare prin pompare
a) în circuit deschis b) în circuit închis

În figura următoare este prezentată schema unui sistem hibird eolian-hidro utilizat în Grecia, în insula Ikaria care produce aproximativ 23 GWh/an[]. Componentele acestuia sunt:

turbină eoliană;

trei turbine Pelton;

stație de pompare a apei.

Figura 2.11 – Sistem hibrid eolian – hidro implementat în Grecia

Sistem hibrid fotovoltaic – biogaz

Sistemul hibrid fotovoltaic – biogaz ce urmează a fi descris în rândurile următoare este implementat încă din 2004 în Asia. În octombrie 2004 sistemul a produs din biogaz 3800 kWh, iar din energie solară 900 kWh.

Componentele sale sunt:

panouri fotovoltaice cu o capacitate de 35 kWp;

rezervorul de fermentare;

două motoare de 35 kW care antrenează un generator.

Biogazul în acest caz este obținut prin fermentarea deșeurilor animale provenite de la o fermă de vite.[19]

Figura 2.12 – Sistem hibrid fotovoltaic-biogaz

Figura 2.13 Imagini ale sistemului implementat în Asia (rezervoarele de fermentare, panourile fotovoltaice, sistemul de supraveghere și control, colectarea biomasei (dejecții de animale))

Metode de stocare a energiei

Caracterul intermitent al resurselor regenerabile face necesară introducerea în sistemele hibride a unor medii de stocare a energiei. Unele dintre aceste metode au fost descrise în subcapitolele anterioare, altele urmează a fi analizate în cele ce urmează.

Energia electrică se stochează sub altă formă de energie în:

aer comprimat;

câmp magnetic în înductori;

câmp electric în capacitori;

energie cinetică în volante;

energie electrochimică în acumulatori și în acumulatori cu flux de electrolit;

energie chimică în pile de combustie;

energie potențială a apei din acumulări.

Metode de stocare a energiei cu aer comprimat

Figura 2.14 Schema de principiu a metodei de stocare cu aer comprimat

Metoda de stocare cu aer comprimat are la baza tehnologii utilizate în cazul turbinelor cu gaz convențional, dar pot fi utilizate și în cazul turbinelor cu biogaz. Sistemul folosește energia stocată sub formă de aer comprimat într-o cavernă subterană. Atunci când rețeaua/consumatorul are nevoie de energie electrică aerul comprimat este extras din locul unde este stocat, este încălzit și apoi destins în turbinele de înaltă și joasă presiune și apoi transformat în energie electrică, schema de principiu este cea din figura 2.14.

Sistemul nu este foarte utilizat, la ora actuală existând doar două astfel de sisteme, unul în Germania, altul în SUA[], dar se realizează noi cercetări asupra sistemului și s-au dezvoltat subsisteme mai eficiente precum metoda de stocare adiabatică avansată cu aer comprimat, care presupune introducerea în spațiul de stocare a aerului comprimat adiabatic. La ora actuală tot în SUA este implementat un astfel de sistem de 2.700 MW.

Durata de viață a unui astfel de sistem este estimată la 40 de ani, iar eficiența este de 71%[], un dezavantaj îl constituie faptul ca sistemul este destul de scump, schimbătoarele de căldură având un cost destul de ridicat.

Metoda de stocare prin superconductivitate magnetică

Această tehnologie este relativ nouă și se bazează pe energia stocată sub forma unui câmp magnetic creat de un curent continuu care trece printr-o bobină superconductoare, ale cărei caracteristici sunt extrem de importante, la temperaturi foarte scăzute, de criogenizare. Energia stocată reprezintă produsul autoinducției bobinei și pătratul curentului care străbate bobina.[] Curentul maxim care poate trece prin bobina superconductoare depinde de temperatură, relația este invers proporțională, curent mare temperatură scăzută. Cu această metodă pot fi stocate cantități mai mari de energie decât cu acumulatori convenționali și cu volante.[]

Bobinele superconductoare pot fi clasificate după temperaturile de funcționare astfel:

bobine de înaltă temperatură, funcționează la 70 K;

bobine de joasă temperatură, funcționează la 5 K.

Sistemul de răcire este considerat un element fundamental al întregului ansamblu deoarece este extrem de importantă obținerea unei bobine superconductoare în stare criogenă.[] Pentru a obține acest lucru sunt utilizate două sisteme de răcire criogene, primul răcește bobina superconductoare cu ajutorul heliului lichid sau prin baie de hidorgen, iar al doilea răcește carcasa bobinei în afara băii.[] Energia necesară funcționării sistemului nu este foarte mare, energia stocată este foarte mare, eficiența ajungând la 90%[26], iar un alt avantaj îl constituie durata mare de viață și capacitatea de a absorbi sau de a injecta cantități mari de energie. Evident costurile sunt foarte mari, de aceea nici nu este foarte utilizată această metodă.

Metoda de stocare a energiei în supercapacitori

Figura 2.15 Schema de principiu a metodei de stocare în super capacitori

Supercapacitorii mai sunt denumiți și ultracapacitori sau capacitori în stat dublu și funcționează pe bază de celule electrochimice care au în componență doi electrozi conductori, un electrolit și o membrană poroasă prin care ionii pot circula între cei doi electrozi.[] La nivelul celulelor electrochimice nu au loc reacții redox deoarece tensiune de funcționare este mică[] în vederea stocării electrostatice a sarcinii pe suprafața dintre electrolit și cei doi electrozi.[]

Există două tipuri de supercapacitori în funcție de tipul constructiv al electrozilor, simetrici sau asimetrici, cei simetrici au ambii electrozi realizați din același material. Există clasificări și după materialul din care sunt făcuți electrozii, metal oxid, polimer conductor și carbon activ. Cei mai des întâlniți sunt cei din carbon active, atât datorită caracteristicilor tehnice, cât și a costurilor scăzute. La rândul său electrolitul poate fi realizat din mai multe tipuri de material, dar poate fi clasificat în două clase apos și organic.[32]

Diferența dintre capacitori și supercapacitori o reprezintă utilizarea de către supercapacitori de electrozi poroși ce au suprafețe mari și care asigură densități mari de energie. Energia stocată este direct proporțională cu capacitatea lor și pătratul diferenței de tensiune dintre terminalele celulei electrochimice, de asemenea este invers proporțională cu distanța dintre electrozi.[]

În vederea obținerii tensiunii și capacității necesare celulele sunt conectate în serie și în paralel, schema de principiu se poate vedea în figura 2.15. Caracteristicile sitemului sunt date de durata mare de viață, răspunsul rapid la nevoia de energie și un randament de 75 – 80%[], dar au o densitate de energie mică[] și costuri ridicate, de până la cinci ori mai ridicate decât ale acumulatorilor convenționali.[]

2.7.4 Metoda de stocare a energiei în volantă

Figura 2.16 Schema de principiu a metodei de stocare a energiei în volantă

Stocarea energiei în volante este o metodă care stochează energia sub formă de energie cinetică. O piesă se rotește pe doi rulmenți pentru a reduce frecarea la viteze mari, sistemul este cuplat la o motor electric, iar întreaga structură este amplasată în vacuum pentru a reduce frecarea cu aerul.[] Schema de funcționare este prezentată în figura 2.16. []

Energia este înmagazinată în volantă atunci când sistemul fucționează ca un motor, adică volanta accelerează, sistemul livrează energie atunci când volanta este încetinită prin intermediul transmisiei, energia este funcție de pătratul vitezei de rotație și inerția volantei.

Constructiv există două tipuri importante de sisteme utilizate pentru stocarea energiei sub această formă, și anume:

cu flux axial,

cu flux radial,

ambele sunt echipamente cu magneți permanenți. Există și variante care au ca principiu reluctanța sincronă sau inducția.

Volantele pot fi clasificate ca mașini rotative de viteze mici sau mari, cele de viteze mici au rotații de ordinul miilor pe minut, acestea de regulă au structura rotorului confecționată din oțel, cele de viteze mari funcționează la viteze de rotații de ordinul zecilor de mii pe minut și au rotorul confecționat din materiale compozite precum fibra de carbon sau grafitul.[]

Densitatea de energie depinde de un factor constructiv care are în vedere inerția și tangențiala puterii permise a compontentei rotaționale, tangențiala puterii depinde de materialul din care este fabricat discul rotativ. Energia maximă specifică este dată de raportul dintre densitatea de energie și densitatea materialului discului rotativ, deci randamentul sistemului depinde foarte mult de materialul din care este confecționat. [] Acesta trebuie să fie nu doar ușor, ci și foarte rezistent. Deși puterea nominală este limitată de sistemul de control și îndeplinirea a condițiilor de putere (C-PCS – automatizarea sistemului), randamentul acestei metode este de aproximativ 90% (la puterea nominală). Acestă metodă are ca avantaje nu doar randamentul, dar și durata lungă de viață, intervalul temperaturilor de funcționare mare, putere și densitate de energie mari și nu este foarte influențată de efectele descărcării profunde.[] Dezavantajul sistemului este că pierderile de energie când se află în stand-by sunt foarte mari, rata de autodescărcare este de 20% din capacitatea de stocare pe oră [], de aceea metoda nu este folosită pentru stocarea energiei pe perioade lungi de timp.

Figura 2.17 Schema unui sistem hibrid eolian-generator diesel cu stocare în volanți

2.7.5 Metoda de stocare electrochimică în acumulatori și în acumulatori cu flux de electrolit

Bateriile de acumulatori sunt cea mai utilizată metodă de stocare a energiei, aceasta este depozitată sub formă de energie electrochimică în mai multe celule conectate în serie sau paralel sau o combinație între cele două. Tipul de conexiune (serie/paralel) se realizează astfe încât să se obțină nivelul de tensiune dorit. Fiecare celulă/acumulator este realizată din doi electrozi conductori și un electrolit, amplasate toate într-un recipient sigilat care este conectat fie la o sarcină, fie la o sursă de energie. Electrolitul este cel care realizează schimbul de sarcini între electrozi, iar electrozii asigură circuitul cu exteriorul. Bateriile de acumulatori sunt bazate pe module de putere cu nivele de tensiune scăzută, schema de funcționare este cea prezentată în figura 2.18.[]

Figura 2.18 Principiul de funcționare al acumulatorilor

Acumulatori Acid – Plumb

Acest tip de acumulatori este fabricat din celule stiviuite și scufundate într-o soluție diluate de acid sulfuric (H2SO4), acestă soluție reprezintă electrolitul, electrodul cu sarcină pozitivă este din fabricat din oxid de plumb (PbO2), iar electrodul cu sarcină negativă este fabricat din plumb (Pb). În timpul procesului de descărcare ambii electrozi reacționează cu soluția de H2SO4 și devin sulfat de plumb (PbSO4), pe parcursul ciclului de încărcare electrozii revin la starea inițială.

Reacțiile RedOx care au loc în interiorul acumulatorului în timpul proceselor de încărcare – descărcare deterioreză electrozii. Durata de viață a acumulatorilor este de 1.200 – 1.800 de cicluri, în funcție de pragul minim de descărcăre (DOD – depth of discharge), iar randamentul lor este cuprins între 75 și 80%.

Reacțiile care au loc la electrozi sunt:

anod (-): Pb(s) + SO4-2 → PbSO4 + 2e-

catod (+): PbO2(s) + 4H+ + SO4-2 + 2e- → PbSO4 + 2H2O

reacția globală: Pb + PbO2(s) + 2H2SO4 → 2PbSO4 + 2H2O.

