CAPITOLUL 1 SCURTĂ ANALIZĂ A SURSELOR DE ENERGIE REGENERABILĂ 11 1.1 ENERGIA GEOTERMALĂ 11 1.2 ENERGIA SOLARĂ 14 1.2.1 Principiul de funcționare al… [301413]

CUPRINS

CUVÂNT ÎNAINTE 3

INTRODUCERE 4

CAPITOLUL 1 SCURTĂ ANALIZĂ A SURSELOR DE ENERGIE REGENERABILĂ 11

1.1 ENERGIA GEOTERMALĂ 11

1.2 ENERGIA SOLARĂ 14

1.2.1 Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice 17

1.2.2 Tipuri de celule fotovoltaice 19

1.3 ENERGIA EOLIANĂ 21

1.3.1 Conversia energiei eoliene în energie electrică 25

1.3.2 Tipuri de turbine eoliene 26

1.3.2.1 Turbine cu ax orizontal 26

1.3.2.2 Turbine cu ax vertical 27

1.4 ENERGIA APELOR 28

1.4.1 Conversia energiei apei în energie electrică 30

1.5 BIOMASA 31

1.5.1 Conversia biomasei în energie electrică 31

1.6 CONCLUZII 34

CAPITOLUL 2 STUDIUL SISTEMELOR HIBRIDE DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE DIN SURSE REGENERABILE ȘI AL METODELOR DE STOCARE A ENERGIEI……………………………………………………………………………………….35

2.1 OPORTUNITATEA SISTEMELOR HIBRIDE DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE……………………………………………………………………………………………………………..35

2.2 [anonimizat] 35

2.3 [anonimizat] 37

2.4 [anonimizat] 38

2.5 [anonimizat] 42

2.6 [anonimizat] 43

2.7 METODE DE STOCARE A ENERGIEI 45

2.7.1 Metode de stocare a energiei cu aer comprimat 45

2.7.2 Metoda de stocare prin superconductivitate magnetică 46

2.7.3 Metoda de stocare a energiei în supercapacitori 46

2.7.4 Metoda de stocare a energiei în volantă 47

2.7.5 Metode de stocare a energiei în acumulatori cu flux de electrolit 48

2.7.5.1 Acumulatori Vanadiu redox 48

2.7.5.2 [anonimizat] (ZBB) 49

2.7.5.3 [anonimizat] (PSB) 50

2.7.6 Metoda de stocare electrochimică în acumulatori 51

2.7.6.1 [anonimizat] 52

2.7.6.2 [anonimizat] 52

2.7.6.3 [anonimizat] 53

2.7.6.4 [anonimizat] 54

2.8 CONCLUZII 55

CAPITOLUL 3 ANALIZA AMPLASAMENTELOR DE RADIOCOMUNICAȚII . ALEGEREA ȘI DIMENSIONAREA SISTEMULUI HIBRID 56

3.1 ANALIZA UNUI AMPLASAMENT DE RADIOCOMUNICAȚII 56

3.2 PARTICULARITĂȚI ALE AMPLASAMENTULUI STUDIAT 58

3.3 STUDIU COMPARATIV ASUPRA TIPURILOR DE TURBINE EOLIENE. ALEGEREA TURBINEI PENTRU STUDIUL DE CAZ 61

3.4 ASPECTE SPECIFICE TURBINELOR CU ROTOR ELICOIDAl 67

3.4.1 Aspecte privind coeficientul de putere 67

3.4.2 Aspecte privind efectele fluxului de aer asupra turbinei 73

3.4.3 Alte considerații asupra turbinelor eoliene și modelarea matematică a acestora 74

3.4.4 Avantajele turbinei eoliene cu ax vertical 80

3.5 DIMENSIONAREA SISTEMULUI HIBRID 81

3.5.1 Dimensionarea componentei eoliene 81

3.5.2 Dimensionarea componentei fotovoltaice 82

3.5.2.1. Caracteristici energetice ale celulelor fotovoltaice 83

3.5.2.2 Modelarea matematică a panourilor fotovoltaice 83

3.5.2.3 Dimensionarea componentei fotovoltaice 87

3.6 MODELAREA MATEMATICĂ A ACUMULATORILOR 88

3.7 CONCLUZII 91

CAPITOLUL 4 [anonimizat] A SISTEMULUI HIBRID PROPUS 93

4.1 INTRODUCERE 93

4.2 ANALIZA SITUAȚIEI EXISTENTE PRIVIND COMPONENTA EOLIENĂ 93

4.3 ANALIZA SITUAȚIEI EXISTENTE PRIVIND COMPONENTA FOTOVOLTAICĂ. 100

4.4 SITUAȚIA COMPARATIVĂ. DIMENSIONAREA ACUMULATORILOR 102

4.5 SCHEMA FINALĂ A SISTEMULUI 111

4.6 ASPECTE ECONOMICE 112

4.6.1 Investiția inițială 112

4.6.2 Costul branșamentului la rețeaua de distribuție 113

4.6.3 Costul energiei cumpărate de pe piața de energie 118

4.7 CONCLUZII 127

CAPITOLUL 5 SIMULAREA EXPERIMENTALĂ A [anonimizat] 129

5.1 DESCRIEREA STANDULUI EXPERIMENTAL 129

5.2 DATE EXPERIMENTALE 134

5.3 CONCLUZII 138

CAPITOLUL 6 CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PROPRII 139

6.1 CONCLUZII GENERALE 139

6.2 CONTRIBUȚII PROPRII 141

6.3 DEZVOLTĂRI ULTERIOARE 142

BIBLIOGRAFIE 143

Anexa 1 Lista principalelor notații și abrevieri…………………………………………………151

Anexa 2 Lista figurilor………………………………………………………………………….153

Anexa 3 Lista tabelelor…………………………………………………………………………156

CUVÂNT ÎNAINTE

Resursele regenerabile reprezintă unica soluție pentru a limita poluarea mediului înconjurător și pentru a reduce dependența de combustibilii fosili, probleme care pun sub semnul întrebării viitorul umanității. Sectorul energetic este unul dintre marii poluatori ai planetei, poluare care are ca efect încălzirea globală, cu un impact negativ major asupra climei. Cererea de energie este în continuă creștere, iar resursele convenționale sunt pe cale de a fi epuizate, de aceea la nivel mondial se investește în cercetarea metodelor de producere a energiei din resurse regenerabile, dar se investește tot mai mult și în noi unități de producere din surse neconvenționale.

Într-o societate care depinde de energie, informație și de rapiditatea cu care aceasta este accesată, rețelele de comunicații sunt într-o continuă dezvoltare și transformare, iar operatorii de telecomunicații încearcă să găsească soluții pentru alimentarea cu energie electrică din resurse regenerabile.

Demersul științific al acestui studiu este de a oferi un posibil răspuns la două dintre cerințele actuale, extrem de importante, ale societății umane, și anume 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 cadrul Departamentului de Producere și Utilizare a Energiei a Facultății de Energetică din cadrul Universității Politehnica București, sub îndrumarea domnului profesor dr. ing. Gheorghe Lăzăroiu, căruia doresc să-i mulțumesc pe această cale pentru sprijinul, recomandările și îndrumările acordate de-a lungul studiilor doctorale.

De asemenea, doresc să mulțumesc domnului profesor dr. ing. Adrian Badea, directorul Școlii doctorale Energetică, domnului profesor dr. ing Horia Necula, Directorul Departamentului de Producere și Utilizare a Energiei a Facultății de Energetică și colegilor din cadrul departamentului.

Sunt recunoascătoare membrilor comisiei de evaluare și susținere publică a tezei de doctorat pentru recomandările, sfaturile și sugestiile competente care m-au ajutat la definitivarea lucrării, în special domnului profesor emerit dr. ing. Valeriu Panaitescu.

Mulțumesc colegilor de serviciu pentru înțelegerea și sprijinul acordat de-a lungul perioadei de pregătire doctorală.

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

INTRODUCERE

În era tehnologiei, comunicațiilor și vitezei, întreaga activitate și dezvoltare a societății umane este direct dependentă de energia electică. Energia electrică este esențială 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 %. De alfel, American Energy Information Administration și International Energy Agency prezice o creștere anuală medie de 2 % a consumului de energie electrică la nivel mondial. Această rată a creșterii presupune că până în anul 2040 consumul de energie se va dubla.

evoluția tehnologiei care va permite creșterea performanțelor în utilizarea resurselor de combustibili fosili, neregenerabili, și 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 că 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 de suprafață și sunt mai ieftine, deoarece nu au nevoie de condițiile speciale necesare fabricării celulelor solare convenționale. Aceste celule din plastic folosesc nanoparticule dipersate într-un polimer.

necesitatea reducerii emisiilor poluante în mediul înconjurător și atingerea unor praguri cât mai înalte de eficiență energetică. La nivel național, acest aspect s-a concretizat prin Legea 121/2014 prin care se stabilește o țintă națională aproximativă de reducere a consumului de energie cu 19 % până în anul 2020 și stabilește cadrul legal pentru aplicarea politicii naționale de creștere a eficienței energetice. În vederea creșterii eficienței energetice se introduce obligativitatea operatorilor economici care înregistrează anual un consum de peste 1 000 tone echivalent petrol de a numi un manager energetic, de a efectua o dată la patru ani un audit energetic pe întreg conturul de consum și de a elabora strategii pe termen scurt, mediu și lung pentru a crește eficiența energetică.

limitarea încălzirii globale. În perioada noiembrie – decembrie 2015 a avut loc la Paris Convenția ONU cu privire la schimbările climatice (CCONUSC) și a douăsprezecea sesiune a Reuniunii părților la Protocolul de la Kyoto (CMP 11) la care guvernele statelor participante au decis încercarea limtării creșterii încălzirii golbale sub 2 °C.

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. În anul 2009, prin Directiva 28, Consiliul și Parlamentul European propun României atingerea unui obiectiv de 24 % privind ponderea energiei din surse regenerabile de energie în consumul final brut de energie până în anul 2020.