Constructiv există două tipuri de acumulatori Acid – Plumb:

acumulatori cu fluid – care este și cea mai utilizată tehnologie;

acumulatori cu valve. []

În cazul particular al utilizării acestor tipuri de acumulatori pentru stocarea energiei produse cu turbine eoliene, durata de viață a sistemului este cuprinsă între 5 și 15 ani[] și depinde foarte mult de temperatura la care funcționează, temperaturile ridicate, de până la 45șC, pot îmbunătăți capacitatea sistemului, dar îi vor reduce durata de viață,[42] de asmenea la temperaturile minime și maxime ale mediului ambient la care funcționează acumulatorii au performanțe reduse. Rata lor zilnică de autodescărcare este foarte mică, sub 0,1%[45], de aceea se pretează pentru sisteme unde este necesară stocarea energiei pe perioade lungi de timp. Din pacate durata scurtă de viață nu este singurul dezavantaj, au nevoie de mentenanță periodică, mai ales cele cu fluid, și au energia specifică și puterea redusă de 30 Wh/kg, respectiv de 180 W/kg.

Acumulatori Nichel – Cadmiu

Structura unui acumulator Nichel – Cadmiu este prezentată în figura 2.20.[] Principalele componente așa cum putem deduce din denumirea lor o reprezintă electrozii cu sarcină pozitivă și negativă confecționați din nichel și cadmiu, iar electrolitul îl constituie o soluție apoasă alcalină.

În timpul ciclului de decărcare al acumulatorului materialul activ al electrodului pozitiv este hidroxidul de nichel, Ni(OH)2, iar hidroxidul de cadmiu, Cd(OH)2, este materialul activ al electrodului negativ.

În timpul ciclului de încărcare oxi-hidroxidul de nichel NiOOH este materialul activ al electrodului pozitiv și cadmiul este materialul activ al electrodului negativ. Soluția alcalină folosită ca electrolit este hidroxid de potasiu, KOH.

Reacțiile care au loc la electrozi sunt:

anod (-): Cd + 2OH- → Cd(OH)2 + 2e-

catod (+): NiO2 + 2H2O + 2e- → Ni(OH)2 + 2OH

reacția globală: Cd +NiO2 + 2H2O → Cd(OH)2 + Ni(OH)2.

Ciclul de descărcare este foarte rapid datorită rezistenței interne reduse, acumulatorii Ni – Cd pot livra consumatorului puterea lor nominală în aproximativ două ore.[] Durata lor de viață este de aproximativ 3.500 de cicluri, ca și pentru celelalte tipuri de acumulatori și în acest caz, durata de viață depinde de DOD, dacă DOD este de 10% acumulatorul poate funcționa și 50.000 de cicluiri. Un alt aspect important acest tip de acumulatori necesită mentenanță redusă.[]

Deși prezintă caracteristici tehnice bune acumulatorii Ni – Cd au două dezavantaje majore, sunt foarte scumpi, aproape de zece ori mai scumpi în comparație cu acumulatorii Acid – Pb[] și materialele din care sunt realizați sunt toxice și reprezintă un periocol pentru sănătatea oamenilor, Comisia Europeană a adoptat în 2003 o directivă prin care se propune atingerea unui procent de 75% privind reciclarea lor.

Acumulatori Litiu – ion

Acumulatorii Li – ion sunt cel mai utilizat tip, cu preponderență pentru echipamente electronice mici, producția globală anuală este de aproximiativ două miliarde de celule.[]

Funcționarea acumulatorilor Li – ion are ca principiu reacțiile electrochimice dintre ionii pozitivi de litiu, Li+, și materialele active din care sunt realizați anodul și carodul. Celulele lor sunt realizate din placi și umplute cu un lichid electrolitic, electrozii sunt delimitați de un separator poros din polietilenă, PE, sau polipropilenă, PP, care permite trecerea ionilor de litiu. Materialul din care este fabricat catodul este de fapt un metal oxid de litiu, precum oxid de litiu cobalt, LiCoO2, iar anodul este fabricat din grafit, C. Electrolitul este un lichid care, spre deosebire de lichidul de la alte tipuri acumulatori, nu este apos și este realizat din carbonat de etilenă (EC), dimetil carbonat, DMC sau din carbonat de propilenă, PC și conține săruri dizolvate de litiu precum perclorat de litiu, LiClO4.

Reacțiile care au loc la electrozi sunt:

anod (-): C + xLi+ + xe- ↔ CLix

catod (+): LiCoO2 ↔ Li1-x CoO2 + xLi+ + xe-

reacția globală: LiCoO2 + C ↔ Li1-xCoO2 + CLix.

În timpul ciclului de încărcare Li+ migrează de la electrodul pozitiv realizat din LiCoO2 către electrodul negativ realizat din grafit, ciclul de descărcare este porcesul invers.

Avantajele acumulatorilor Li – ion il constituie densitatea mare de energie și energia specifică, 170 – 300 Wh/l și 75 – 125 Wh/kg,[] dar și capacitatea de a se încărca descărca rapid,[] s-au înregistrat și timpi de încărcare a 90% din puterea nominală a acumulatorilor de 20 ms. Durata lor de viață este de aproximativ 3.500 de cicluri, iar eficiența este de aproximativ 78%.[]

Acesti acumulatori pot fi folosiți acolo unde factorii importați sunt timpul de răspuns și greutatea lor. Din păcate se auto-descarcă între 1 și 5% în 24 de ore și nu pot fi utilizați dacă există riscul de a se descărca complet, mai mult sunt destul de fragili și condițiile de temperatură și tensiune necesare funcționării optime sunt destul de greu de atins.

Acumulatori Sodiu – Sulf

Reprezintă o tehnologie mai nouă în comparație cu cele prezentate până acum și reprezintă una dintre opțiunile pentru stocarea energiei în aplicațiile de putre mare.

Anodul acestor acumulatori este confecționat din sodiu, Na, iar catodul din sulf, S, iar electrolitul îndeplinește și rolul de separator și este confecționat din beta-Al2O3 ceramic.[] În timpul prcesului de decărcare materialul metalic din care este realizat anodul este oxidat și devine Na+, iar catodul devine S2-, electrolitul permite transferul ionilor de sodiu la catod unde se reacționează cu anionii de sulf și produc o sulfură de sodiu NaSx. În timpul ciclului de încărcare are loc reacția inversă, sulfura de sodiu este descompusă în sulf și natriu.

Reacția globală este:

2Na + 5S →Na2S5.

Constructiv acest tip de acumulatori sunt realizați tubular (figura 2.22)[] și pot funcționa fără a li se reduce performanțele la temperaturi de 350șC[], eficiența lor este de aproximativ 85%, au o durată mare de viață, densitatea de energie este de 151 kWh/m3[], mai mult decât atât aproximativ 99% dintr-un asemenea acumulator se poate recicla.

Metode de stocare a energiei în acumulatori cu flux de electrolit

2.7.6.1 Acumulatori Vanadiu redox

Acumulatorii VRB stochează energia în două rezervoare care conțin soluții de acid sulfuric. Într-unul din rezervoare V2+,V3+ sunt utilizați ca electroliți, în celălalt rezervor electroliți sunt V4+,V5+. Atunci când are loc o reacție electrochimică electrozii de carbon permit realizarea unui flux prin sarcină, în timp ce echilibrul este menținut prin migrarea ionilor de hidrogen prin membrana care separă cei doi electroliți. Deoarece compușii rezultați în urma reacțiilor rămân dizolvați în electrolit prin procesul invers revin la starea inițială și nu există riscul contaminării electroliților deoarece conțin aceeași ioni de metal.

Deci, acest tip de acumulator are la bază faptul că vandiul poate exista în patru stări de oxidare, doarecce V4+ și V5+ sunt oxizi de vanadiu VO2+, respectiv VO2+, astfel reacțiile eletrochimice care au loc sunt următoarele:

VO2+ + 2H + + e − ↔ VO2+ + H2O

V2+ ↔ V3+ + e –

V2+ + VO2+ + 2H + ↔ VO2+ + V3+ + H2O.

Durata de viață a unui astel de acumulator este de 15 – 20 de ani[] și poate rezista la mai mult de 1.000 de cicluri de încărcare descărcare la 100% DOD.[] Un avantaj îl constituie faptul ca nu necesită mentenață, dar se recomandă schimbarea membranei separatoare la fiecare 5 ani[]. Performanța acumulatorului este de 78%[] și poate stoca energie pe termen lung la un cost redus.

Dezvantajele sale sunt energia specifică și densitatea de energie reduse, 25–35 Wh/kg respectiv 20–33 Wh/l.

Figura 2.23 Structura unui VRB[]

2.7.6.2 Acumulator zinc-brom (ZBB)

Figura 2.23 Structura unui ZBB[]

În acest caz două soluții apoase de zinc, Zn și brom, Br, sunt depozitate în rezervoare separate, iar între ele, ca și în cazul anterior au loc reacții electrochimice reversibile. În timpul ciclului de descărcare ionii neagativi de Br- sunt convetiți în Br3- în electrodul pozitiv și care reacționează cu celelalte materii organice și se transformă în uleiuri de borm, acesta sunt grele și se depun pe fundul rezervorului. În același timp în electrodul negativ, ionii pozitivi de zinc, Zn2+ sunt convertiți în zinc metal. Ecuațiile inverse procesului descris au loc în timpul ciclului de încărcare. Electrozii celulelor sunt realizați din compozit de plastic – carbon și sunt separați
printr-o membrană micro-poroasă de poliolefină.[]

Acumulatorul ZBB poate fi utilizat pentru aplicații mari, există pe piață acumulatori de 1 MWh, 3 MWh ce au capacitatea de a asigura putrea lor nominală în 2 – 10 ore.[] Un alt avantaj al acestui tip de acumulator este faptul că poate stoca cantități mari de energie pe perioade lungi de timp, rata sa de auto-descărcare este aproape nulă, iar energia specifică este 75 – 85 Wh/kg. Eficiența lor este de 75 – 85% și rezită până la 2.000 de cicluri la 100% DOD fără a suferi daune.[]

Mai trebuie amintit și faptul că acest tip de acumulatori sunt confecționați din materiale reciclabile, acest lucru ducând și la scăderea costurilor de producție.

2.7.6.3 Acumulator polisulfură – brom (PSB)

Acești acumulatori au ca principiu reacțiile electrochimice dintre doi electroliți realizați din soluții saline, bromura de sodiu, NaBr, și polisulfură de sodiu, Na2Sx. Electroliții sunt separate de membrane de polimer care permite doar trecerea ionilor pozitivi de sodiu. În timpul procesului de încărcare ionii de brom, Br- sunt transformați în Br3- în electrodul pozitiv. În electrodul negativ particulele dizolvate de ioni de sulf, S42- din electrolitul de polisulfură sunt reduși la ioni de sulfură, S22-. Procesul de descărcare presupune reacșiile incerse. Puterea nominală și capacitatea de energiea a acestor sisteme poate fi de 15 MW și 120MWh și au un ciclu cu o durată de până la 10 h.[]

Randamentul sistemului este de 75%, rata de autodescărcare este aproape nulă, iar durata de viață este de până la 15 ani, deci se pretează stocării energiei pe termen lung. Costurile sunt rezonabile deoarece materialele se găsesc cu ușurință în natură, problema constă în toxicitatea gazului de Br, un defect al rezervorului de brom ar duce la eliberarea acestuia în mediul înconjurător.[]

Figura 2.24 Structura unui PSB[]

CAPITOLUL 3

ASPECTE SPECIFICE AMPLASAMENTELOR DE RADIOCOMUNICAȚII.

ALEGEREA ȘI DIMENSIONAREA SISTEMULUI HIBRID DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ

Aspecte specifice unui amplasament de radiocomunicații

Figura 3.1 Shelter-ul în care se afla parte din echipamentele de radiocomunicații dintr-un amplasament de radiocomunicații []

Comunicațiile reprezintă cea mai importantă caracteristică a epocii în care trăim, comunicația reprezintă informație, viteza cu care obții informația poate face diferența între o afacere de succes sau o afacere lipsită de profit, între a câștiga sau a pierde resurse, și deși poate fi greu de crezut informația în zilele noastre poate face diferența între viață și moarte. Comunicațiile înseamnă de asemenea gestionarea corectă a resurselor, indiferent de natura acestora, a produselor și serviciilor oferite de către operatorii economici, astfel accesul la informație și rapiditatea cu care aceasta este accesată este definitorie pentru funcționarea tuturor domeniilor de activitate din întreaga lume.

Telecomunicațiile se pot realiza prin intermediul mai multor tehnologii care utilizează canale diferite de transmitere a informațiilor, fie sub formă de semnale electrice prin cablurile de semnal, fie prin câmpuri electromagnetice, din aceste considerente telecomunicațiile sunt împărțite în două categorii prin fir și fără fir, wireless.

Un sistem de telecomunicații este compus din trei entități și anume:

un transmițător – cel care trimite informația, dar pentru a o putea transmite o transformă într-un semnal;

un mediu de transmisie prin intermediul căruia informația ajunge la cea de-a treia entitate;

un receptor – cel care primește semnalul de la transmițător și transformă informația înpoi în mesajul transmis.

În figura 3.2 este prezentat un pilon de radiocomunicații [] unde transmițătorul îl constituie amplificatorul, antenele amplasate pe pilon reprezintă interfața dintre mediul de transmisie, câmpul electromagnetic al Pământului, și amplificator. Antena receptorului constituie interfața dintre mediul de transmisie și receptor. Informația transmisă sub formă de semnal radio este transformată în sunet din electricitate de către un radio receiver.

O rețea de comunicații este alcătuită din mai multe celule, adică din mai mulți transmițători și receptori care fac schimb mesaje de la unii la alții prin canale de comunicare. În cazul rețelelor digitale pentru a transmite informația la receptorul corect sunt folosite routere, pentru rețele analogice sunt utilizate în plus swich-uri pentru a realiza conexiunea înte mai mulți utiliatori. Pentru a nu pierde semnalul, pentru a-l amplifica sau recrea atunci când este transmis pe distanțe lungi sunt utilizați repetori.[]

Un amplasament de radiocomunicații reprezintă o locație unde sunt instalate antene (antenele sunt echipamente electrice care convertesc semnalul electric în unde radio și invers) și echipamente de comuncații, mai multe receptoare, transmițătoare, procesoare de semnal digital, receivere GPS, electronice de control, dar și surse primare și secundare de energie electrică, precum și o construcție care să adăpostească parte din cele enumerate, toate acestea creează o celulă a rețelei de comunicații. Antenele și anumite echipamente de comunicații trebuie să fie situate la înălțime pentru a evita interferențele și pierderile de semnal cauzate de mediul înconjurător (vegetație înaltă sau clădiri), de aceea acestea sunt amplasate fie pe clădiri foarte înalte fie pe piloni anume construiți.

Amenjarea site-urilor de radiocomunicații depinde de raza de funcționare a unei celule, adică de raza în care un echipament mobil se conectează vabil la celula respectivă, aceasta nu este o distanță anume, ci depinde de mai mulți factori:

înălțimea terenului înconjurător;

reflecția și absorbția undei radio de către clădirile și/sau vegetația din zonă;

factori geografici locali;

factori meteorologici locali;

înălțimea cu care antena depășește înălțimea terenului înconjurător ;

caracteristicile direcționale ale rețelei de antene;

frecvența utilizată de către operator;

limitările cauzate de tehnologia utilizată (semnalul GSM este limitat la 35 km, poate fi extins la 70 de km cu echipamente suplimentare);

puterea transmițătorului;

viteza cu care dispozitivul abonatului se conectează/deconectează la celula respectivă;

numărul utilizatorilor;

reglementările în vigoare.[]

În practică celulele de radiocomunicații sunt amplasate pentru a asigura o suprapunere a suprefeței de acoperire suficientă astfel încât semnalul unui echipament mobil să poată fi transferat cu ușurință de la o celulă la altă, de exemplu în cazul în care un utilizator realizează un apel telefonic în timp ce se află într-o mașină aflată în mers. Suprafața de acoperire comună mai multor celule nu trebuie să fie foarte mare deoarece pot apărea interferențe.

Figura 3.3 Schema unei rețele de telecomunicații

În figura 3.3 este prezentat un exemplu foarte simplificat de cum pot fi interconectate nodurile unei rețele de telecomuncații sub forma unei scheme arbore, în realitate o rețea de telecomunicații prezintă multe bucle.[]

Celulele de telecomunicații sunt grupate în zonele cu densitate urbană ridicată, acolo unde există foarte mulți utilizatori. Numărul ridicat de amplasamente în zonele urbane este explicat de faptul că stația de bază (echipament care face posibilă comunicarea între rețea și utilizator) are o capacitate limitată de apeluri sau trafic de date pe care le poate gestiona la un anumit moment.[] Această limitare este un alt factor important în amplasarea celulelor de radiocomunicații, în zonele suburbane distanța dintre ele poate fi de 2 – 3 km, dar în zonele cu o populație ridicată distanța poate scădea la 0,8 – 0,8 km. Distanțele maxime dintre celule așa cum am precizat anterior depind foarte mult de tehnologia utilizată de către operator și de natura reliefului. Există și tehnologii care nu impun o astfel de limită, precum iDEN (Integrated Digital Enhanced Network) dezvolată de către Motorola[], în acest caz factorul limitator îl constituie receptorul care nu are capacitatea de a realiza transferul de informații cu celula. Limitările date de tipul terenului pot varia foarte mult, dacă relieful este deluros distanța dintre celule variază între 5 – 8 km, dacă zona este una de câmpie distanța dintre celule poate fi cuprinsă între 50 – 70 km.[73]

Figura 3.4 Conexiunile unei rețele de telecomunicații []

3.2 Aspecte specifice amplasamentului studiat

Obiectivul principal al acestui studiu este de a analiza posibilitatea și oportunitatea alimentării unui amplasament de radiocomunicații dintr-un sistem hibrid, compus dintr-o turbină eoliană cu ax vertical și din panouri fotovoltaice, sistem capabil să furnizeze o cantitate de energie suficientă pentru alimentarea fără întrerupere a echipamentelor instalate în locația respectivă. Trebuie subliniat faptul că funcționarea echipamentelor trebuie să se facă fără întrerupere, este exclusă întreruperea în funcționare pe perioade lungi de timp cauzată de lipsa resursei regenerabile de energie, de aceea s-a prevăzut o metodă de stocare a energiei electrice și anume baterii de accumulatori. De regulă, bateriile de acumulatoare sunt dimensionate astfel încât să poată asigura o rezervă la rețea de una până la opt ore[], în cazul de față dimensionarea lor s-a realizat în funcție de disponbilitatea resursei regenerabile.

La elaborarea prezentei lucrări s-a avut în vedere alimentarea unei celule de radiocomunicații situate într-o zonă montană izolată, greu accesibilă, la o altitudine de aproximativ 1.830 m, unde costurile cu racordarea la rețea națională de distribuție a energiei electrice sunt foarte mari.

Sistemul hibrid eolian-solar analizat cuprinde următoarele componente principale:

turbina eoliană;

controller eolian;

panouri fotovoltaice;

controller/charger solar;

baterii de acumulatori;

invertor.

În vederea dimensionării corecte a sistemului hibrid este necesară detalierea consumatorilor dintr-un amplasament de radiocomunicații, respectiv a consumului estimat al acestora. În tabelul următor sunt prezentați acești consumatori:

Tabelul 3.1 Consumatorii dintr-un amplasament de telecomunicații

Echipamentele de telecomunicații funcționează în curent continuu de aceea alimentarea lor se face dintr-o stație de energie care transformă prin intermediul redresoarelor curentul alternativ în curent continuu, de asemenea, prin intermediul stației de energie se realizează alimentarea de rezervă din bateriile de acumulatoare, precum și monitorizarea amplasamentului.

În figura 3.5 este prezentată un exemplu de stație de energie, acest caz are doi redresori și produsă de către un operator economic din România.

Echipamentele care sunt alimentate din stația de energie sunt: radiorelee, stație de bază, ATM (Asynchronous Transfer Mode) și ventilatoarele din shelter-ul de telecomunicații.

Consumul lunar estimat de energie electrică este kWh/lună, consumul anual estimat al unui amplasament de telecomunicații este kWh/an.

Puterea instantanee absorbită de echipamente este:

kW (3.1)

În tabelul 3.2 este detaliat consumul lunar real, în kWh, pe o perioadă de cinci ani a unui amplasament de radiocomunicații similar celui pentru care s-a realizat prezentul studiu.

În vederea stabilirii oportunității alimentării din surse regenerabile a unei celule de radiocomunicații în zona menționată anterior s-au analizat pe o perioada de cinci ani viteza vîntului și alte date meteorologice relevante, precum și direcția din care bate vântul, datele sunt disponibile online pentru o perioadă mai lungă de timp.[]

În figura 3.7 se pot observa direcțiile din care bate vântul pe o perioadă de șase luni din luna iulie până în luna decembrie, acest lucru este important pentru alegerea tipului de turbină eoliană.

kWh –

Tabelul 3.2 Consumul real al pentru un amplasament similar celui studiat

Figura 3.6 Variația consumului real în comparație cu consumul estimat

Figura 3.7 Direcția vântului

3.3 Studiu comparativ asupra tipurilor de turbine eoliene. Alegerea turbinei pentru studiul de caz

Orice investitor în turbine eoliene, indiferent de particularitățile consumului, dorește instalarea celei mai eficiente și mai bune turbine eoliene pentru propriul uz. Deși numărul utilizatorilor de astfel de surse de energie este din ce în ce mai mare nu există foarte multe studii comparative privind eficiența turbinelor de capacitate mică și modul lor de comportare în teren. Ținând cont de caracteristicile consumatorului pentru a alege cea mai eficientă și fiabilă turbină eoliană am realizat o comparație între tipurile de turbine din punct de vedere al randamentului. Am avut în vedere și faptul că se dorește a fi alimentarea consumatorului doar din surse regenerabile și faptul că nu suportă întreruperi în alimentare, deci turbina trebuie să pornească singură fără ajutorul unui motor diesel sau fără ajutorul unui motor electric care ar presupune o creștere mare și bruscă a consumului de energie electrică, de asemenea puterea instalată a turbinei avută în vedere este mică și medie.

Pentru realizarea acestui studiu comparativ este necesară definirea unui paramentru esențial al turbinelor eoliene, coeficientul de putere. Coeficientul de putere al unei turbine eoliene este o mărime procentuală care exprimă cât de eficient turbina eoliană convertește energia vântului în energie electrică.

Coeficientul de putere, cp, depinde de viteza vântului, viteza de turație a turbinei și parametrii palei precum unghiul de așezare (pitch) și unghiul de incidență. Unghiul de așezare este unghiul dintre mișcarea palelor (planul de rotație) și coarda palei. Unghiul de incidență este unghiul dintre viteza relativă a vântului și direcția corzii. Pentru turbinele cu pas fix, aceste unghiuri nu se modifică, iar este direct legat de raportul vitezelor la capătul palei, TSR (tip-speed ratio).

(3.2)

Turbinele eoliene produc energie practic prin încetinirea vitezei vântului, pentru a fi 100% eficientă o turbine eoliană ar trebui să stopeze vântul, dar în acest caz rotorul ar trebui să fie un disc, dar discul nu s-ar roti și deci energia cinetică a vântului nu ar fi transformată în energie electrică.