Umanitatea, în încercarea de a reduce dependența de combustibilii fosili și de a proteja mediul înconjurător, ceea ce presupune de fapt continuarea și protejarea propriei sale existențe, dezvoltă tot mai mult domeniile ce utilizează resursele 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 fiind 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.[2]

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 instalată global 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 figura 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 figura 5 se pot observa investițiile realzate anual în ultimii zece ani în surse regenerabiile de energie, iar figura 6 prezintă sumele investite anual de în ultimii 10 ani pentru fiecare tip de tehnologie în parte.[2]

Așa cum se poate observa din figura 6, 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.[2]

Cel mai mare investitor mondial în surse regenerabile, ironia face ca acesta să fie și cel mai mare poluator, este China, figura 7, care a investit de la 3 miliarde dolari americani în 2004 la 83,3 în 2014.[2]

România încearcă să sprijine producătorii de energie verde prin acordarea de certificate verzi. Conform datelor ANRE, în 2014 aproximativ 43,17 % din totalul energiei este produs din resurse regenerabile. În tabelul 1 este prezentată evoluția numărului de producători de energie verde, producători recunosuți de către ANRE, iar în figura 8 este prezentată evoluția puterii instalate în surse regenerabile în intervalul 2010 – 2013. [,,9]

Tabelul 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), figura 9.[] Trebuie menționat că aceste date sunt înregistrate începând cu anul 2009[7], după aplicarea ordinului ANRE 59/2009. La secțiunea hidro sunt înscrise numai microhidrocentralele apărute după acest an, iar valorile înscrise în coloanele "TOTAL (MW)", conțin "Puteri din CR" (CR – contract de racordare), "Puteri din ATR" (ATR – aviz tehnic de racordare) și în cazul lucrărilor care nu au necesitat contract de racordare, conțin și valorile "Puteri cu PIF conform emitenți" (PIF – punere în funcțiune), "Puteri cu PIF conform DEN" (DEN – Dispecerul Energetic Național).

Figura 9 Energia regenerabilă în Romania

Având în vedere cele prezentate anterior se poate spune că tema abordată în prezenta lucrare cu privire la sistemele hibride de producere a energiei din surse regenerabile este de actualitate și de importanță deosebită.

În prezenta lucrare se propune alimentarea unui amplasament izolat de radiocomunicații printr-un sistem hibrid fotovoltaic-eolian, cu stocarea energiei în acumulatori Acid-Plumb. Pentru identificarea celei mai bune soluții de alimentare cu sisteme hibride obiectivele tezei sunt următoarele:

realizarea unui studiu bibliografic pentru determinarea zonelor bogate în resurse regenerabile și a distribuției acestora;

analiza tehnologiilor de producere a energiei electrice din surse regenerabile, precum și a mediilor de stocare a energiei electrice;

studiu bibliografic privind sisteme hibride implementate la nivel mondial pentru a sublinia oportunitatea implentării acestor sisteme;

descrierea succintă a consumatorului și a nevoilor acestuia, modelarea matematică a sistemului hibrid fotovoltaic-eolian și dimensionarea sa pentru alimentarea cosumatorului avut în vedere;

analiza disponbilității resursei pentru amplasarea sistemului și oportunitatea investiției;

analiza experimentală a unui sistem hibrid pentru a vedea dacă acesta poate genera parametrii ceruți de consumator.

Teza este structurată în șase capitole și bibliografie care conține 191 de referințe.

Capitolul 1 – Scurtă analiză a surselor de energie regenerabilă. Sunt prezentate sursele de energie regenerabilă, disponibilitatea acestora atât la nivel național, cât și la nivel mondial, precum și modalitățile de conversie a energiei regenerabile în energie electrică și eficiența acestora. Sursele de energie care se încadrează în categoria regenerabile sunt energia geotermală, energia solară, energia eoliană, energia apelor și biomasa.

Capitolul 2 – Sisteme hibride de producere a energiei electrice din surse regenerabile și metode de stocare a energiei. Prin analiza bibliografică sunt prezentate exemple de sisteme hibride aflate în exploatare la nivel mondial, și anume: sistem fotovoltaic-eolian aflat în exploatare în Tariat, Mongolia; sistem fotovoltaic-eolian cu pile de combustie aflat în exploatare în Cooma, Australia; sistem fotovoltaic-hidro, utilizat pentru alimentarea mai multor sate în Vitenam; sistem eolian-pile de combustie (în subcapitolul dedicat sistemului eolian-pile de combustie sunt analizate și tipurile de pile de combustie), implementat în Utsira, Norvegia; sistem eolian-hidro, aflat în exploatare în insula Ikaria, Grecia; sistem fotovoltaic-biogaz, implementat în Asia la o fermă de animale. Tot prin analiză bibliografică, în vederea alegerii celei mai bune soluții, sunt prezentate modalitățile de stocare a surplusului de energie produs și modul de funcționare, și anume: metode de stocare cu aer comprimat, metode de stocare prin superconductivitate magnetică; în supercapacitori, în volante, metode de stocare electrochimică în acumulatori (Acid-Plumb, Nichel-Cadmiu, Litiu-ion, Sodiu-Sulf) și în acumulatori cu flux de electrolit (Vanadiu redox, Zinc-Brom, Polisulfură-Brom.

În Capitolul 3 – Analiza amplasamentelor de radiocomunicații. Alegerea și dimensionarea sistemului hibrid de alimentare cu energie electrică, sunt prezentate modul de funcționare al unui amplasament de comunicații, aspectele specifice alimentării cu energie electrică ale unui astfel de amplasament și aspectele specifice amplasamentului dorit a fi alimentat precum caracteristicile echipamentelor instalate, curba de consum de-a lungul a cinci ani, puterea instalată, estimarea consumului viitor. Tot în aceast capitol se realizează dimensionarea componentei eoline și este propus un anumit tip de turbină eoliană, cu rotor elicoidal. Pentru a argumenta alegerea este realizat un studiu comparativ asupra tipurilor de turbine eoline, cu accent asupra performanțelor acestora. În scopul suținerii tipului de turbină ales, este realizată o analiză orară pe o perioadă de șase luni, a direcției din care bate vântul în locul unde se dorește amplasarea turnului de comunicații. Prin analiză bibliografică sunt prezentate aspecte importante privind modul de funcționare al tubinelor cu rotor elicoidal, coeficientul de putere, tipuri de pale elicoidale, efectele fluxului de aer aspura palelor, modelarea matematică a turbinei, precum și avantajele turbinei eoliene cu rotor elicoidal.

În acest capitol este dimensionată și componenta solară a sistemului, este prezentată modelarea matematică a panourilor fotovoltaice și sunt detaliate caracteristicile energetice ale acestora.

Într-un ultim subcapitol este prezentată modelarea matematică a acumulatorilor, fără a se realiza însă dimensionarea acestora.

În Capitolul 4 – Analiza tehnico-economică a sistemului hibrid, s-a realizat o analiză a datelor meteorologice din zona unde se dorește amplasarea sistemului privind disponibilitatea resurselor, solară și eolină, sunt prezentate variații ale vitezei vântului și radiației solare pe o perioadă de cinci ani; datele analizate pentru primii ani sunt situate la intervale de trei ore, iar pentru ultimul an sunt analizate date orare. Sunt analizate variațiile puterii și energiei produse de către fiecare componentă în parte, situația comparativă a energiei generate de către fiecare componentă, dar și parametrii generați de întregul sistem; de asemenea sunt prezentate diferite date statistice importante la dimensionarea și funcționarea sistemului.

În acest capitol sunt dimensionați și acumulatorii pe baza ecuațiilor matematice din Capitolul 3 și în funcție de perioada cea mai lungă în care sistemul fotovoltaic – eolian nu produce suficientă energie electrică pentru a alimenta consumatorul. Având și acumulatorii dimensionați, este realizată schema finală a sistemului, o turbină eolină cu rotor elicoidal cu puterea instalată de 10 kW, 60 de panouri foltovoltaice cu puterea de 300 de W, 8 acumulatori Acid-Plumb de 12 V-100 Ah, două invertoare, un regulator de tensiune eolian și unul solar.

În încheierea Capitolului 4 este realizată o analiză economică a sistemului. Astfel, este arătat costul învestiției inițiale și este comparat cu un cost potențial al realizării lucrărilor de branșare la rețeaua publică de distribuție. De asemenea este avută în vedere și economia pe care o realizează consumatorul din faptul că nu mai plătește energia electrică consumată către un furnizor. Pentru aceasta este realizată o analiză a evoluției prețului kWh și a componetelor prețului pe o perioadă de șase ani,

Capitolul 5 – Simularea experimentală a unui sistem hibrid. În acest capitol s-au realizat diferite simulări pe standul experimental al Universității Polithenica din București pentru a determina modul de comportare al unui sistem hibrid. Au fost obținute date experimentale în cazul variației vitzei vântului, a radiației solare, în cazul în care alimentarea cu energie electrică este realizeată de către acumulatori, au fost analizați paramentrii la care sunt alimentați consumatorii. În urma acestor experimente se poate concluziona că sistemul fotovoltaic – eolian poate asigura consumatorului paramentrii necesari funcționării normale și continue.

Ultimul capitol Capitolul 6 – Concluzii și contribuții proprii este destinat concluziilor generale ale tezei și sunt subliniate contribuțiile proprii autoarei la dezvoltarea domeniului; de asemenea sunt propuse câteva dezvoltări ulterioare.

În încheiere este prezentată lista de referințe bibliografice.

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 și clasificări în funcție de condițiile geologice, geofizice sau chimice.

Clasificarea surselor geotermale, conform Consiliului 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; aceste zăcăminte se mai numesc și hidro-geotermale și conțin cantități suficiente de fluid, în straturi de roci cu porozitate mare, și pot fi extrase. La rândul lor acestea pot fi împărțite în:

a. zăcăminte de entalpie joasă cu temperaturi mai mici de 150 °C la adâncimea de 1 km;

b. zăcăminte de entalpie înaltă cu temperaturi mai mari de 150 °C la adâncimea de 1 km.

Zăcămintele geotermale se găsesc în apropiere zonelor de contact dintre plăcile tectonice, zone tectonice și vulcanice active; localizarea lor la nivel global se poate vedea în figura 1.1, iar în România în figura 1.2.