Puterea generată de vânt este proporțională cu densitatea aerului, suprafața porțiunii de vânt măturată de către pale turbine și viteza vântului natural. Relația dintre aceste mărimi este data de următoarea ecuație:

(3.3)

unde: – puterea vântului [W];

ρ – densitatea aerului [kg/];

A – suprafața baleiată de către palele tubinei ;

v – viteza medie a vântului [m/s].

Așa cum am precizat anterior o turbină eoliană nu poate utiliza 100% din energia vântului, o parte din aceasta este utilizată în variațiile de presiune care se produc prin palele turbinei. Această variație duce la o scădere a vitezei și deci a energiei utilizate. Puterea mecanică ce se poate obține cu o turbină ideală esfe dată de ecuația lui Betz:

(3.4)

unde: – puterea mecanică [W].

A – suprafața măturată de palele unei turbine . Aceasta depinde de lungimea palei sau de de diamentrul turbinei dacă aceasta este cu ax vertical. Pentru o turbină cu ax vertical:

(3.5)

unde: l – lungimea palei;

d – diametrul turbinei.

Constanta din ecuația (3.4) este cunoscută ca fiind coeficientul lui Betz sau limita Betz, care arată că doar 59,26 % din energia cinetică vântului poate fi transformată în energie electrică în cazul unei turbine ideale (figura 3.1.4). Această limită este coeficientul de putere teoretic maxim al oricărui tip de turbină. În realitate randamentul unei turbine este de 35-40%.[]

Figura 3.8 Variația presiunii și vitezei în cazul unei turbine ideale

Ecuația (3.4) se poate rescrie ca:

(3.5)

unde: – coeficientul de performanță.

Figura 3.9 Diagrama coeficientului de permanță pentru mai multe tipuri de turbine eoliene în raport cu limita Betz[]

În literatura de specialitate[82][] am regăsit următoarele valori ale coeficienților de performanță (menționez faptul că toate tipurile de turbine eoliene cu ax vertical avute în vedere au puteri instalate mici și medii):

Tabelul 3.3 Coeficienți de performanță

Analizând tabelul 3.3 și având în vederse ipotezele prezentate anterior, turbina eoliană ce va fi considerată în prezentul studiu este o turbină cu rotor elicoidal, așa cum se poate vedea din tabelul anterior, randamentul cel mai bun pentru o tubină mică sau medie este cel al rotorului elicoidal.

Un alt aspect avut în vedere este faptul că direcția vântului în site variază cu ușurință, din datele analizate (am menționat anterior faptul că s-a monitorizat pe o perioadă de șase luni direcția din care bate vântul în amplasament) se observă variații dese și bruște ale direcției vîntului, figura 3.7, de până la șapte ori pe parcursul unei zile. Este binecunoscut faptul că turbinele cu ax vertical expoaltează mai eficient energia cinetică a vântului în condiții de schimbări dese ale direcței vântului și indiferent de aceasta.

De asemenea din analiza datelor înregistrate în zona în care se dorește instalarea turbinei se obserăva faptul că nu există o direcție a vântului care să predomine, cel mai mare procent îl are direcția vest de 23,77%, urmat de vest, nord-vest cu un procent de 20,24% , nord-vest cu 17,43%, cel mai puțin vântul bate din direcția sud, sud-vest, de aproximativ 0,57%.

Tabelul 3.4 Exemple de variații ale vitezei vântului înregistrate în site

(Legendă: N – nord; NE – nord-est; NNE – nord, nord-est; NV – nord-vest; NNV – nord,
nord-vest; S – sud; SE – sud-est; SSE – sud, sud-est; SSV – sud, sud-vest; SV – sud-vest;
E – est; ESE – est, sud-est, ENE – est, nord-est; V – vest; VNV – vest, nord-vest,
VSV – vest, sud-vest)

Figura 3.10 Vedere de ansamblu a unei turbine cu ax vertical și rotor elicoidal

3.4 Aspecte specifice turbinelor cu rotor elicoidal

3.4.1 Aspecte privind coeficientul de putere

Turbina cu rotor elicoidal se regăsește în literatura de spcialitate și sub denumirea de turbina cu rotor dublu helix sau turbina Savonius răsucit. Acest model combină avantajele rotorului Darrieus cu cele ale rotorului Savonius, și anume, eficiența rotorului Darrieus și fiabilitatea și pornirea automată a rotorului Savonius. Forma elicoidală a palelor reduce forțele de torțiune și forțele produse de rotație asupra turnului de susținere, acestă formă contribuie la dispunerea uniformă a forțelor de torțiune, permițând forței vântului să acționeze asupra palelor atât din direcția din care bate cât și sub vânt.[][]

Figura 3.11 Turbina cu rotor elicoidal (vedere reală și secțiuni)

b)

Figura 3.12 Date obținute pentru un model experimental la o viteză a vântului de 8 m/s

a) Efectul presiunii asupra palelor rotorului b) Liniile de curgere ale fluxului de aer

Savonius a testat într-un tunel de vânt și în aer liber 30 de modele diferite pentru a obține cea mai bună eficiență. Dintre modelele testate cel mai bun acestea a avut un coeficient de putere, , de 31%, iar coeficientul de performanță maxim obținut de prototip în condiții de exploatare normală a fost de 37%. Aplicațiile rotorului Savonius, în general, au inclus pomparea apei, acționarea unui generator electric, ventilația și în sisteme de curățare a gheții de pe suprafața lacurilor mici. [][][][]

În urma unor studii mai recente pentru îmbunătățirea formei palelor[] în vederea folosirii lor pentru aplicații de mică putere s-a condus la realizarea unei noi forme a palelor rotorului Savonius, forma elicoidală, coeficientul de putere raportat de acest studiu este de 50%. Alte studii[] ale unui pentru un rotor hibrid Savonius-Darrieus cu trei pale și au condus la un coeficient de performanță de 51%. În prezent simulările diferiților paramentrii ai palelor pentru obținerea coeficientului de putere sunt realizeaze pe computer folosind un software numit Fluent 6.0.

Modelele matematice care stau la baza proiecțiilor pe computer și care definesc fenomenele fizice care stau la baza funcționării turbinei cu rotor elicoidal sunt date de următoarele ecuații diferențiale:

ecuația continuității

(3.6)

unde: ρ – densitatea;

– vectorul viteză.

ecuația momentului

(3.7)

unde: ρ – densitatea;

– vectorul viteză;

p – presiunea statică;

– tensorul forțelor de presiune;

– forțele gravitaționale;

– forțele exterioare corpului rotorului.

ecuația conservării energiei

(3.8)

unde: – conductivitatea efectivă = k + , este conductivitatea termică cauzată de turbulențe;

– fluxul de dispersie al particulelor j.

modelul turbulențelor – modelul standard al turbulențelor k – ε poate fi o funcție logaritmică. Ecuația momentului, x, y, și z componentele vitezei, energia cinetică a turbulențelor, k, și disipația energiei cinetice a turbulențelor ε, pot fi rezolvate cu software-ul amintit anterior. Ecuațiile standard k – ε pot fi reprezentate ca:

(3.9)

(3.10)

Simulări privind comportamentul turbinelor eoliene se pot face pe baza ecuațiilor matematice și prin intermediul MatLab, datele astfel obținute sunt cele prezentate în figurile 3.12, 3.13, și 3.14 și sunt rezultate pe baza unui model matematic și prin varația parametrilor turbinei elicoidale (soliditatea rotorului, soliditatea palelor, raportul TSR, etc.). [82]

În vederea îmbunătățirii performanțelor rotorului elicoidal s-au realizat studii chiar și asupra influenței unghiului de curbură sau de răsucire, al palelor rotorului pentru a vedea efectul asupra coeficientului de putere, simulările s-au realizat utilizând CFD, Computational Fluid Dynamics.

Unghiul de răsucire este dat de capetele corzii palei, de exemplu coarda pleacă de la un capăt de la 0° și se termină la celălalt capăt la 45°. Rezultatele unuia dintre studii, pentru turbina dublu helix cu ax, figura, sunt prezentate în figura 3.15 (a), b), c), d), e), f)).[]

Concluziile acestui studiu sunt foarte interesante, pentru diferite valori ale raportului TSR, s-a variat unghiul de răsucire al rotorului de la 0° la 180° și s-a constatat, la fiecare valoare a unghiului, o creștere a coeficientului de putere o dată cu creșterea raportului TSR, însă acest trend ascendent se oprește în momentul în care TSR atinge o valoare optimă, atunci când această valoare este atinsă cp începe să scadă chiar dacă raportul TSR este în continuare crescut, deci există un TSR optim pentru care coeficientul de putere este maxim. Coeficientul de putere pentru toate unghiurile simulate este pozitiv, dar s-au înregistrat valori maxime pentru următoarele valori: 45°, 90°, 225°, 270°, acest lucru presupune valori maxime ale energiei electrice produse la aceste înclinații ale rotorului. Valoarea maximă a cp a fost înregistrată pentru unghiul de 45° și are o valoare de 0,4742. Tot în acest studiu s-a analizat și impactul fluxului de aer care curge pe lângă rotorul înclinat la 45°, 90° și 135° și s-a observat o concentrare majoră a liniilor de flux la capetele palelor, și la cea aflată în vânt și la cea aflată sub vânt care ar duce la o producție maximă de energie în cazul în care turbina se rotește în sensul acelor de ceasornic. [92]

Figura 3.13 Coeficientul de putere în funcție de TSR și de solidtatea palei

Figura 3.14 Coeficientul de putere în funcție de TSR și de soliditatea rotorului

b)

c) d)

f)

Figura 3.15 Variația coeficientului de putere în funcție de unghiul de răsucire al palelor și de TSR

cp funcție de TSR la unghi de 0° b) cp funcție de TSR la 45° c) cp funcție de TSR la 90° d) cp funcție de TSR la 135° e) cp funcție de TSR la 180° f) variația cp la un ciclu complet de roție pentru TSR maxim, TSR=1,636

Constructiv turbinele dublu helix se pot clasifica în două categorii cu ax și fără ax, figura 3.16. Studii privind unghiul de rotire al palelor au fost realizate și pe cel de al doilea tip constructiv, concluziile sunt similare celor din studiul menționat anterior, unghiurile la care coeficientul de putere este maxim sunt aceleași, TSR maxim are aceeași valoare, coefcientul de putere maxim obținut este de 0,462, iar din analiza liniilor de flux s-a ajuns la aceeași concluzie, maximul este obținut dacă turbina se rotește în sensul acelor de ceasornic, diferența o constă faptul că acest maxim este obținut doar unghiurile de 45° și 90°.[]

Turbina dublu helix cu ax

Turbina dublu helix fără ax

Figura 3.16 Tipuri de turbine cu rotor elicoidal

În concluzie, în urma cercetărilor teoretice s-au raportat coeficienți de putere ai turbinelor dublu helix în intervalul 30 – 50%, în practică acest coeficient s-a raportat în intervalul 30 – 40%, această diferență este explicată prin faptul că nu doar viteza vântului înfluențează eficiența turbinei ci și materialele din care sunt realizate palele, precizia de fabricație și de montare a turbinei la locul expoatării. Chiar și așa randamentul este ridicat, tipul constructiv este mai simplu în comparație cu turbinele cu ax vertical cu care concurează din punct de vedere al eficienței deoarece nu are nevoie de mecanism de orientare în direcția din care bate vântul, acest aspect ducând și la un cost mai scăzut de fabricație, de aceea turbina cu rotor elicoidal este o alegere foarte bună în cazul consumatorilor mici și medii.

3.4.2 Aspecte privind efectele fluxului de aer asupra turbinei

Tot prin intermediul CFD se pot face simulări privind efectul fluxului de aer asupra palelor turbine, pentru aceasta este necesară definirea coeficientului de torsiune (de acesta depinde perfomanța, stabilitatea și funcționarea constantă a turbinei):

(3.11)

unde: M – cuplu;

ρ – densitatea aerului;

S – suprafața rotorului aflată în direcția vântului;

D – diametrul rotorului;

v – viteza vântului.

Figura 3.17 Variația coeficientului de torsiune în funcție de viteza vântului

În figura 3.18 se poate observa distribuția presiunii și a curenților de aer asupra unui model de turbină dublu helix cu o înălțime a palei, H, de 1,8 m și un raport H/D de 1,6 la o viteză a vântului de 12 m/s, sensul de rotație este de la stânga la dreapta, iar coeficientul de torsiune maxim (acesta a fost obținut prin simulări repetate prin varierea vitezei curentului de aer de la 4 la 22 m/s, s-a ajuns la o valoare de 0,43). Datele sunt înregistrate la secțiuni prin rotor de 0,5 H, 0,75, respectiv de 0,95 H.[]

Figura 3.18 Distribuția presiunii și ai curenților de aer la cs maxim

În figura 3.19 se poate observa efectul curentului de aer asupra aceluiași model, datele sunt măsurate la aceleași secțiuni prin rotor, dar coeficientul de torsiune minim.[94]

Figura 3.19 Distribuția presiunii și ai curenților de aer la cs maxim

În cazul turbinelor dublu helix cu ax curenții de aer au o curgere diferită care se modifică în funcție de unghiul de răsucire. Atunci când unghiul este de 45°, 90° și 135° liniile de curgere se concentrează la capătul palei afate în vânt și pe partea care se află în aval (figura 3.20), acestă dispersie este cea care produce cuplu aerodinamic mai mare de unde rezultă o cantitate de energie mai mare, atunci când unghiul este de 0° sau 180° fluxul de aer este împărțit în două de palele turbine (figura 3.21), deci cuplul aerodinamic este mai mic de unde rezultă o cantitate de energie mai mică.[92]

Figura 3.20 Liniile de curgere la o turbină dublu helix cu ax la un de unghi de 45°, respectiv un unghi de 135°

Figura 3.21 Liniile de curgere la o turbină dublu helix cu ax și un unghi de 0°

3.4.3 Alte considerații asupra turbinei dublu helix

Cunoașterea ecuațiilor energetice ale turbinei cu ax elicoidal este importantă, de aceea în cele ce urmează vor fi detaliate succint.

Asupra profilului unitar a cărui mișcare este caracterizată de viteza periferică v, acționează forța de ascensiune, P, care se descompune pe cele în Pz și Pu.

Figura 3.22 Diagrama forțelor rezultate sub efectul curenților de aer

Din ecuația continuității (3.6) pentru o secțiune inelară a cărei grosime este unitară obținem:

(3.11)

(3.12)

(3.13)

Tot din ecuația mișcării se obțin componentele axială și frontală ale efectului curentului asupra unui profil unitar:

(3.14)

(3.15)

Figura 3.23 Componenta radială și frontal a forței produse de fluidul real

Ecuația lui Bernoulli, ținând cont de vâscozitate, pentru secțiuniile 1 și 2 devine:

(3.16)

(3.17)

(3.18)

– reprezintă pierderile totale de presiune rezultate din cauza vâscozității.

Ecuațiile pentru componentele forței de ascensiune pentru cazul gazului ideal:

(3.19)

(3.20)

Ecuațiile pentru componentele forței de ascensiune pentru cazul gazului vâscos:

(3.21)

(3.22)

– reprezintă proiecția pe axă a forței de rezistentă, , dacă acetezastă proiecție este parlelă cu axa atunci ea este egală cu 0.

Viteza geometrică medie:

(3.23)

Astfel obținem următoarea relație:

(3.24)

unde G și sunt rezulate din vitezele reale și .

Rezultanta R, adică forța cu care curentul de fluid acționează cu profilul palelor:

(3.25)

R se decompune în următoarele două componente, rezistența frontală, respectiv forța de ascensiune:

(3.26)

Un alt aspect care trebuie meționat este că s-a constatat, din practică, că acest tip de turbină eoliană se pretează mult mai bine pentru instalarea în medii urbane deoarece nu produce zgomot și poate exploata mult mai ușor fluxurile haotice de aer care apar din cauza clădirilor înalte, mai mult pot fi conectate mai multe turbine mai mici pentru a forma o matrice sau chiar pot fi conectate pentru a forma un parc de eoliene. Amplasare lor în matrici se realizează după aceleași principii ca și în cazul tubinelor cu ax orizontal, astfel încât să nu se “umbrească”, să poată exploata la maxim resursa eoliană (figura 3.24).

Tipul constructiv al tubinei are un comportament diferit în vânt atunci când funcționează într-o rețea. În figura 3.25 se poate observa impactul tubinelor asupra curentului de aer, zona neagră. Pentu turbinele fără ax viteza vântului poate să scadă cu până la 60% până la ultimul rând de turbine (zona albă), pentru turbinele cu ax pierderea maximă este de 20% (schimbarea de culoare de la negru la alb).[] Diferențele între cele două tipuri sunt considerabile, iar alegerea între ele dacă se dorește conectarea lor în microparcuri, parcuri este ușor de făcut.

.

Figura 3.25 Distribuția fluxului de aer în cazul matricelor de turbine cu rotor elicoidal fără ax, respectiv cu ax

De asemenea, trebuie specificat faptul că materialele de fabricație și de instalare sunt același ca și în cazul turbinelor cu pale verticale, și anume amplasarea lor se face pe fundații de beton, turnurile sunt tubulare și sunt fabricate din oțel, iar palele sunt realizate din fibră de sticlă cu armături din poliester sau rășină epoxidică. Din aceste considerente costurile sunt similare sau mai mici cu cele ale turbinelor convenționale.

3.4 Avantajele turbinei eoliene cu ax vertical

Turbinele eoliene verticale au avantaje importante care recomandă utilizarea lor, în detrimentul turbinelor cu ax orizontal, mai ales în zone cu potențial eolian redus, și anume: produc energie în condiții de vânt redus sau cu caracter turbulent, oferă cuplu mare la pornire și nu necesită mecanisme de orientare. Pentru o exploatare cât mai fructuoasă a acestor avantaje este importantă găsirea unor soluții pentru îmbunătățirea eficienței acestui tip de turbine, asupra designului optim al rotoarelor cu ax vertical, în vederea creșterii coeficientului de performanță al acestora, se efectuează încă multe cercetări, multe dintre aceste studii au ajuns la concluzia ca o formă care crește eficiența este cea elicoidală.

Unul din avantajele majore este că turbina cu ax vertical nu pierde energie atunci când se orientează după direcția vântului deoarece reacționează indiferent de direcția din care vine fluxul de aer, figura 3.26.

Turbinele cu ax vertical au cea mai bună eficiență de conversie a energiei eoliene în energie utilă, în cazul în care viteza periferică a rotorului are valori apropiate de 1, deci dacă vârful palei se mișcă cu o viteză egală cu viteza curentului de aer.

Figura 3.26 Frontul de aer pentru turbina cu ax vertical și turbina cu ax orizontal

Spațiul pe care îl ocupă turbina cu ax vertical este mult mai mic față de spațiul ocupat de turbina cu ax orizontal, deci pot fi puse mai multe într-un spațiu mai mic sau dacă spațiul nu permite instalarea unei turbine cu ax orizontal se poate instala una cu ax vertical.

Datorită folosirii lagărului magnetic în defavoarea lagărului convențional frecarea este redusă foarte mult și turbina reacționează la viteze mai mici ale vântului, structura lor este simplă, au costuri de mentenanță și de instalare reduse, aceste costuri mici le fac ideale pentru zone izolate.

Un alt avantaj îl constituie zgomotul redus, atfel pot fi instalate în zone urbane. De asemenea, faptul că înălțimea la care sunt instalate este mai mică reprezintă un alt atu, pot fi instalate și în zone care reprezintă rute ale păsărilor migratoare unde turbinele cu ax orizontal sunt de evitat deoarece afectează în mod negativ fauna, mai mult rotorul se rotește la viteze mai mici decât cel al turbinelor convenționale și palele sunt percepute de către păsări și lilieci ca fiind un obiect solid.

3.5 Dimensionarea sistemului hibrid

3.5.1 Dimensionarea componentei eoliene

Conform datelor prezentate în tabelele 3.1 și 3.2, consumul anual de energie electrică al echipamentelor de comunicații din amplasament este de aproximativ 22.000 kWh/an, iar puterea lor instalată este de 3.050 W și din cele prezentate într-unul dintre subcapitolele anterioare coeficientul de putere al unei tubine cu rotor elicoidal poate fi considerat de 0,35 putem obține puterea instalată a componentei eoliene, astfel:

(3.27)

unde: – puterea instalată a echipamentelor din amplasamentul de telecomunicații;

– puterea mecanică instalată a turbinei eoliene;

– randamentul turbinei.

[W]

Am căutat pe piața produătorilor de turbine eoliene un model cu putere apropiată de cea rezultată din calculul anterior. Cel mai apropiat model este al unui producător din Marea Britanie, Aeolos Wind Turbine, și are următoarele caracteristici:

Tabelul 3.5 Caracteristicile turbinei

Astfel, pentru determinările următoare vom alege o turbină eoliană cu putere 10 kW, care produce circa 30.240 kWh/an și are caracteristicile prezentate în tabelul anterior. Nu avem în vedere componenta solară a sistemului hibrid deoarece fiecare dintre cele două surse de energie trebuie să fie capabilă să susțină sistemul independent de cealaltă.

3.5.1 Dimensionarea componentei fotovoltaice

Figura 3.27 – Structura și principiul de funcționare al unei celule fotovoltaice cu Si[5]

Așa cum am menționat într-un capitol anterior o celulă fotovoltaică transformă o parte din energia primită de la soare în electricitate, pentru lungimile de undă cuprinse în spectrul vizibil și foarte puțin din ultraviolete și infraroșii. Acest fenomen se datorează faptului că electronii din materialul de tip N absorb energia fotonilor proveniți din radiația solară, devenind liberi în rețeaua cristalină. Datorită existenței câmpului electric creat de joncțiunea PN, acești electroni liberi se deplasează către electrodul pozitiv, dând naștere unei diferențe de potențial. Pentru ca un electron din banda de valență a materialului să devină liber și să poată participa la conducție, acesta trebuie să absoarbă o anumită energie. Această cantitate are o valoare proprie pentru fiecare material semiconductor. Valorile uzuale pentru celulele PV sunt:

1,12 eV (λ = 111 nm) pentru siliciu cristalin;

1,65 eV (λ = 75 nm) pentru siliciu amorf;

0,66 eV (λ = 188 nm) pentru germaniu.

În consecință fotonii cu lungimi mari de undă a căror energie cinetică este mică desprind puțini electroni de pe stratul de valență și au o eficiență scăzută în producerea energiei electrice. Pe de altă parte fotonii cu lungimi foarte mici de undă, bogați în energie vor fi absorbiți la suprafața celulei într-o zonă nefavorabilă producerii energiei electrice. Surplusul de energie este transformat în căldură și conduce la încălzirea materialului.

O celulă fotovoltaică este alcătuită dintr-o joncțiune PN, doi electrozi, o grilă conducătoare și un strat antireflex.

3.5.2.1. Caracteristici energetice ale celulelor fotovoltaice

Randamentul unei celule fotovoltaice este definit ca raportul dintre puterea electrică furnizată la bornele sale și puterea radiației incidente:

(3.28)

Puterea electrică disponibilă la bornele unei celule fotovoltaice variază în funcție de: intensitatea radiației solare, temperatura celulei, unghiul de incidență al razelor solare, caracteristicile constructive ale celulei și condițiile meteorologice (temperatură ambiantă, viteza vântului etc.).