Figura 1.1 Localizarea sistemelor geotermale majore []

Figura 1.2 Localizarea zăcămintelor geotermale din Romania [12]

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 soluții de producere a energiei electrice din resursa geotermală:

producerea energiei din abur saturat uscat, figura 1.3. În acest caz starea zăcământului geotermal este în domeniul aburului saturat umed, în sonda de extracție se continuă procesul de vaporizare, fluidul ajunge la starea 1 abur uscat saturat, urmează procesul ireversibil de destindere adiabatică în turbina (T) care antrenează generatorul electric(GE), la ieșirea din turbină aburului ajunge în condensatorul (C) unde este condensat, starea 2’, acest fluid saturat este răcit în turnul de răcire (TR), o parte va fi reutilizată de condensator restul va fi evacuat. Randamentul sistemului este de aproximativ 50 %.

producerea energiei electrice din abur saturat umed (starea 1) în centrale electrice cu o laminare, figura 1.4. Aburul saturat umed este transportat printr-o conductă în separatorul (S), de unde aburul saturat uscat cu starea 1’’ este condus la turbină (T) care antrenează generatorul electric (GE), aburul saturat cu starea 1’ care a trecut prin separator este reinjectat sau este evacuat din sistem. Aburul umed turbionat, starea 2, este condus în condensator (C) unde condensează, condensatul, starea 2’’ este răcit în turnul de răcire (TR). Randamentul sistemului este de aproximativ 40 %.[12]

producerea energiei electrice în centrale cu două laminări (fig. 1.5). Procesul este similar celui care are loc în centralele cu o singură laminare; în acest caz fluidul saturat care iese din separator (S) este laminat și trecut prin separatorul de condens (SC) unde vaporizează din nou. Aburul saturat uscat, starea 2’’, este destins în treptele de joasă presiune ale turbinei (T); o astfel de turbină are 5-6 trepte. Aburul provenit direct de la separtor intr[ în prima treaptă a turbinei, iar cel provenit de la SC este introdus între a doua și a treia treapta. Randamentul este cuprins undeva între 50-55 %.[12]

producerea energiei electrice în centrale cu fluid secundar (fig. 1.6). Fluidul secundar se încălzește de la fluidul primar (fluid geotermal) în vaporizator (V), până la temperatura de saturație, vaporii saturați uscați destinde în turbina (T) care antrenează generatorul electric (GE). Vaporii supraîncălziți ce ies din turbină se răcesc până la temperatura de saturație și condensează în condensatorul C, transferând căldură fluidului de răcire, care la rândul său se răcește în turnul de răcire (TR) și care este retransmisă de pompa de circulație (PC) în condensator (C). Fluidul saturat este comprimat până la presiunea de vaporizare de către pompa (P).[12]

Figura 1.7 Centrale electrice cu separatoare bifazice rotative

producerea energiei electrice în centrale cu separatoare bifazice rotative (fig. 1.7). Entalpia fluidului geotermal este transformată în energie cinetică de către ajutajele bifazice (1). Laminarea în aceste ajutaje conduce la o scădere a presiunii amestecului bifazic. Astfel, o nouă cantitate de fluid vaporizează, crescând volumul amestecului. Acest amestec se destinde și accelerează antrenând picăturile foarte mici de fluid, ceea ce produce o creștere a energiei cinetice a curentului bifazic de fluid. Acest curent este împins tangențial la suprafața interioară separatorului rotativ (2). Parte din energia cinetică a fluidului este utilizată la antrenarea generatorului electric (GE), celalată parte a fluidului sub acțiunea forței centrifuge este împinsă în peretele separatorului. Separatorul rotește odată cu fluidul, deci aburul saturat uscat este separat și eliminat pe fereastra de evacuare, iar apoi este condus în turbina cu abur (T). Lichidul aflat în zona ajutajelor de intrare ajunge la turbina hidraulică (3) prin niște orificii ale discului. Turbina hidraulică anternează generatorul electric (GE2), iar lichidul refulează pe suprafața rotorului de transfer (4) de unde este preluat de difuzorul staționar (5). În (5) energia cinetică a lichidului este transformată în energie potențială pentru a ajunge la parametrii necesari reinjecției în sistem.[12]

1.2 ENERGIA SOLARĂ

Soarele este considerat o sursă inepuizabilă de energie deoarece durata sa de viață este estimată la 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:

Energia termică unitară solară reprezintă energia primită de la Soare pe o suprafață de 1 m2, măsurată la nivelul suprafeței terestre, perpendicular pe direcția razelor solare.

Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică solară, pe o suprafață de 1 m2, măsurată în atmosferă, în straturile superioare ale acesteia, perpendicular pe direcția razelor. Valoarea constantei solare, general acceptată, este de 1350 W/m2 și reprezintă o valoare medie anuală, obținută cu ajutorul sateliților. În realitate, radiația solară la limita superioară a atmosferei suferă de-a lungului anului variații de ±3 % din cauza diferențelor dintre distanța Pâmânt-Soare.

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 care 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 între cele două sunt considerate neglijabile, indiferent de orientarea suprafeței receptoare.

Astfel, radiația solară este influențată de următorii parametri:

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 1.8. 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 1.9 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.[13] În figura 1.10 se observă variația radiației solare în România în funcție de luna calendaristică.

Mai jos sunt prezentate hărți ale intensității solare în lume (fig. 1.11) și în Romania (fig. 1.12), hărți disponibile online.

Figura 1.11 Harta intensității solare în lume []

Figura 1.12 Harta intensității solare în România[]

1.2.1 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 %. Siliciul (Si) 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, se numește bandă energetică de conducție 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. 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.

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 numită jocțiune de tip P-N.

Datorită diferenței de potențial electric care apare în zona joncțiunii P-N, electronii execedentari au 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 sunt limitate de nivelul energetic al purtătorilor de sarcini electrice. Din această cauză nu se realizează niciodată un echilibru la nivelul sarcinilor electrice în profunzimea celor două straturi, o zonă superficială din stratul P este ocupată de sarcini electrice negative (electroni), iar o zonă superficială din stratul N, este ocupată de sarcini electrice pozitive (goluri). Ca efect, se 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 spre stratul N și viceversa. Sarcinile electrice libere sunt respinse din zona de joncțiune către straturile cărora aparțin și se deplasează către zone opuse.

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) transferă electronilor situați pe straturile de valență suficientă energie pentru a deveni electroni liberi, adică se deplasează pe straturile de conducție.

Diferența internă de potențial produsă local la nivelul joncțiunii P-N are un efect asupra electronilor liberi care sunt situați pe stratul N și care sunt respinși spre suprafața stratului N al joncțiunii, iar efecutul asupra electronilor liberi care sunt situați în stratul stratul P , aceștia sunt atrași spre zona de joncțiune și o vor traversa. Electronii care ajung în stratul N sunt respinsi spre suprafața acestui strat. Deoarece în urma migrării pe stratul de conducție, sub acțiunea radiației solare, fiecare electron liber lăsă în urmă un gol (sarcină electrică pozitivă) în structura atomului din care a plecat se formează 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 traversează și odată ajunși în stratul P sunt respinși spre suprafața acestui strat, iar golurile formate în stratul P sunt 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 s-a descris mai sus, la nivelul suprafețelor exterioare ale joncțiunii se realizează o polarizare electrică. În cazul în care aceste suprafețe exterioare sunt acoperite cu un strat metalic, fiecare fiind de fapt un electrod, apare o diferență de potențial care într-un circuit închis conduce la apariția curentului electric. Această diferență de potențial, precum și curentul electric, sunt produse atâta timp cât există radiație solară, orice variație a intensității sale 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.

1.2.2 Tipuri de celule fotovoltaice

Așa cum s-a 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 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 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. 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, foaie de sticlă. Culoarea acestor celule este gri. Au un randament scăzut la intensități mari ale radiației solare, dar au randament mai bun în cazul unei iluminări slabe (randamentul energetic este de aproximativ 8 %). Costurile de producție sunt mici comparativ cu alte tipuri de celule, însă se degradează într-un timp relativ scurt 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 un spectru mai larg al radiației electromagnetice, aspect important deoarece duce la producerea unei cantități mai mari 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.[]

În figura 1.13 sunt prezentate cele mai uzuale tipuri de celule fotovoltaice.

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

În tabelul 1.1 este detaliată eficiența diferitelor tipuri de celule fotovoltaice, precum și domeniul lor de aplicare. Variația randamentelor în funcție de tipul constructiv al celulelor se poate observa și în figura 1.14.

Tabelul 1.1 Randamentul diferitelor tipuri de celule fotovoltaice și domeniul de aplicare[]

Figura 1.14 Grafic comparativ privind randamentul diferitelor tipuri de celule fotovoltaice[17]

1.3 ENERGIA EOLIANĂ

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 se 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 114609 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.[5]

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 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.

Parametrii 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 în 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.

vitezele extreme – sunt luate în calcul atât la proiectarea structurii de rezistență a turbinei (atât a stâlpului cât și a fundației de beton), 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.

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. Mai jos sunt prezentate hărți ale potențialului eolian din țara noastră (fig. 1.16, 1.17) și harta globală a vitezei vântului (fig. 1.18).

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

Figura 1.17 Harta vânturilor pentru România realizată de MegaJoule []

Figura 1.18 Harta globală a vitezei vântului[]

1.3.1 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 în [kg/s].

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 unitare, pe m2, a vântului,

[kW/m2]. (1.4)

Deci, puterea unei turbine eoline depinde de viteza vântului și variază proporțional cu puterea a treia a acestuia. Puterea nominală a turbinei eoliene 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 al palelor, a suprafeței lor etc.), iar la viteze foarte mari ale vântului, viteze ce depășesc viteza maximă admisibilă, funcționarea turbinei trebuie 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, coeficientul de putere, 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 și presupunând o viteză a vântului de 8 m/s care trece printr-un rotor cu diametrul de 100 m se obține o cantitate de 77000 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.

1.3.2 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 după o axă verticală și care sunt mai puțin utilizate.

1.3.2.1 Turbine cu ax orizontal

Turbinele cu ax orizontal 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 turbulențe în spatele său, palele sunt amplasate în direcția vântului față de turn, iar pentru a preveni ca ele să fie lovite de turn 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 cu ax orizontal :

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 de a 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 cu ax orizontal:

sunt greu de manevrat când sunt vânturi 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 asupra păsărilor.

1.3.2.2 Turbine cu ax vertical

Turbinele cu ax vertical au rotorul așezat vertical, generatorul amplasat la baza tunului și de obicei au înălțimi mai mici 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 cu ax vertical

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

Există mai multe tipuri de turbine cu ax vertical, 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 un 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 diverse 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 la 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 folosi vele ce se pot închide sau deschide în funcție de viteza vântului.[22-]

Avantaje ale turbinelor cu ax vertical:

la puteri mici au randamente mai mari decât turbinele cu ax orizontal;

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 este 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 cu ax orizontal asupra populației de păsări.

Dezavantaje ale turbinelor cu ax vertical:

unele dintre aceste tipuri de turbine produc doar jumatate din energia pe care o produc cele cu ax orizontal, 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 ancore pentru fixarea lor pune stres pe bază. Pentru a rezolva această problemă este nevoie de o suprastrucutură necesară eliminarii parâmelor; această suprastructură crește costurile de instalare.

1.4 ENERGIA APELOR

Apa este cea mai importantă sursă de energie electrică 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. 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 1.2 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 sunt distribuite pe întreaga suprafață a țării.