Tabelul 3.6 Randamentul diferitelor tipuri de celule fotovoltaice și domeniul de aplicare

Răspunsul spectral al unei celule reprezintă eficacitatea cu care aceasta transformă energia radiației solare în electricitate. Eficacitatea sa depinde în cea mai mare măsură de proprietățile materialului din care este fabricată. Chiar dacă fotonul are o masă nulă, el deține totuși o energie cinetică. Aceasta se definește ca fiind produsul dintre constanta lui Planck și frecvența radiației (ecuația 3.29):

(3.29)

(3.30)

Factorul de formă este definit ca raportul dintre puterea maximă furnizată de o celulă fotovoltaică în condiții date de funcționare și puterea livrată de o celulă ideală, în aceleași condiții de funcționare:

(3.31)

Pentru celulele cristaline factorul de formă variază între 0,75 și 0,85, iar pentru cele amorfe între 0,5 și 0,7.

3.5.2.2 Funcționarea panourilor fotovoltaice

Există în literatura de specialitate mai multe modalități de descriere a funcționării celulelor fotovoltaice. Deoarece acestea sunt generatoare ale unui fotocurent, modelele cele mai uzuale sunt obținute prin suprapunerea caracteristicii unei diode semiconductoare cu un generator de curent, independent de tensiune. La acestea se adaugă pierderile prin rezistențele electrice existente ale materialului în sine, ale contactelor electrice și ale altor fenomene ce au loc în interiorul celulei fotovoltaice.

Cele mai utilizate modele pentru a caracteriza funcționarea celulelor fotovoltaice sunt modelul simplă și dublă diodă. Spre deosebire de modelul cu o diodă, cel cu două diode ține seama și de fenomenul de recombinare a putătorilor de sarcină în zona goluri-sarcină.

Modelul simplă diodă

Circuitul descris în figura 3.28 ține cont de fenomenele ce intervin în funcționarea reală a celulei fotovoltaice. Sursa de curent legată în paralel cu o diodă semiconductoare modelează o celulă ideală, la care se adaugă cele două rezistențe electrice ce modelează pierderile de curent și de tensiune.

Figura 3.28 – Modelul simplă diodă al unei celule fotovoltaice

Caracteristica tensiune-curent a unei diode este exprimată conform relației (3.32), unde curentul invers de saturație se situează în jurul valorii de , și depinde de temperatura celulei după o lege exponențială:

(3.32)

Curentul produs de sursa depinde de intensitatea radiației solare, coeficientul de absorbție a lungimii de undă a radiației solare și de caracteristica de difuziune și de recombinare a electronilor în material conform eucuației (3.33). O parte din acest curent străbate dioda D, acest fapt modelează fenomenul de recombinare purtătorilor de sarcină în interiorul celulei solare.

Rezistența mică a muchiilor celulei solare conduce la o nouă pierdere de curent evidențiată prin existența unei rezistențe în paralel în circuitul din figura 3.28, având o valoare mare în general, . Rezistența contactelor electrice și rezistența internă a celulei sunt reprezentate prin de ordinul miliohmilor. Aceste rezistențe au mici variații în funcționare, dar pentru simplificare, în teorie, sunt considerate constante.

(3.33)

Prin aplicarea teoremelor lui Kirchhoff pentru circuitul din figura 3.28 se obține caracteristica tensiune-curent a unei celule fotovoltaice, după cum urmează:

deci,

Înlocuind și cu expresiile lor se obține:

(3.34)

Modelul dublă diodă

Față de circuitul anterior, modelul dublă diodă ține cont de variația coeficientului de idealitate al diodei semiconductoare. Acesta este o funcție de tensiunea de la bornele celulei. La valori mari de tensiune, fenomenul de recombinare al purtătorilor de sarcină se realizează cu precădere în regiunile de suprafață și în regiunile de dopare, coeficientul de idealitate fiind aproape de valoarea unitară. La valori mici de tensiune, recombinarea are loc cu precădere în regiunea joncțiunii, iar coeficientul de idealitate se apropie de valoarea doi. Recombinarea în zona joncțiunii este modelată prin adăugarea unei diode în paralel cu prima, ca în figura 3.29

Figura 3.29 – Modelul dublă diodă al unei celule fotovoltaice

Ecuația (3.34) devine în acest caz:

(3.35)

Curenții de saturație pot fi determinați ținând cont de coeficienții de difuzie
, și de energia necesară electronilor pentru a trece din banda de valență în banda de conducție, notat:

(3.36)

(3.37)

Dimensionarea componentei fotovoltaice

În vederea dimensionării componentei fotovoltaice trebuie să ținem cont de următoarele date:

puterea medie a consumatorului pe care vrem să îl alimentăm din sistemul hibrid, kW, iar puterea instalată este de 3,05 kW;

randamentul pe care îl are tipul de celulă care alimentează cosumatorul, implicit sistemul fotovoltaic, tabelul 3.6;

natura consumatorului și anume faptul că acesta nu poate suporta întreruperi în alimentarea cu energie, deci sistemul fotovoltaic trebuie să poată susține singur maximul de energie care poate fi consumat la un moment dat.

Pe piața din România sunt comercializate sisteme fotovoltaice ale căror celule sunt monocristaline, astfel putem din tabelul 3.6 să considerăm randamentul sistemuluui fotovoltaic ca fiind de 17%. Astfel sistemul nostru fotovoltaic trebuie să aibă următoarea putere instalată:

(3.38)

Panourile fotovoltaice monocristaline au cel mai bun randament de conversie a luminii în energie electrică și cel mai ridicat preț de comercializare ca urmare a procesului tehnologic de fabricație. Trebuie precizat că randamentul se referă la cantitatea de energie electrică obținută pe metru pătrat și nu la eficiența economică sau de exploatare asa cum eronat se înțelege din informațiile postate pe internet de diverse companii. Dimpotrivă, prețul pe unitatea de putere (Watt-ul) este mai mare decât în cazul celorlalte tipuri de panouri pentru ca procesul de fabricație este mai energofag, iar investiția în panouri fotovoltaice monocristaline se recuperează într-o perioada mai mare.

Cu cât randamentul unui panou este mai mare cu atât costurile de producție sunt mai mari și implicit prețul de comercializare pe unitatea de putere creste. Garanția pentru puterea de ieșire mai mare de 80% este de cel puțin 25 de ani.

Cele mai performante panouri fotovoltaice monocristaline au lipiturile realizate pe spatele celulelor "back contacts" și o eficiență de aproximativ 18%. Prin eliminarea lipiturilor de pe fața panourilor randamentul pe unitatea de suprafață crește, dar apar probleme legate de obligativitatea conectării la pământ a uneia din bornele electrice. Aceasta particularitate impune de asemenea utilizarea unor încărcătoare și invertoare care sa permită conectarea unei borne electrice la priza de pământ și generează costuri suplimentare.

Panourile fotovoltaice monocristaline reprezintă cea mai buna opțiune dacă spațiul disponibil pentru montaj este limitat, capacitatea instalată fiind mai mare cu 3-4 procente decât în cazul utilizării panourilor fotovoltaice policristaline și cu 7-10 procente mai mare decât în cazul utilizării panourilor fotovoltaice amorfe.[]

În cataloagele online se pot găsi panouri fotovoltaic monocristaline pentru alimentarea de consumatori mari a căror putere nominală variază de la 100 W la 300 W, astfel vom alege (conform datelor din ecuația (3.38)) un kit de 60 de panouri cu putere de 300 W și un randament cuprins între 17,1 și 18%. Dimensiunile unui astfel de panou sunt de aproximativ 2.000 * 1.000 *50 mm, deci avem nevoie de o suprafață de 120 m2 pentru a instala sistemul.

CAPITOLUL 4

MODELAREA SISTEMULUI HIBRID

4.1 Introducere

Sistemele hibride, asa cum am precizat în Capitolul 2, pot avea mai multe componente, iar dintre acestea nu toate trebuie sa fie producătoare de energie electrică din resurse regenerabile, de exemplu, generatoare diesel. Sistemele hibride ce utilizează resursele regenerabile pot avea componente solare, eoliene, hidro, biomasă, biocombustibili, dar pot include și sisteme de stocare. Pot exista varii combinații între aceste componente în funcție de resursa disponibilă.

Modelarea matematică este necesară în vederea în vederea alegera compoenentei corecte, a dimensionării corespunzătoare și optime a sistemului și presupune modelarea individuală a fiecărei componente a sistemului hibrid pentru a determina caracteristicile sale. Acest proces stă la baza deciziei de implementare a tipului de sistem ales în funcție de performanța previzionată.

Metodologia de modelare a sistemului hibrid fotovoltaic eolian, precum și rezultatele obținute sunt descrise în subcapitolele următoare.

Modelarea componentei eoliene

Puterea mecanică a turbinei eoliene este dată de

(1)

unde: – puterea vântului [W];

– coeficientul lui Betz;

ρ – densitatea aerului [kg/];

A – suprafața baleiată de către palele tubinei ;

v – viteza medie a vântului [m/s];

– raportul vitezei la extremitățile turbinei sau TSR .

(2)

unde: R – raza turbinei [m];

ω – viteza unghiulară [rad/s];

v – viteza medie a vântului.

Energia generată este dată de următoarea ecuație:

[kWh]

unde t – timp.

Uneori viteza vântului este greu de măsurat la o înălțime dată, pentru a obține viteza vântului la o anumită înălțime putem extrapola datele măsurate, trebuie însă avut în vedere faptul că măsurătorile de joasă altitudine pot fi afectate de obstacolele zonale, precum clădiri, vegetație etc.

12174646

unde: zr – altitudinea de referință [m];

z – înălțimea pentru care se determină viteza vântului [m];

– rugozitatea terenului;

– viteza vântului la înălțimea z [m/s];

– este viteza vântului la viteza de altitudinea de referință zr [m/s].

Menționez că rugozitatea terenului vaută în vedere este de 0,05 conform standardului SR EN 1991-1-4.

Viteza de pornire este o viteză minimă necesară turbinei pentru a porni și a genera energie, viteza maximă la care funcționează turbina este viteza pentru care forțele ce acționează asupra structurii sunt mari și pot produce daune ale rotorului. Pentru a preveni astfel de evenimente turbina este echipată cu sisteme de frânare. Viteza nominală este viteza medie a celor două specificate anterior, la care puterea generată este maximă, mai mare de atât nu poate fi generată de generatorul electric, putere nominală. Puterea nominală în cazul turbinelor eoliene poate fi determinată astfel:

unde: – puterea medie;

– viteza de pornire;

– viteza medie a vântului;

– viteza maximă la care funcționează turbina;

k – coeficientul Weibull.

În diferite studii de specialitate cu privire la modelarea turbinelor eoliene coeficientul Weibull este utilizat ca 1, 2 sau 3.

Viteza unghiulară a generatorului trebuie determinată pentru a obține maximul de putere, acest proces este cunoscut în literatura de specialitate ca determinarea punctului de putere maximă (maximum power point tracking – MPPT).

Viteza optima a rotorului este data de următoarea ecuație:

din care rezultă:

unde: – viteza unghiulară optimă a rotorului [rad/s];

– raportul optim al vitezelor la capătul palelor;

R – raza turbinei [m];

– viteza vântului [m/s].

Sistemul de transmisie este cel care transferă prin cutia de viteze un cuplu aerodinamic mare axului care se rotește la viteze mici. Unele generatoare sunt legate direct la rotor pentru reducerea complexității și pentru acestea nu este necesară modelarea acestui sistem, însă având în vedere că modelul ales este o turbină eoliană verticală unde generatorulul nu este legat direct la rotor trebuie avută în vedere și modelarea sistemului de transmisie, astfel pe baza modelului dinamic de torsiune s-a dezvoltat un model matematic 55.

În funcție de tipul constructiv a turbinei se pot face următoarele determinări:

axul turbinei este realizat dintr-o singură structură rigidă (figura 22222)

și

unde: – momentul de inerție al rotorului turbinei [kg ];

– viteza unghiulară frânată a axului [rad ;

– coeficientul de frecare al turbinei sau rezistența aerodinamică

[Nm ];

– coeficientul de frecare al generatorului sau frecarea mecanică și frecarea cu aerul [Nm ].

axul turbinei este realizat din două structuri rigide (figura 22222)

Inerția rotorului, , este dată de:

(26)

Cuplul axului în funcție de viteza frânată este:

(27)

Inerția generatorului este dată de viteza axului înainte de frânare și frânată de către cuplul electromagnetic al generatorului, astfel:

(28)

Presupunem cutia de viteze ideală având raportul n:

Notațiile sunt aceleași pentru ambele modele și anume:

– coeficientul de frecare al turbinei pentru viteza frânată [Nm ];

– viteza unghiulară nefrânată a axului [rad ;

– cuplul turbinei [Nm];

– cuplul axului la viteza frânată [Nm];

– momentul de inerție al generatorului [kg ];

– cuplul axului la viteza nefrânată [Nm].

Eliminând din ecuația 27 și folosind 26 și 28 se obține următorul system dinamic:

unde:

și

iar ω/ωn – reprezintă raportul dintre frecvența oscilațiilor frânate ale axului și frecvența neamortizată a axului;

m – este masa axului;

I – este al doilea moment al suprafeței axei de rotație;

– este lungimea axului;

– modulul rigidității;

– este amortizarea, frânarea critică a axului;

– raportul amortizărilor axului.

Pentru turbinele eoliene poate fi utilizat atât generatorul sincron cât și cel cu inducție, generatorul sincron cu viteză variabilă și acționare directă, cu mai mulți poli magnetici permanenți (PMSG – Permanent magnet synchronous generator) este folosit cu preponderență datorită eficienței ridicate, greutății scăzute, necesită mai puțină întreținere este mai ușor de controlat și nu necesită curenți reactivi și de magnetizare. Cutia de viteze la anumite tipuri de turbine eoliene genereaza costuri de întreținere și crește greutatea. Utilizănd generatorul sincron cu acționare directă la care făceam referire mai sus nu doar că se crește fiabilitatea sistemului, dar scade și greutatea nacelei.

Mai jos este descris modelul matematic al acestui generator.

Tensiunea este dată de urm[toarele ecuații:

Cuplul electric este dat de:

unde – inductanța axei q;

– inductanța axei d;

– curentul axei q;

– curentul axei d;

– voltajul axei q;

– voltajul axei d;

– viteza unghiulară a rotorului;

– este amplitudinea fluxului indus;

– numărul de perechi de poli.

În cazul generatorului cu cușcă (SCIG – squirrel cage induction generator) poate fi folosit următorul model:

Ecuațiile statorice sunt:

Ecuațiile rotorului sunt:

Ecuațiile fluxului de aer sunt următorarele:

unde: și – rezistența la torsiune a statorului și a motorului;

– inductanța de magnetizare;

– inductanța statorului;

– inductanța rotorului;

– viteza unghiulară a rotorului;

și – curenții modelului d – q;

și – tensiunile modelului d – q;

și – fluxul modelului d – q.

Puterea produsă și cuplul turbinei, ,în funcție de viteza de rotație poate fi extrasă înlocuind (2) în (1), asftel:

Coeficientul de putere, , este o funcție nelineară exprimată astfel:

iar

Coeficienții de putere – diferă în funcție de tipul turbinei, în literatura de specialitate, de exemplu în (4444) îi regăsim ca fiind = 0,53, c2 = 151, c3 = 0,58, c4 = 0,002, c5 = 13,2 și c6 = 18,4.

Modelarea componentei fotovoltaice

Puterea produsă de către panourile fotovoltaice (PV) este data de către următoarea ecuație:

unde: – randamentul panoului fotovoltaic;

– suprafața PV care generează electricitate [];

– radiația solară pentru modulele amplasate în plan înclinat [W/].

unde: – randamentul sistemului de limitare a puterii și este egal cu 1 se determină punctul de putere maximă (MPPT);

β – coeficientul de temperatură și este cuprins între 0,004 și 0,006 per șC;

– este randamentul de referință al modului fotovoltaic;

– temperatura de referință a celulei [șC].

Temperatura celulei se obține prin relația:

unde: – temperatura mediului ambint [șC];

NOCT – temperatura nominală de funcționare a celulei [șC];

– radiația solară pentru modulele amplasate în plan înclinat [W/].

Radiația totală ce acționează asupra celulei solare luând în cosiderare radiația solară normală și radiația solară difuză este exprimată, astfel:

Modelarea sistemului propriu-zisă a sistemului prezentată în următoarele rânduri.

Folosind diode ideală (fig 11) pentru o serie de celule conectate înserie și o serie de celule conectate în paralel obțnem curentul matricei de panouri în funcție de tensiunea matricei:

iar

unde: q – sarcina electronului (1,6×10-9C);

K – constanta lui Boltzmann;

A – factorul diodei ideale;

T – temperature celulei [K];

– curentul de saturație și de sens invers al celulei la T;

Tr – temperature de referință a celulei;

– curentul de saturație și de sens invers al celulei la Tr;

EG – banda de energie interzisă a semiconductorului din celulă.

Curentul fotovoltaic Iph variază în funcție de temperatra celulei și de radiație, astfel:

unde: – curentul de scurtcircuit la temperature și radiația de referință;

ki – este coeficientul de temperatură la scurtcircuit;

S – radiația solară [mW/cm2]

Modelul singurei diode ideale

De regulă modelarea matematică a matricei fotovoltaice se face fie după modelul singurei diode sau modelul dublei diode (fig …..)

Caracteristicile celulei fotovoltaice pot fi obținute folosind modelul singurei diode și anume:

unde: Iph – curentul fotovoltaic [A];

ID – curentul diodei [A];

I0 – curentul de saturație și de sens invers [A];

A – constanta diodei;

q – sarcina electronului;

K – constanta Boltzmann;

T – temperatura celulei [șC];

Rs – rezistența seriei [Ω];

I – curentul celulei [A];

V – tensiunea celulei [V].

Curentul celulei fotovoltaice cazul modelului dublă diodă este dat de următoarele ecuații:

iar:

unde: I01 și I02 sunt curenții de saturație și de sens invers ai diodei 1, respectiv diodei 2;

VT1 și VT2 – tensiunea terminca a respectei diode;

și – constante ale diodei ideale.

Un model simplificat 44445 este următorul:

(5554)

unde: v0c – valoarea normală a tensiunii Voc pentru circuitul deschis ținând cont de tensiunea termică Vt =nkT/q, unde n este factorul de idealitate (1<n<2);

K – constanta Boltzmann;

T – temperatura modului fotovoltaic [K];

q – sarcina electronului;

α – factorul responsabil de efectele nonlineare de care depinde curentul fotovoltaic;

β – coeficient adimensional specific tehnlogiei modulelor fotovoltaice;

– factorul care ține cont de toate efectele nonlineare temperatură – tensiune.

Ecuația (5554) reprezintă maximul de putere a unui singur modul fotovoltaic, un sistem real este compus din mai multe module conectate în paralel sau în serie. Puterea totală a unei matrici de panouri cu Ns celule contectate în serie și Np celule conectate în parallel cu puterea PM a fiecărui modul este dată de:

Modelarea matematică a acumulatorilor

Acumulatorii sunt importanți în vederea stocarea energiei produse, care nu s-a consumat și care poate fi utilizată atunci când cererea este mare iar producția insuficientă. În unele aplicații aceștia sunt folosiți ca buffer, ca tampon, echipamentele sunt alimentate din baterii pentru a preveni defectarea lor din cauza fluctuțiilor de tensiune, acest aspect este valabil pentru consumatorii din domeniul comunicațiilor.

Caracteristicile de performață ale acestor acumulatori sunt diferite de ale acumulatorilor utilizați în alte aplicații tradiționale din cauză că trebuie să reziste la mai multe cicluri de încărcare și descărcare, descărcării complete și încărcări neregulate, în plus sunt supuse la perioade lungi în care nu sunt încărcate decât la o capacitate redusă. Aceste cicluri haotice duc la scăderea duratei de viață a acumulatorilor, aspect care un impact semnificativ asupra sistemului hibrid, în special asupra costului. Este cunoscut faptul că pentru un sistem fotovoltaic aproximativ 40 % din costul total de-a lungul vieții sitemului îl reprezintă doar bateriile, de aceea este importantă creșterea duratei de viață a acumulatorilor pentru a scădea costurile și pentru a crește fiabilitatea sistemelor hibride.

Durata de viață a acumulatorilor este dependentă de consumul de energie al sistemului și poate fi crescută foarte ușor scăzând numărul descărcărilor, ceea ce practic nu este posibil. Legea lui Peukert poate perzice descărcarea acumulatorului ținând cont de proprietățile neliniare ale acumulatorului, legea este următoarea:

unde: td – timpul de descărcare al acumulatorului;

C – capacitatea acumulatorului [Ah];

I – curentul absorbit din acumulator [A];

H – timpul nominal de descărcare;

k – coeficientul lui Peukert.

unde: I1, I2 – curenții nominali de descărcare; T1, T2 durata de descărcare corespunzătoare.

Capacitatea acumulatorilor scade de-a lungul vieții lor, timpul de încărcare și descărcare va scădea și el, astfel valoarea lui k va trebui de terminată dupa mai multe cicluri de încărcare descărcare. Pentru acumulatorii cu plumb k este 1,3 – 1,4.

Timpul complet de încărcare este dat de următoarea relație:

Modelul dinamic al acumulatorului 12131 este prezentat în fig. 12131 și este bazat pe caracterul neliniar al descărcării acumulatorului și determină tensiunea circuitului deschis (Voc).

Fig. 12131 – Modelul dinamic al acumulatorilor cu plumb

Rp este rezistența la autodescărcare și ia în considerare un curent de scurgere, de autodescărcare, de mică intensitate, iar Ric și Rid reprezintă rezistențele interne care compensează rezistența electrolitului și a plăcilor acumulatorului. Rco și Rdo reprezintă căderile de tensiune în cadrul proceselor de încărcare și descărcare.Co este capacitanța acumulatorului în timpul ciclului de încărcare descărcare.

Tensiunea circuitului deschis este o funcție neliniară de temperatură (T), curent de descărcare (IB) și energie absorbită din acumulator (Ecd), acest model utilizează pentru a prezice maximul de energie disponibilă curentul inițial al acumulatorului (IB). Energia rămasă în acumulator și încărcarea (SOC – state of charge – marime procentuală) este calculată prin diferență, din starea inițială.