România nu dispune de resurse de apă însemnate (o țară cu resurse energetice semnificative este Norvegia unde aproximativ 95 % din producția de energie este din surse hidroenergetice); aceast lucru este cauzat de faptul că rețeaua cursurilor de apă se formează la altitudinea de 1400-1 500 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 mărime, este prezentată în tabelul 1.3:

Tabelul 1.3 Tipuri de hidrocentrale

Deoarece investiții în România nu se mai realizează în prezent decât în MHC, mai jos sunt prezentate principalele componente ale unei MHC (fig 1.22):

• 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 electrice produse 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, Q, care ajunge în turbine. Căderea de apă determină energia potențială disponibilă a unei amenajări hidroenergetice. Puterea brută teoretică disponibilă poate fi apoi calculată cu relația simplificată

(1.5)

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

Figura 1.22 Secțiunea longitudinală a unei MHC

1.5 BIOMASA

Biomasa reprezintă partea biodegradabilă a oricărui tip de deșeuri, industriale, urbane, agricole și forestiere, deci include toată materia organică produsă prin procesele metabolice ale organismelor vii. Energia din biomasă este îmagazinată sub formă chimică în toate produsele de origine animală sau vegetală. Aceasta 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 de 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 16250 TWh și este estimată la 146 miliarde de tone pe an, reprezentând de regulă biomasă solidă provenită din plante sălbatice cu distribuție locală sau regională. Culturile de fermă și copacii pot produce până la 20 de tone per acru de biomasă pe an. Unele tipuri de alge și ierburi pot produce 50 de tone pe an. []

România are un potențial energetic mare din acest din acest punct de vedere evaluat la aproximativ 7600 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 ecuația chimică reprezentând ciclul carbonului în natură, figura 1.23.

Figura 1.23 Ciclul carbonului în natură

De regulă, pentru a putea produce energie, căldură sau pentru a putea fi folosită drept combustibil pentru autovehicule, biomasa trebuie să fie transformată în combusibil solid, lichid sau gazoscombusibli; există și cazuri în care pentru obținerea de energie sau căldură arderea directă este potrivită. Conversia biomasei în combustibil se realizează prin procese mecanice, termice sau biologice; acestea sunt explicitate în schema din figura 1.24.

Figura 1.24 Căile de conversie a biomasei []

Figura 1.25 Diagrama Van Krevlen pentru diferiți combustibili fosili

Pentru a 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 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 gazeificare, în acest caz are loc transferul maxim de energie chimică de la biomasă la gazul rezultat. [29]

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.[29]

Digestia anaerobă este proces biochimic care are loc în absența oxigenului și în care 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.

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.

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. [29]

Etapele de mai sus pot avea loc doar dacă biomasa nu conține amoniac în concentrație mare, nu există sulfuri solide, 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 22000 kJ/m3N. [29]

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.[29]

CONCLUZII

Utilizarea pe scară cât mai mare a resurselor regenerabile devine o necesiate în contextul schimbărilor climatice din ultimii ani care au afectat societatea umană, dar au avut un impact major asupra ecosistemelor naturale. Umanitatea pentru a-și proteja propria existență trebuie să limiteze încălizrea globală, este imperios să reducă poluarea și să crească eficiența energetică. Aceste deziderate se obțin numai prin utilizarea cât mai largă a resurselor regenerabile și prin creșterea randamentelor tehnologiilor care transformă sursa regenerabilă în energie electrică.

În Capitolul 1 s-a prezentat distribuția și disponibilitatea surselor regenerabile de energie și a principalelor metode de conversie a resursei regenerabile în energie electrică. S-au avut în vedere aceste aspecte deoarece rețelele de comunicații au o răspâdire vastă și s-au analizat posibilitatea alimentării acestora din mai multe tipuri de sisteme hibride. Un amplsament de comunicații poate fi instalat lângă o centrală care produce energie din biomasă sau poate fi poziționat într-o zonă bogată în resurse geotermale; astfel aceste surse regenerabile ar putea fi utilizate pentru alimentarea consumatorului propus. Maturitatea tehnologiei prin care se obține energia electrică este importantă ținând cont de natura consumatorului; amplasamentele de comunicații nu suportă întreruperi în funcționare.

Conform celor prezentate în prezentul capitol, România dispune de resurse regenerabile însemnate și variate, se poate susține că țara noastră are posibilitatea de a utiliza toate tipurile de resurse regenerabile: solară, eoliană, hidro, biomasă și geotermală. Din studiul bibliografic realizat pentru elaborarea acestui capitol se poate concluziona că tehnologiile existente, de exploatare ale acestor tipuri de resurse, sunt suficient de mature pentru a putea alimenta un amplasament izolat de radiocomunicații. Alegerea celei mai bune soluții tehnice se realizează în funcție de zona unde se dorește instalarea cosnsumatorului și de necesitățile acestuia. Indiferent că se alege ca soluție de alimentare o turbină eoliană, panouri fotovoltaice, o microhidrocentrală sau orice altă variantă de sistem hibrid, tehnologia face posibilă obținerea energiei electrice, iar la problema de ordin tehnic se adaugă și o problemă de ordin economic.

CAPITOLUL 2

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

2.1 OPORTUNITATEA SISTEMELOR HIBRIDE DE PRODUCERE A ENERGIEI ELECTRICE

Energy Information Administaration estima la sfârșitul anului 2014 că aproximativ 80,34 % din energia consumată la nivel modial era obținută din combustibili fosili (34,88 % petrol, 17,99 % cărbune, 27,49 % 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 electrice 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 a putea 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 combustibili 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 prezentată una dintre cele mai simple configurații ale unui sistem hibrid fotovoltaic-eolian de producere a energiei electrice.

Figura 2.1 Sistem hibrid fotovoltaic-eolian [34]

O altă configurație a unui sistem hibrid fotovoltaic-eolian este cea din figura 2.2 care în plus conține o pilă de electrică cu hidrogen. Modul de funcționare este similar cu cel descris mai anterior, 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 în pila de combustie și utilizat pentru a produce energie electrică atunci când celelalte două componente nu acoperă necesarul solicitat de către consumator.

Figura 2.2 Sistem hibrid fotovoltaic-eolian cu pile de combustie[]

SISTEM HIBRID FOTOVOLTAIC-HIDRO

Schema unui sistem hibrid fotovoltaic-hidro este prezentată în figura 2.3. Principalele componente ale unui astfel de sistem sunt:

panoul fotovoltaic cu puterea de 400 W;

controlerul de sistem PL 60;

turbina hidro MT 400;

bateriile de acumulatori: 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 hibrid fotovoltaic-hidro[]

În practică un astfel de sistem hibrid fotovoltaic – hidro (figurile 2.4 și 2.5) 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)[34]

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 celule 2 V-1400 Ah;

invertor 100 kVA;

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

controller de sistem[].

Figura 2.5 Schema sistem hibrid fotovoltaic-hidro implementat în Vietnam[34]

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

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. Cel mai mare astfel de sistem se află în exploatare în Utsira, Norvegia.

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 (fig 2.6) își începe funcționarea dacă puterea produsă de către componenta eoliană a sistemului depășește 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 este utilizat în întregime, sistemul are un mare dezavantaj, și anume, întreruperi dese în funcționarea electrolizorului care îi scăde 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 (fig. 2.7) încearcă depășirea dezavantajului sistemului cu punct de operare variabil, când electrolizorul pornea și se oprea repetat, prin asigurarea funcționării constante, la putere nominală pe perioade de timp mai lungi. De asemenea acest model asigură livrarea de energie la consumator în funcție de necesitățile sale. Pentru aceasta s-au instalat la sistemul cu punct de operare variabil baterii de acumulatori pentru a stabiliza și asigura electrolizorului condițiile de putere necesare funcționării constante. Trebuie menționat că electrolizorul pornește dacă bateriile sunt încărcate peste 95 % și se oprește 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 încărcă acumulatorii. Există trei situații de funcționare ale acestui sistem:

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

dacă energia produsă este mai mică decât necesarul funcționării, bateriile compensează diferența:

dacă nu există excedent de energie, electrolizorul funcționază pe bateriile de acumulatori.

Când necesarul de energie electrică a consumatorului nu este satisfăcut de către componenta eoliană, pila de combustie trebuie să asigure diferența, dacă hidrogenul stocat este suficient [35].

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 sub formă de hidrogen și livrarea 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 2.9 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 turbinată 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 (fig. 2.10 a) ) – în acest caz toată cantitatea de apă turbinată 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 se consideră t-randamentul total de funcționare al CHE și p-randamentul de pompare energiile sunt date de ecuațiile:

(2.1)

. (2.2)

Amenajarea trebuie să îndeplinească condiția Et/Ep > 1, atunci:

(2.3)

în circuit închis (fig. 2.10 b) ) – pentru acest tip de amenajare conducta forțată este folosită pentru turbinare, dar și pentru pompare, deci spre deosebire de amenajările în circuit deschis turbinarea 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 turbinare este aproximativ egală cu cea de pompare, așa că randamentul global este 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 2.11 este prezentată schema unui sistem hibrid eolian-hidro utilizat în Grecia, în insula Ikaria, care produce aproximativ 23 GWh/an[].

Figura 2.11 Sistem hibrid eolian – hidro implementat în Grecia

Componentele acestui sistem sunt:

turbină eoliană;

trei turbine Pelton;

stație de pompare a apei.

SISTEM HIBRID FOTOVOLTAIC-BIOGAZ

Sistemul hibrid fotovoltaic-biogaz ce urmează a fi descris în rândurile următoare este implementat încă din 2004 în Asia (fig. 2.12, 2.13). 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 acumulare subterană. Atunci când rețeaua sau consumatorul au 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. [40]

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 2700 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 relativ 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.[]

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 hidrogen, 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 %[42], iar un alt avantaj îl constituie durata mare de viață și capacitatea de a absorbi sau de a injecta cantități mari de energie, în intervale foarte scurte de timp. Evident costurile sunt foarte mari, de aceea nici nu este foarte utilizată această metodă.

Metoda de stocare a energiei în supercapacitori

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.[]

Figura 2.15 Schema de principiu a metodei de stocare în supercapacitori

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. Cel 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.[48]

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

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 un motor electric, iar întreaga structură este amplasată în vacuum pentru a reduce frecarea cu aerul.[] Schema de funcționare este prezentată în figura 2.16. []

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

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 de rotații 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 volantă

În figura 2.17 este prezentată schema unui sistem hibrid eolian-generator diesel cu stocarea energei electrice în volantă.

2.7.5 Metode de stocare a energiei în acumulatori cu flux de electrolit

2.7.5.1 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 electroliții 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. În figura 2.18 este prezentată structura unui acumulator cu electroliți de vanadiu.

Deci, acest tip de acumulator are la bază faptul că vandiul poate exista în patru stări de oxidare, doarece 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 1000 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.

Figura 2.18 Structura unui VRB []

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

2.7.5.2 Acumulator Zinc-Brom (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 sunt convetiți în în electrodul pozitiv și reacționează cu celelalte materii organice, transformându-se 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 foarte subțire, poroasă, de poliolefină.[] În figura următoare (fig. 2.19) se observă tipul constructiv al acumulatorului ZBB.

Figura 2.19 Structura unui ZBB []

Acumulatorul ZBB poate fi utilizat pentru aplicații mari; există pe piață acumulatori de 1 MWh, 3 MWh ce au capacitatea de a asigura puterea 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 rezistă până la 2000 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.

2.7.5.3 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 separați prin membrane de polimer care permit doar trecerea ionilor pozitivi de sodiu. În timpul procesului de încărcare ionii de brom sunt transformați în în electrodul pozitiv. În electrodul negativ particulele dizolvate de ioni de sulf, din electrolitul de polisulfură sunt reduși la ioni de sulfură, Procesul de descărcare presupune reacțiile inverse (fig. 2.20). Puterea nominală și capacitatea de energie a acestor sisteme poate fi de 15 MW și 120 MWh și au un ciclu cu o durată de până la 10 h. []

Figura 2.20 Structura unui PSB []

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 ducând la eliberarea acestuia în mediul înconjurător.[]

2.7.6 Metoda de stocare electrochimică în acumulatori

Bateriile de acumulatori constituie 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 fie o combinație între cele două. Tipul de conexiune (serie/paralel) se realizează astfel încât să se obțină nivelul de tensiune dorit.

Figura 2.21 Principiul de funcționare al acumulatorilor

Fiecare celulă/acumulator este realizată din doi electrozi conductori și un electrolit, amplasate 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 2.21.[]

Acumulatori Acid-Plumb

Acest tip de acumulatori este fabricat din celule stiviuite și scufundate într-o soluție diluată 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 rezultând sulfat de plumb (PbSO4). Pe parcursul ciclului de încărcare electrozii revin la starea inițială. Schema de principiu a acumulatorilor Acid-Pb se observă în figura 2.22.

Reacțiile care au loc la electrozi sunt:

anod (): Pb(s) + → PbSO4 +

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

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

Reacțiile RedOx care au loc în interiorul acumulatorului în timpul proceselor de încărcare-descărcare deterioreză electrozii. Durata de viață a acumulatorilor este de 1200-1800 de cicluri, în funcție de pragul minim de descărcăre (DOD-depth of discharge), iar randamentul lor este cuprins între 75 și 80 %.

Constructiv există două tipuri de acumulatori Acid-Plumb:

acumulatori cu fluid – reprezintă 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. De asemenea, 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%, de aceea se pretează pentru sisteme unde este necesară stocarea energiei pe perioade lungi de timp. Din păcate durata scurtă de viață nu este singurul dezavantaj, au nevoie de mentenanță periodică, mai ales cele cu fluid. Energia specifică și puterea sunt reduse, aproximativ 30 Wh/kg, respectiv 180 W/kg.

2.7.6.2 Acumulatori Nichel-Cadmiu

Structura unui acumulator Nichel-Cadmiu este prezentată în figura 2.23. Principalele componente așa cum se poate deduce din denumirea lor o reprezintă electrozii cu sarcină pozitivă și negativă confecționați din nichel, respectiv din 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.

Reacțiile care au loc la electrozi sunt:

anod (−): Cd + 2O → Cd(OH)2 +

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

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

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.

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 3500 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 50000 de cicluri. 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.

2.7.6.3 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 plăci 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. Structura unui acumulator Li-ion este cea din figura 2.24. []

Reacțiile care au loc la electrozi sunt:

anod (): C + xLi+ + x ↔ CLix

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

reacția globală: LiCo O2 + 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 îl 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 20 ms pentru încărcare a 90 % din puterea nominală a acumulatorilor. Durata lor de viață este de aproximativ 3500 de cicluri, iar eficiența este de aproximativ 78 %.[]

Acești acumulatori pot fi folosiți acolo unde factorii importanți 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 putere mare.

Anodul acestor acumulatori este confecționat din sodiu, Na, 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 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 (fig. 2.25) [] și pot funcționa fără a li se reduce performanțele la temperaturi de 350 șC [], eficiența lor este de aproximativ 85 %, au o durată mare de viață, densitatea de energie este de 151 kWh/m3 []. Un alt avantaj îl constituie faptul că aproximativ 99 % dintr-un asemenea acumulator se poate recicla.

CONCLUZII

Combustibilii tadiționali, fosili nu numai că reprezintă o sursă majoră de poluare, dar sunt epuizabili. Resursele de cărbune, păcură și gaz vor scădea considerabil din cauza creșterii consumului de energie electrică la nivel mondial. American Energy Information Administration estimează că până în anul 2040 consumul gobal de energie electrică se va dubla. Resursele regenerabile reprezintă o soluție pentru problemele de mediu ale umanității și o alternativă la combustibilii fosili, însă au un mare dezavantaj, au un caracter variabil și intermintent. O soluție la aceste neajunsuri o reprezintă sistemele hibride. Utilizează mai multe tipuri de resurse regenerabile pentru alimentarea aceluiași consumator și încearcă uniformizarea curbei de consum cu cea de producție.

Prin analiză bibliografică s-au prezentat mai multe tipuri de sisteme hibirde și diferite metode de stocare a energiei electrice în vederea stabilirii maturității tehnologiilor ce pot fi utilizate la alimentarea amplasamentului de radiocomunicații, dar și pentru a putea determina cea mai bună soluție pentru amplasamentul avut în vedere.

Sistemele hibride sunt implementate la nivel mondial pentru alimentarea cu energie electrică a consumatorilor izolați sau pentru a livra energie la rețeaua publică de distribuție. În acest capitol s-au prezentat soluții hibride aflate în exploatare în Mongolia, sistem fotovoltaic-eolian; în Australia, sistem fotovoltaic-eolian cu pile de combustie; în Vietnam, sistem fotovoltaic-hidro; în Grecia, sistem eolian-hidro; în Norvegia, eolian-pile de combustie și un sistem hibrid fotovoltaic-biogaz implementat în Asia.

Sistemele hibride pentru a satisface nevoia de energie electrică a consumatorului trebuie să aibă inclus un sistem de stocare. Așa cum s-a menționat anterior, energia pe care o produc este variabilă, de aceea este nevoie ca în perioadele de surplus de energie aceasta să fie stocată și livrată consumatorului în perioadele de gol. Tot stocarea reprezintă o soluție pentru caracterul intermitent al energiei produse; aceasta stabilizează paramentrii energiei livrate. Dintre metodele de stocare analizate, cu aer comprimat, în supercapacitori, în volante, prin superconductivitate magnetică, cea mai viabilă soluție este cea de stocare electrochimică în acumulatori. Celelalte tehnologii sunt fie scumpe, fie mai greu de instalat, fie ambele variante. Există o multitudine de tipuri de acumulatori (Acid-Pb, Ni-Cd, Li-ion, Na-S, Vanadiu redox, Zn-Br, Polisulfură-Br), unele mai scumpe altele mai ieftine, unele cu caracteristici tehnice care se pretează mai bine pentru utilizarea în componența sistemelor hibride.

Din studiul realizat în acest capitol se poate concluziona că sistemele hibride reprezintă tehnologii viabile, care pot funcționa cu succes și pot asigura necesarul de energie al unui consumator care nu este conectat la rețeaua publică de distribuție.

CAPITOLUL 3

ANALIZA AMPLASAMENTELOR DE RADIOCOMUNICAȚII.

ALEGEREA ȘI DIMENSIONAREA SISTEMULUI HIBRID

ANALIZA UNUI AMPLASAMENT DE RADIOCOMUNICAȚII

Comunicațiile reprezintă cea mai importantă caracteristică a epocii în care trăim. Comunicația reprezintă informație; viteza cu care se obține 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 3.1 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 de 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 utilizatori. 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 numită și shelter, care să adăpostească parte din cele enumerate (fig. 3.2). Toate acestea compun 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.

Figura 3.2 Shelter-ul în care se află parte din echipamentele de radiocomunicații
dintr-un amplasament de radiocomunicații []

Amenajarea site-urilor de radiocomunicații depinde de raza de funcționare a unei celule, adică de raza în care un echipament mobil se conectează viabil 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, dar 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.

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 (fig 3.4).[]

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 0,6-0,8 km. Distanțele maxime dintre celule, așa cum s-a 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.[89]

Figura 3.4 Conexiunile unei rețele de telecomunicații []

3.2 PARTICULARITĂȚI ALE AMPLASAMENTULUI STUDIAT

Obiectivul principal al acestui studiu este de a analiza posibilitatea și oportunitatea alimentării unui amplasament izolat de radiocomunicații printr-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, durata admisă de întrerupere în alimentare este de 0 ore. Evident 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 acumulatori. 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 din județul Neamț, greu accesibilă, la o altitudine de aproximativ 1830 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 3.1 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, dar poate fi echipată și cu mai mulți, în funcție de necesitate.[]

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

În figura 3.6 este prezentată variația consumului real (tabelul 3.2) al echipamentelor din amplasamentul studiat în comparație cu valoarea consumului estimat.

Tabelul 3.2 Consumul real al pentru un amplasament similar celui studiat

kWh –

Figura 3.6 Variația consumului real în comparație cu consumul estimat

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

Puterea instantanee absorbită de echipamente este

kW. (3.1)

Puterea minimă este dată de nevoia de funcționare a echipamentelor de comunicații, deci a stației de energie, și nu este nevoie de asigurarea condițiilor de mediu și al iluminatului; astfel:

kW.

În acest caz consumul minim lunar este dat de situația în care puterea este iar echipamentele ar funcționa timp de 24 de ore într-o luna de 28 de zile:

kWh.

Puterea maximă este dată de situația în care toate echipamentele funcționează la puterea nominală,

kW.

În acest caz consumul maxim lunar este dat de situația în care puterea este , iar echipamentele ar funcționa la puterea nominală timp de 24 de ore într-o luna de 31 de zile,

kWh.

În tabelul 3.2 este detaliat consumul lunar al unui amplasament de radiocomunicații similar celui pentru care s-a realizat prezentul studiu, pe o perioadă de cinci ani, consum raportat de către un distribuitor de energie. Trebuie menționat că limitele de mai sus sunt depășite din cauza regularizărilor efecutate de către furnizorul de energie.

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 vântului și alte date meteorologice relevante, precum și direcția din care bate vântul. Datele sunt disponibile online.[-]

În figura 3.10 se pot observa direcțiile din care bate vântul (roza vânturilor) pe o perioadă de șase luni, din luna iulie până în luna decembrie. Acest lucru este important pentru alegerea tipului de turbină eoliană.