Există studii care prin compararea cererii de energie și a capacității de producere din surse solare și eoliene obțin capacitatea de stocare și încărcarea (SOC), asfel de studii au în vedere faptul ca energia din sursa eoliană poate fi produsă oricând de-a lungul a 24 de ore, iar energia din sursa solară este disponibilă doar ziua, energia eoliană este transmisă către consumatori direct printr-un UPS. Exsită, deci, trei scenarii [12717] :

energia din sursa eoliană poate asigura întreaga cerere, , iar excesul încarcă acumlatorii. Capacitatea de stocare la un moment oarecare (t) este exprimat astfel:

unde: Cbat(t) și Cbat(t-1) – capacitatea acumulatorului la momentul (t) și (t-1);

Ppv – puterea generată de către panourile fotovoltaice;

Pwg – puterea generată de către turbina eoliană:

Psarcină(t) – puterea consumată la sarcina t;

t – pasul de timp simulat (Δt = 1 oră);

ηcad – randamentul convertorului c.a/c.c.;

ηcha – randamentul de încărcare al acumulatorului, funcție de intensitatea curentului de încărcare, poate fi cuprins între 0,65 – 0,85 [121783].

energia eoliană nu poate satisface cererea de energie electrică, însă impreună cu energia produsă din sursa solară poate, excesul de energie dacă el există incarcă acumlatorii, astfel:

Capacitatea de stocare în acest caz este:

energia generată nu asigură nevoia de enrgie electrică, acumulatorii sunt în starea de descărcare, , capacitatea este dată de:

unde: – randamentul de descărcare (egal cu 1 [121793]);

– randamentul invertorului;

C – capacitatea acumulatorului la un moment oarecare t;

– este condițonat de , iar și sunt capacitateatea minima, respective maximă permisă a acumulatorului.

Capacitatea optimă se determină astfel:

unde: DOD – marime procentuală care reprezintă cât de descărcat este acumulatorul (depth of discharge).

Bateria de acumulatoare este dimensionată în funcție de zilele de autonomie, adică numărul de zile în care poate susține cererea de energie electrică în absența puterii care să o genereze. Maximul DOD, capacitatea nominală acumulatorului, temperatura și durata de viață sunt factori care înfluențează alegerea tipului de acumulator. Capacitatea unua acumulator ținând cont de DOD se calculează astfel:

unde: – capacitatea acumulatorului [Ah];

– sarcina în Ah.

Încărcarea bateriei la un moment oarecare t, când aceasta este supusă procesului de încărcare, este dată de către următorul model [121783]:

Modelul în cazul procesului de descărcare, presupunând randamentul de descărcare ca fiind egal cu 1, este dat de următorul model matematic:

unde: și – încărcarea bateriei la un moment de timp t și t-1;

σ – rata orară de autodescărcare;

– energia totală generată de către sistemul hibrid (atât de către turbina eoliană cât și de cătrePV) ținând cont și de pierderi;

– sarcina la un moment oarecare t;

, – randamentul invertorului respective randamentul de încărcare al bateriei de acumulatori.

Bateria de acumulatori va trebui să îndeplinească următoarele condiții:

unde: – capacitatea nominală cu care acumulatorul poate fi încărcat;

– capacitatea minimă de încărcare funcție de DOD, astfel:

Concluzii

Întreaga civilizație actuală se bazează pe producerea, transmiterea și conversia energiei sub forma ei electrică. Sistemele electrice sunt implicate în toate aspectele vieții moderne. Dispariția energiei electrice de consumat și a sistemelor electrice dedicate să o facă utilizabilă ar produce un colaps în evoluția societății umane. Dar dezvoltarea și evoluția societății umane în ultimii 100 de ani, bazată pe o energie ieftina, se apropie de final. Două sunt cauzele esențiale: epuizarea combustibililor fosili abundenți (și deci ieftini) și poluarea care crește pe măsura utilizării lor tot mai intensive, datorată creșterii populației. Se apropie astfel un punct critic al intersecției curbelor de scădere a resurselor și de creștere a poluării, prevăzut a avea loc în circa 10-15 ani. În consecință procesele de producție și modul de viață bazat pe un consum intensiv și ineficient al energiei, și deci al celei electrice, trebuiesc stopate și înlocuite.

În acest context tema de cercetare privind integrarea surselor regenerabile de energie electrică este de mare actualitate și impact.

Există multiple avantaje ale surselor regenerabile:

mai puține gaze cu efect de seră;

mai puține deșeuri;

reducerea dependenței energetice;

promovarea de tehnologii moderne verzi;

alimentarea facilă a consumatorilor izolați;

noi oportunități pentru mediul de afaceri.

Unele probleme distincte apar în cazul în care instalația care utilizează surse regenerabile este prevăzută să alimenteze un grup de gospodarii izolate sau mici comunități, sau consumatori sensibili ce nu pot fi întrerupți din alimentare, caz în care apar condiții specifice privind:

regimurile de funcționare corelate cu regimurile de exploatare, (relația producție-consum) relativ diferite pentru consumatori distincți;

nivelul optim și condițiile de echipare cu receptoare a diferiților consumatori (optimizarea circuitelor de sarcină);

graficul de producție/consum;

coordonarea relațiilor între diferiți consumatori;

problema disipării și, în consecință, a diminuării interesului la nivel individual privind diferitele aspecte legate de exploatarea instalației.

Utilizarea instalațiilor hibiride eoliene-fotovoltaice reprezintă o serioasă opțiune pentru realizarea acestor obiective.

Totuși, aceste surse de energie au o serie de dezavantaje:

are o densitate energetică redusă (de exemplu, o fermă eoliană de 10 MW ocupă o suprafață de câteva hectare pe când o centrală termică de 10 MW ocupă o suprafață mult mai mică);

producerea de energie electrică are un caracter imtermitent și variabil;

este diluată, adică are o concentrație mică pe unitatea de suprafață;

zonele cu potențial ridicat se pot departe de zonele unde este necesară alimentarea și necesită investiții în transportul energiei electrice produse;

poluarea estetică a mediului;

investițiile mari;

cost relativ ridicat al energiei electrice produse.

Dintre toate aceste dezavantaje cel mai neplăcut îl reprezintă investițiile mari atât în soluția tehnică (panouri fotovoltaice, turbina eoliană, acumulatori etc.) cât și în suprafața de teren necesară aplicării acestei soluții.

[3] Shakyaa, B.D., Lu, A., et.all, “Technical feasibility and financial analysis of hybrid wind photovoltaic system with hydrogen storage for Cooma”, Int. J. Hydrogen Energy 30(1), Pp. 9-20, 2005;

[4] John O. Dabiri, „Potential Order-of-magnitiude Enhancement of Wind Farm Power Density via Counter-rotating Vertical-axis Wind Turbine Array”, Jornal of Renewable and Sustinable Energy, Volume 3, Issue 4, 19 iulie 2011;

[5] Magdi Ragheb, „ Vertical Axis Wind Turbines”, 2013;

[6] Ion Paraschivoiu, „Wind Turbine Design – With Emphasis on Darrieus Concept”, Presses internationales Polytechnique, Quebec, 2002;s

[15] www.bakeri.ee

[16] Hugh Pigott; „How to build a wind turbine”, Scotland, C.A.T Publications, 2003;

[17] www.supermagnete.de

[18] Lucia Dumitriu, Cătălin Dumitriu, ”Bazele Electrotehnicii”, București, 2004;

[19] Gloria Ciumbulea, Neculai Galan, “Mașini și acționări electrice”, București, 2007;

[21]

Ivan Dobrev1,*, Fawaz Massouh “Exploring the Flow around a Savonius Wind Turbine”, 16th Int Symp on Applications of Laser Techniques to Fluid Mechanics

Lisbon, Portugal, 09-12 July, 2012

BIOMASS – AN IMPORTANT RENEWABLE SOURCE OF ENERGY IN

ROMANIA

55 Shi, W., Kim, C. -W., Chung, C. -W., and Park, H. -C., “Dynamic

Modeling and Analysis of a Wind Turbine Drivetrain using the

Torsional Dynamic Model,” Int. J. Precis. Eng. Manuf., Vol. 14, No.

1, pp. 153-159, 2013

(444444) Kalantar, M. and Mousavi G, S. M., “Dynamic Behavior of a Stand-

Alone Hybrid Power Generation System of Wind Turbine,

Microturbine, Solar Array and Battery Storage,” Applied Energy,

Vol. 87, No. 10, pp. 3051-3064, 2010.

44445 Zhou, W., Yang, H., and Fang, Z., “A Novel Model for Photovoltaic

Array Performance Prediction,” Applied Energy, Vol. 84, No. 12,

pp. 1187-1198, 2007.

12131 Dürr, M., Cruden, A., Gair, S., and McDonald, J. R., “Dynamic

Model of a Lead Acid Battery for Use in a Domestic Fuel Cell

System,” Journal of Power Sources, Vol. 161, No. 2, pp. 1400-1411,

2006.

[12717] Diaf, S., Belhamelb, M., Haddadic, M., and Louchea, A., “Technical

and Economic Assessment of Hybrid Photovoltaic/Wind System

with Battery Storage in Corsica Island,” Energy Policy, Vol. 36, No.

2, pp. 743-754, 2008

[121783] Bin, A., Hongxing, A., Hui, S., and Xianbo, L., “Computer Aided

Design for Pv/Wind Hybrid System,” Proc. of the 3rd World

Conference on Photovoltaic Energy Conversion, Vol. 3, pp. 2411-

2414, 2003.

[121793] Borowy, B. S. and Salameh, Z. M., “Methodology for Optimally

Sizing the Combination of a Battery Bank and PV Array in a Wind/

PV Hybrid System,” IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.

11, No. 2, pp. 367-375, 1996

[14144] www.carpatclim-eu.org

EUROPEAN COMMISSION – EUR 21350 – BIOMASS – Green energy for Europe, Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 2005, http://publications.eu.int.

Demirbas A., Recent advances in biomass conversion technologies, Energy Edu Sci Technol 2000;6:19–41.

Demirbas A., Sustainable cofiring of biomass with coal, Energy Conversion and Management 2003;44:1465–79.

Demirbas A., Combustion characteristics of different biomass fuels, Progress in Energy and Combustion Science 30 (2004) 219–230.

Demirbas A., Potential applications of renewable energy sources, biomass combustion problems in boiler power systems and combustion related environmental issues, Progress in Energy and Combustion Science 31 (2005) 171–192.

Tillman DA., Biomass Cofiring: the technology, the experience, the combustion consequences, Biomass Bioenergy 2000; 19:365–84.

Van Loo S. and J. Koppejan, Handbook of Biomass Combustion and Co-firing, Twente University Press, 2002.

Chum H.L., Overend R.P., Biomass and renewable fuels, Fuel Processing Technology 71, 2001, 187–195.

McKendry P., Energy production from biomass (part 1): overview of biomass, Bioresource Technology 83, 2001, 37–46.

McKendry P., Energy production from biomass (part 2): conversion technology, Bioresource Technology 83, 2002, 47–54.

McKendry P., Energy production from biomass (part 3): gasification technology, Bioresource Technology 83, 2002, 55–63.

Meng Ni, Dennis Y.C. Leung , Michael K.H. Leung, K. Sumathy, An overview of hydrogen production from biomass, Fuel Processing Technology 87 (2006), pp. 461 – 472.

V. Arion, C. Bordeianu, A. Boșcăneanu, A. Capacelea, S. Drucioc, C. Gherman Biomasa si utilizarea ei în scopuri energetice, Editura “Garomond- Studio” Ltd, 2008

Badea A., Vodă I., – Dezvoltarea energetică durabilă, Editura AGIR, București, 2006.

Flow Physics of a Three-Bucket Savonius Rotor using Computational Fluid Dynamics (CFD) 1Dr. R. Gupta 2K.K. Sharma IJRMET Vol. 1, Issue 1, Oct. 2011 ISSN : 2249-5762(Online)

[1] www.hydroworld.com;

[2] Renewables 2015 Global Status Report, www.ren21.net;

[3] Renewables 2014 Global Status Report, www.ren21.net;

[4] Eric Martinot, Carmen Dienst, Liu Weiliang, and Chai Qimin, Annual Review of Environment and Resources"Renewable energy futures: targets, scenarios, and pathways" vol. 32;

[5] GWEC – Global Wind Report Annual Market Update 2014, http://www.gwec.net;

[6] GWEC – Global Wind Report Annual Market Update 2014, http://www.gwec.net;

[7] www.transelectrica.ro;

[9] www.opcom.ro;

[10] www.electricafurnizare.ro.