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 un amplasament de radiocomunicații 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 prin prisma puterii instalate a cosnumatorului se poate presupune că puterea instalată a turbinei avută în vedere este mică sau 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,

. (3.2)

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 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).

Figura 3.7 Forțele ce acționează asupra palei turbinei[]

Turbinele eoliene produc energie practic prin încetinirea vitezei vântului. Pentru a fi 100 % eficientă o turbină 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 dată de

, (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 este dată de ecuația lui Betz [22],

, (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.

Raportul 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 (fig. 3.8). Această limită este coeficientul de putere teoretic maxim al oricărui tip de turbină. În realitate randamentul unei turbine este de 35-40 %.[22]

Ecuația (3.4) se poate rescrie sub forma:

. (3.5)

Figura 3.8 Variația presiunii și vitezei în cazul unei turbine ideale[22]

Figura 3.9 Diagrama coeficientului de putere pentru mai multe tipuri de turbine eoliene[]

În figura 3.9 este prezentată o diagramă a coeficienților de perfomanță pentru mai multe tipuri de turbine eoliene în raport cu limita Betz. În literatura de specialitate[99,] se regăsesc valori ale coeficienților de performanță (se menționeză faptul că toate tipurile de turbine eoliene cu ax vertical avute în vedere au puteri instalate mici și medii), tabelul 3.3.

Tabelul 3.3 Coeficienți de performanță

Analizând tabelul 3.3 și având în vedere 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 (s-a 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 3.10, de până la șapte ori pe parcursul unei zile. Este binecunoscut faptul că turbinele cu ax vertical exploatează 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 observă 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 %. [96,97]

Tabelul 3.4 Exemple de variații ale vitezei vântului înregistrate în amplasament

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 Direcții ale vântului de-a lungul perioadei studiate

Figura 3.11 Vedere de ansamblu a unei turbine cu ax vertical și rotor elicoidal

Propunere de instalare (fig. 3.11): turbina se va monta pe un turn separat și nu pe pilonul de comnunicații deoarece rotorul cântărește 78 kg, deci are o greutate mare care ar putea afecta structura de rezistență a pilonului. Vibrațiile pe care le produce turbina în funcționare, de asemenea, afectează structura de rezistență a turnului de comunicații.

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 3.12 Turbina cu rotor elicoidal (vedere reală și secțiuni)

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 rotor hibrid Savonius-Darrieus cu trei pale și au condus la un coeficient de putere de 51 %. În prezent simulările diferiților parametrii ai palelor pentru obținerea coeficientului de putere sunt realizeaze pe computer folosind un software numit Fluent 6.0.

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

ecuația continuității (conservarea masei),

(3.6)

unde: ρ – densitatea;

t – timpul;

– vectorul vitezăș;

– operatorul diferențial-vectorial „nabla”.

ecuația momentului (a doua lege a lui Newton),

(3.7)

unde: ρ – densitatea;

– vectorul viteză;

p – presiunea statică;

– tensorul tensiunilor;

– vectorul accelerație gravitațională;

– vectorul forțelor exterioare corpului rotorului.

ecuația conservării energiei (prima lege a termodinamicii),

(3.8)

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

– fluxul de dispersie al particulelor j;

T – temperatura;

P – presiunea.

modelul turbulențelor – modelul standard al turbulențelor k-ε este o funcție logaritmică. 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)

Gk reprezintă energia cinetică a turbulențelor, generată de către gradientul vitezelor; Gb este energia cinetică a turbulențelor generată de flotabilitate; YM reprezintă contribuția variației dilatației în turbulențe compresibile la rata generală de disipare; C1ε, C2ε și C3ε sunt constante; σk și σε reprezintă constantele Prandl pentru k și ε pentru curgerea turbulentă; Sk și Sε variabile pe care le definește utilizatorul soft-ului Fluent.

Energia cinetică a turbulențelor,

(3.11)

Gk conform ipotezei Boussinesq se poate defini ca fiind,

, (3.12)

S reprezintă modulul tensorului deformării,

. (3.13)

Gb este definită ca fiind,

, (3.14)

unde Prt numărul Prandtl pentru energie la curgerea turbulentă a fluidului, valoarea sa este de 0,85; gi este componenta vectorului accelerației gravitaționale cu direcția i, iar

. (3.15)

Constantele acceptate pentru modelarea matematică sunt determinate experimental pentru curgerea turbulentă a aerului și a apei și au următoarele valori: C1ε = 1,44, C2ε = 1,92, C3ε = 0,09, σk = 1, iar σε = 1,3.[]

Simulări privind comportamentul turbinelor eoliene se pot face pe baza ecuațiilor matematice și prin intermediul MatLab, datele astfel obținute sunt cele prezentate în figurile 3.13, 3.14, și 3.15 și sunt rezultate pe baza unui model matematic și prin varația parametrilor turbinei elicoidale (soliditatea rotorului, soliditatea palelor, raportul TSR, etc.). [99]

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°. Trebuie menționat că din punct de vedere constructiv turbinele dublu helix se pot clasifica în două categorii, cu ax și fără ax, figura 3.17. Rezultatele unuia dintre studii privind variația unghiului de răsucire, pentru turbina dublu helix cu ax, sunt prezentate în figura 3.16 (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 odată 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 cp 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. [110]

b)

Figura 3.13 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

Figura 3.14 Coeficientul de putere în funcție de TSR și de solidtatea palei

Figura 3.15 Coeficientul de putere în funcție de TSR și de soliditatea rotorului

b)

c) d)

f)

Figura 3.16 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

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. Din analiza liniilor de flux s-a ajuns la aceeași concluzie, maximul este obținut dacă turbina se rotește în sensul acelor de ceasornic; diferența constă în faptul că acest maxim este obținut doar pentru unghiurile de 45° și 90°.[]

Turbina dublu helix cu ax

Turbina dublu helix fără ax

Figura 3.17 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 punctul 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, fiind necesară definirea coeficientului de torsiune, CS, (de acesta depinde perfomanța, stabilitatea și funcționarea constantă a turbinei)

, (3.16)

unde: M – cuplul aerodinamic;

ρ – densitatea aerului;

S – suprafața rotorului aflată în direcția vântului;

D – diametrul rotorului;

v – viteza vântului.

Figura 3.18 Variația coeficientului de torsiune

În figura 3.18 este prezentată variația coeficientului de torsiune în funcție de viteza vântului pentru rotorul Savonius clasic si pentru rotorul propus în prezenta lucrare.[99]

În figura 3.19 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 și s-a ajuns la o valoare de 0,43). Datele sunt înregistrate la secțiuni prin rotor de 0,5, 0,75, respectiv de 0,95 H.[]

Figura 3.19 Distribuția presiunii și a 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 (fig. 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 (fig. 3.21), deci cuplul aerodinamic este mai mic de unde rezultă o cantitate de energie mai mică.[110]

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 turbinelor eoliene și modelarea matematică a acestora

Așa cum s-a mai menționat puterea mecanică a turbinei eoliene este dată de

, (3.17)

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 .

(3.18)

unde: R – raza turbinei [m];

ω – viteza unghiulară [rad/s];

v – viteza medie a vântului [m/s].

Energia generată este dată de următoarea ecuația

[kWh] (3.19)

unde t este timpul.

Puterea nominală în cazul turbinelor eoliene poate fi determinată prin relația

(3.20)

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 optimă a rotorului este data de formula

(3.21)

din care rezultă

, (3.22)

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

– raportul optim al vitezelor la capătul palelor;

R – raza turbinei [m];

– viteza optimă a 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.[]

(3.23)

a)b)

Figura 3.22 Axul turbinei

a) o singură structură rigidă b) două structuri rigide

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

axul turbinei este realizat dintr-o singură structură rigidă (fig. 3.22 a)):

(3.24)

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 (fig. 3.22 b))

Momentul de interție al rotorului, , este dat de

(3.25)

Cuplul axului în funcție de viteza frânată este

(3.26)

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

(3.27)

Se presupune cutia de viteze ideală având raportul n

. (3.28)

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];

– cuplul de frânare al turbinei [Nm];

– momentul de inerție al generatorului [kg ];

– cuplul axului la viteza nefrânată [Nm].

Eliminând din ecuația (3.25) și folosind (3.27) și (3.28) se obține modelu; matematic

(3.29)

unde:

și

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

m – masa axului;

I – al doilea moment al suprafeței axei de rotație;

– lungimea axului;

– modulul rigidității;

– 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 generează costuri de întreținere mai mari și crește greutatea. Utilizănd generatorul sincron cu acționare directă, crește fiabilitatea sistemului și scade greutatea nacelei.

Mai jos este descris modelul matematic al acestui generator, model care are la bază regimul de funcționare al generatorului sincron. Tensiunea magnetică are două componente: una longitudinală, d, aflată în opoziție de fază cu inducția magnetică inductoare și alta transversală, q, aflată în cuadratură cu inducția magnetică inductoare. [,162]

Tensiunea este dată de ecuațiile

, (3.30)

. (3.31)

Cuplul electric are formula

, (3.32)

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 modelul:

(3.33)

Mărmile statorice sunt:

(3.34)

(3.35)

(3.36)

(3.37)

(3.38)

(3.39)

Mărimile rotorice sunt:

(3.40)

(3.41)

(3.42)

(3.43)

Ecuațiile fluxului de aer sunt următorarele

(3.44)

(3.45)

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

– 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 (3.21) în (3.17), asftel:

(3.46)

(3.47)

Coeficientul de putere, , este o funcție nelineară exprimată prin

, (3.48)

iar

. (3.49)

Coeficienții de putere – diferă în funcție de tipul turbineiș în literatura de specialitate, se regăsesc ca fiind = 0,53, c2 = 151, c3 = 0,58, c4 = 0,002, c5 = 13,2 și c6 = 18,4 [], iar β reprezintă unghiul de înclinare al palelor.

Un alt aspect care trebuie meționat este că
s-a constatat, din practică, că acestă turbina eoliană dublu helix 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 (fig. 3.23).

Tipul constructiv al tubinei are un comportament diferit în vânt atunci când funcționează într-o rețea. În figura 3.24 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 realizat.

.

Figura 3.24 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 aceleași 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 decât cele ale turbinelor convenționale.

3.4.4 Avantajele turbinei eoliene cu ax vertical

Turbinele eoliene verticale au avantaje importante care recomandă utilizarea lor 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 că o formă care crește eficiența este cea elicoidală.

Unul din avantajele majore este că turbina cu ax vertical nu pierde energie atunci când se poziționează în direcția vântului, deoarece reacționează indiferent de direcția din care vine fluxul de aer, figura 3.25.

Figura 3.25 Frontul de aer pentru turbina cu ax orizontal și turbina cu ax vertical

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.

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, astfel 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 22000 kWh/an, iar puterea lor instalată este de 3050 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 se obține puterea instalată a componentei eoliene, astfel:

,

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

– puterea mecanică instalată a turbinei eoliene;

– randamentul turbinei.

[W].

S-a căutat pe piața producătorilor de turbine eoliene un model similar cu cel avut în vedere pentru acest studiu și 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 caracteristicile din tabelul 3.5[]:

Tabelul 3.5 Caracteristicile turbinei

Astfel, pentru determinările următoare se alege o turbină eoliană cu putere 10 kW, care produce circa 30240 kWh/an și are caracteristicile prezentate în tabelul anterior. Nu s-a avut 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.

3.5.2 Dimensionarea componentei fotovoltaice

Așa cum s-a 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 (fig. 3.26). 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.

Figura 3.26 Structura și principiul de funcționare ale unei celule fotovoltaice cu Si [13]

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 sunt 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 dat de raportul dintre puterea electrică furnizată la bornele sale și puterea radiației incidente,

. (3.50)

Puterea electrică generată, la bornele unei celule fotovoltaice, depinde de foarte mulți factori: intensitatea radiației solare, temperatura celulei, unghiul de incidență al razelor solare, caracteristicile constructive ale celulei și condițiile meteorologice (temperatură ambiantă, viteza vântului etc.).

Răspunsul spectral al unei celule fotovoltaice reprezintă capacitate cu care aceasta transformă energia radiației solare în energie electrică. Această capacitate depinde într-o proporție foarte mare de proprietățile și caracteristicile materialelor de fabricație. Deși masa fotonilor este egală cu zero, aceștia au o energie cinetică. Energia cinetică a fotonilor este definită ca fiind produsul constantei lui Planck, h, și al frecvenței radiației solare (ecuația 3.51):

, (3.51)

(3.52)

Factorul de formă reprezintă raportul puterii maxime ce poate fi furnizată de către celula fotovoltaică în anumite condiții date de funcționare și puterea furnizată de către o celulă ideală, în aceleași condiții de funcționare,

, (3.53)

unde UMPP, IMPP reprezintă tensiunea, respectiv intensitatea la punctul maxim de putere (Maximum Power Point), Uoc reprezintă tensiunea la circuit deschis, ISC repzintă curentul la scurt circuit.

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

3.5.2.2 Modelarea matematică a 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.

Folosind dioda ideală (fig. 3.27) pentru o serie de celule conectate în serie și o serie de celule conectate în paralel , se obține curentul matricei de panouri în funcție de tensiunea matricei,

, (3.54)

iar

, (3.55)

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

K – constanta lui Boltzmann;

A – factorul diodei ideale;

T – temperatura celulei [K];

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

Tr – temperatura 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,

(3.56)

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

ki – este coeficientul de temperatură la scurtcircuit;

S – radiația solară [mW/cm2]

Figura 3.27 Modelul singurei diode ideale

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 (3.57), unde curentul invers de saturație se situează în jurul valorii de și depinde de temperatura celulei după o lege exponențială,

(3.57)

Curentul produs de sursă 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 ecuației (3.58). 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.

(3.58)

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

,

,

deci,

.

Înlocuind și cu expresiile lor se obține

(3.59)

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 (3.59) devine, în acest caz,

. (3.60)

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, notată :

(3.61)

(3.62)

Puterea produsă de către panourile fotovoltaice (PV) este dată de relația

(3.63)

unde: – randamentul panoului fotovoltaic;

– suprafața PV care generează electricitate [];

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

, (3.64)

unde: – randamentul sistemului de limitare a puterii, este egal cu 1 se determină la 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

, (3.65)

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 prin

(3.66)

De regulă modelarea matematică a matricei fotovoltaice se face fie după modelul singurei diode sau modelul dublei diode așa cum s-a precizat anterior.

Un model simplificat[] este următorul:

(3.67)

,

unde: Voc – 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 (3.67) reprezintă maximul de putere a unui singur modul fotovoltaic[], dar 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

(3.68)

Dimensionarea componentei fotovoltaice

În vederea dimensionării componentei fotovoltaice trebuie să se țină 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, ca putere instalată, maximul de energie care poate fi consumat la un moment dat.

Pe piața din România sunt comercializate și sisteme fotovoltaice ale căror celule sunt monocristaline, astfel se poate, din tabelul 3.6 să se considere randamentul sistemului fotovoltaic ca fiind de 17 %. Sistemul fotovoltaic trebuie să aibă puterea instalată

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, așa 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 că 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. Această particularitate impune de asemenea utilizarea unor încărcătoare și invertoare care să permită conectarea unei borne electrice la priza de pământ și generează costuri suplimentare.

Panourile fotovoltaice monocristaline reprezintă cea mai bună 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 fotovoltaice monocristaline pentru alimentarea de consumatori mari a căror putere nominală variază de la 100 W la 300 W; astfel se alege un kit de 60 de panouri cu putere de 300 W și un randament cuprins între 17 și 18 %. Dimensiunile unui astfel de panou sunt de aproximativ 2000 x 1000 x 50 mm, deci este nevoie de o suprafață de 120 m2 pentru a instala sistemul.

Specificațiile tehnice ale panoului fotovoltaic[127] sunt prezentate în tabelul 3.6:

Tabelul 3.6 Caracteristicile panoului fotovoltaic

3.6 MODELAREA MATEMATICĂ A ACUMULATORILOR

Acumulatorii sunt importanți în vederea stocarii 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, iar 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 deoarece trebuie să reziste la mai multe cicluri de încărcare și descărcare, descărcări 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 constituie 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 ar putea 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:

(3.69)

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 relația

. (3.70)

Modelul dinamic al acumulatorului[] este prezentat în figura 3.30 și este bazat pe caracterul neliniar al descărcării acumulatorului și determină tensiunea circuitului deschis (Voc).

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 rezistențele 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 se utilizează pentru a prezice maximul de energie disponibilă curentul inițial al acumulatorului (IB). Energia rămasă în acumulator și încărcarea (SOC – state of charge – mărime procentuală) este calculată prin diferență, din starea inițială.

Figura 3.30 Modelul dinamic al acumulatorilor cu plumb

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 și energia eoliană este transmisă către consumatori direct printr-un UPS. Există, deci, trei scenarii[] :

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

, (3.71)

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.[]

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

. (3.72)

Capacitatea de stocare în acest caz este:

. (3.73)

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

(3.74)

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

– randamentul invertorului;

C – capacitatea acumulatorului la un moment oarecare t;

– este condițonat de , iar și sunt capacitateatea minimă, respectiv maximă permisă a acumulatorului.

Capacitatea optimă se determină astfel:

(3.75)

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

Bateria de acumulatori 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 unui acumulator ținând cont de DOD se calculează utilizând ecuația (3.76),

. (3.76)

unde: – capacitatea acumulatorului [Ah];

– sarcina în Ah.

Încărcarea bateriei la un moment oarecare t, când aceasta este supusă procesului de încărcare [105] este

(3.77)

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

(3.78)

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 către PV) ținând cont și de pierderi;

– sarcina la un moment oarecare t;

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

Bateria de acumulatori trebuie să îndeplinească condițiile

(3.79)

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

– capacitatea minimă de încărcare funcție de DOD, astfel:

.

Dimensionarea propriu-zisă a acumulatorilor va fi realizată într-un capitol viitor, doarece aceasta se va face în funcție de energia generată de celelalte componente.

CONCLUZII

În vederea stabilirii oportunității alimentării unui amplasament de radiocomunicații
printr-un sistem hibrid, dar și pentru a limita incidentele în exploatare este importantă întelegerea modului de funcționare al consumatorului, cerințele privind consumul și parametrii de calitate ai energiei furnizate către acesta. De aceea în acest capitol este descris modul de funcționare al unei rețele de comunicații și al unei celule de telecom, de asemenea s-au prezentat echipamentele instalate într-un amplasament de radiocomunicații și consumul acestora. Pentru a dimensiona corect sistemul hibrid s-a realizat un studiu pe o perioadă de cinci ani al consumului și variației acestuia și s-a calculat un consum estimat. În funcție de curba de consum și de puterea instalată a consumatorului s-au dimensionat turbina eoliană și panourile fotovoltaice. S-a avut în vedere la alegerea componentelor și o redundanță a acestora, astfel atât turbina eoliană cât și panourile fotovoltaice sunt calculate să poată susține individual consumul. În urma calculului dimensional s-au obținut parametrii turbinei eoliene și ai panourilor fotovoltaice, pe baza acestora s-au ales din comerț tipurile constructive cu caractersticile din tabelul 3.7.

Turbina eoliană propusă este o turbină cu rotor elicoidal. În scopul argumentării acestei alegeri s-a realizat un studiu bibliografic privind diferite aspecte ale acestui tip de turbină, al modului de funcționare și al avantajelor acestora. La puteri mici (din calcul dimensional turbina propusă are 10 kW) turbina dublu helix are un randament mai mare decât al altor tipuri de turbine eoliene. De asemenea aceste tipuri de turbină reacționează îndiferent de direcția din care bate vântul. În amplasamentul ales, care este situat într-o zonă montană izolată, vântul nu bate cu preponderență dintr-o direcție, mai mult își schimbă direcția de la o oră la alta. În sprijinul acestei afirmații s-a realizat roza vânturilor, tabelul 3.4, figura 3.10.

Tabelul 3.7 Caracteristicile sistemului hibrid fotovoltaic-eolian

În scopul întelegerii modului de funcționare al sistemului, în acest capitol sunt prezentate, prin studiu bibliografic, ecuațiile matematice de funcționare ale turbinei, panourilor solare și ale acumulatorilor. Parte din aceste ecuații sunt folosite la analiza din capitolul următor și la dimensionarea acumulatorilor.

CAPITOLUL 4

ANALIZA TEHNICO-ECONOMICĂ A SISTEMULUI HIBRID PROPUS

4.1 INTRODUCERE

Sistemele hibride, asa cum s-a 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 alegerii componentei 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.

ANALIZA SITUAȚIEI EXISTENTE PRIVIND COMPONENTA EOLIENĂ

La elaborarea prezentului studiu s-au utilizat date meteorologice înregistrate pe o perioadă de 5 ani, 2010-2014. În primii doi ani și jumătate datele s-au măsurat la interval de 3 ore, în următorii doi ani și jumătate s-au măsurat din oră în oră. Datele sunt disponbile online[95] și sunt măsurate pentru zona pentru care se studiză oportunitatea instalării sistemului. Viteza vântului s-a măsurat la o înălțime de 10 m, pentru a obține viteza vântului la înălțimea de 12 m la care se montează turbina. Se pot extrapola datele măsurate; trebuie însă avut în vedere faptul că măsurătorile de joasă altitudine pot fi afectate de obstacolele zonale, precum clădiri, vegetație etc. extrapolarea se realizează utilizând ecuația (4.1).[]

(4.1)

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].

Se menționează că în calcule rugozitatea terenului avută în vedere este de 0,05 conform standardului SR EN 1991-1-4. Deoarece cantitatea de date analizată este foarte mare, 27864 de serii, este prezentat doar graficul de variație a vitezei vântului în amplsament (figurile 4.1 – 4.5), la înălțimea de 12 m. Viteza medie obținută din calcul este de 7,72 m/s, viteza maximă este de 41,49 m/s, numărul de ore în care viteza a fost 0 m/s este de 2504 ore, adică un procent de 8,99 % din totalul de serii de date, însă din 1826 de zile în care s-au realizat măsurări doar în 4 zile viteza vântului este 0 m/s, adică doar un procent de 0,22 %. Așa cum s-a ȚE

precizat în tablelul 3.5, viteza de pornire a tubinei este de 1,5 m/s. Din datele înregistrate doar în 79 de zile turbina nu produce deloc energie electrică doarece viteza vântului este mai mică decât viteza de pornire; aceasta înseamnă un procent de 4,33 %.

Figura 4.1 Variația vitezei vântului de-a lungul anului 2010

Figura 4.2 Variația vitezei vântului de-a lungul anului 2011

Figura 4.3 Variația vitezei vântului de-a lungul anului 2012

Figura 4.4 Variația vitezei vântului de-a lungul anului 2013

Figura 4.5 Variația vântului în anul 2014

Tabelul 4.1 Analiza datelor de vânt

În figurile 4.1 – 4.5 sunt prezentate variațiile orare ale vitezei vântului pe parcursul aniilor de studiu, nu se pot observa modele de repartiție matematică la nivel orar, zilnic sau săptămânal, se observă însă medii mai mici ale vitezelor în luniile de primăvară-vară, mai-septembrie, însă diferențele nu sunt foarte mari față de celelalte luni din an. Se pot observa maxime ale vitezei în toate lunile din an, dar de regulă viteza vântului este undeva în jurul vitezei medii calculate, și anume 7,72 m/s.

Din datele menționate și din cele prezentate în Capitolul 3 aplicând ecuațiile (3.27) și (3.29) s-au obținut puterile produse la nivel orar (figurile 4.6 – 4.11). S-au limiat aceste grafice la puterea de 150000 W, această putere fiind depășită în puține cazuri) de turbină precum și energia electrică generată.

La calculul puterii s-a ținut cont de densitatea aerului funcție de temperatura înregistrată,[] astfel s-a determinat puterea pe fiecare serie de date în parte. Puterea medie orară de-a lungul celor cei cinci ani studiați este de 7912,82 W, puterea maximă este de 271403,59 W, puterea minimă este evident 0, energia produsă și numărul de ore și zile în care energia produsă de componenta eoliană deservește sistemul. Din calculul consumului echipamentelor de radiocomunicații din Capitolul 3 rezultă un necesar de 2,5375 kWh pe care acestea îl consumă orar, 60,90 kWh consum zilnic și un consum lunar de 1827 kWh. Este important de observat cât din acest necesar este satisfăcut de turbina eoliană; pentru aceasta s-a calculat numărul de ore dintr-un an, Nh, nr. de zile dintr-un an, Nz și numărul de luni dintr-un an, NL în care necesarul de energie este furnizat doar de turbina eoliană, restul necesarului va trebui acoperit de către panourile fotovoltaice, respectiv de către acumulatori. În tabelul 4.1 sunt detaliate aceste datele.

Figura 4.6 Variația puterii în anul 2010

Figura 4.7 Variația puterii în anul 2011

Figura 4.8 Variația puterii în anul 2012

Figura 4.9 Variația puterii în anul 2013

Figura 4.10 Variația puterii în anul 2014

În figura 4.11 este prezentată variața energiei electrice produse lunar de către turbina eoliană de-a lungul perioadei studiate, cu mențiunea că există luni în care energia produsă depășește 5000 kWh. În figura 4.12 se poate observa variația energiei produse în ultimul an monitorizat, se păstrează trendul menționat anterior, în lunile de vară viteza vântului este mai mică implicit și energia electrică produsă de generatorul eolian, această fluctuație se suprapune cu o perioadă de vârf a producției de energie din sursa solară.

Figura 4.11 Variația energiei produse lunar de-a lungul perioadei de studiu

Figura 4.12 Variația energiei produse în 2014, ultimul an monotorizat

Un alt aspect care trebuie avut în vedere la analiza datelor este viteza nominală a turbinei. 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 rotorului. Pentru a preveni astfel de evenimente turbina este echipată cu sisteme de frânare. Viteza nominală este, de regulă, viteza medie a celor două specificate anterior, la care puterea generată este maximă, mai mare de atât nu poate fi generată de generatorul electric, adică la puterea nominală.

În cazul studiat viteza nominală dată de către producător și este de 10 m/s, analizând datele de vânt observăm că se atinge viteza nominală în aproximativ 30 % din numărul de ore analizat, adică în 30 % din cazuri generatorul produce maximul de energie de care capabil, menționăm faptul că niciodată nu a fost atinsă viteza maximă de funcționare a turbinei.

În concluzie din datele referitoare la component eoliană analizate putem deduce următoarele aspecte:

turbina eoliană poate asigura singură, fără un alt sistem de producție a energiei electrice aproximativ 1/3 din necesarul orar de energie;

de-a lungul unei zile calendaristice nu există un model previzibil al vitezei vântului;

există variații bruște ale vitezei vântului, vânt turbulent;

se observă o viteză a vântului scăzută a vântului în lunile de primăvară-vară;

se observă un surplus de energie electrică care poate fi utilizat pentru a încărca bateriile de acumulatoare;

perioadele de gol sunt foarte lungi, urmate de perioade în care cantitățile de energie electrică generate care depășesc cu mult necesarul, în aceste cazuri diferența de sarcină va trebui suportată de către panourile fotovoltaice, fie va trebui asigurată pe perioade mari de către acumulatori.

ANALIZA SITUAȚIEI EXISTENTE PRIVIND COMPONENTA FOTOVOLTAICĂ

Pentru aceeași perioadă 2010-2014 s-a realizat un studiu asupra variației radiației solare în vederea stabilirii oportunității instalării componentei fotovoltaice a sistemului propus.

Figura 4.13 Variația radiației solare de-a lungul perioadei de studiu

b) c)

e)

Figura 4.14 Variația radiației solare

a) în anul 2010 b) în anul 2011 c) în anul 2012 d) în anul 2013 e) în anul 2014

La modelarea componentei solare s-au utilizat serii de date zilnice furnizate de către Administrația Națională de Meteorologie, de asemenea acestea sunt disponibile online în cadrul proiectului CarpatClim.[97] Din analiza acestor date, așa cum se poate observa din figurile 4.13, 4.14 distribuția variației radiației solare are un model ușor predictibil, se constată vârfuri în perioadele de vară și o radiație scăzută în lunile mai reci, media zilnică este de 3,5349 kWh/m2, maximul este de 8,53 kWh/m2, minimul este de 0,0105 kWh/m2. Și în cazul componentei solare este important de observat cât din sarcina necesară este satisfăcută, astfel s-a calculat numărul de ore dintr-un an, Nh, nr. de zile dintr-un an, Nz și numărul de luni dintr-un an, NL în care necesarul de energie este furnizat doar de panourile fotovoltaice, restul necesarului va trebui acoperit de către turbina eoliană fotovoltaice, respectiv de către acumulatori. În tabelul 4.2 sunt detaliate aceste datele privind componenta solară. Puterea s-a calculat aplicând ecuația (3.63)

Tabelul 4.2 Analiza datelor solare

În cazul panourilor fotovoltaice nu există zile în care să nu producă energie, acestea asigură un procent de aproximativ 52 %. Acest procent este cauzat de lunile de iarnă când valoarea radiației solare este scăzută, în perioada de primăvară-vară panourile ar putea alimenta consumatorul fără a fi nevoie de un alt sistem generator de energie (fig. 4.15).

Figura 4.15 Variația energiei electrice generate

4.4 SITUAȚIA COMPARATIVĂ. DIMENSIONAREA ACUMULATORILOR

În tabelul 4.3 se poate observa cantitatea efectivă lunară produsă de fiecare componentă în parte, iar în figura 4.16 se vede fluctuația energiei produse. La nivel anual consumul este satisfăcut, la nivel lunar, așa cum se poate vedea din figură, din datele analizate nu există luni în care consumul estimat să nu fie asigurat, problemele la asigurarea nivelului sarcinii apar la nivel zilnic, din numărul de 1826 de zile monitorizate există un număr de 343 de zile în care consumul nu este satisfăcut de către nici una dintre componente, adică un procent de aproximtiv 18 %. De asemenea probleme apar și la nivel orar deoarece, așa cum este binecunoscut, panourile solare produc energie doar în timpul zilei, celelalte componnte ale sistemului vor trebui să asigure consumul.

Tabelul 4.3 Situația comparativă lunară

-kWh-

Figura 4.16 Variația energiei generate de către ambele componente

Pentru a analiza comportamentul sistemului la nivel orar s-a pornit de la următoarele ipoteze:

s-a presupus cosnumul orar constant, deși în practică noaptea consumul este mai mic;

din lipsă de date privind radiația solară la nivel orar s-a presupus cantitatea de energie produsă constantă pentru orele de zi;

s-a presupus următorul număr de ore lunar în care componenta solară produce energie: ianuarie 10 de ore, de la ora 7 la 16; februarie 11 ore, de la 7 la 17; martie 12 ore, de la 7 la 18; aprilie 13 ore, de la 6 la 18; mai 14 ore, de la 6 la 19; iunie 15 ore, de la 6 la 20; iulie 14 ore, de la ora 6 la 19; august 13 ore, de la 6 la 18; septembrie 12 ore, de la 7 la 18; octombrie 11 ore, de la 7 la 17; noiembrie 10 ore, de la ora 7 la 16; decembrie 9 ore, de la ora 7 la 15.

Analiza s-a realizat pentru anul 2014 deoarece monitorizarea privind datele de vânt în acest an s-a realizat integral pe nivele orare, iar concluziile pot fi extrapolate. S-au observat următoarele:

există un număr de 5258 ore din an în care energia generată de către ambele componente asigură necesarul estimat de energie, aceasta reprezentând un procent de 59,98 %;

de-a lungul anului 2014 în 22,85 % din ore (un număr de 2002 de ore) , surplusul încărcând acumulatorii;

de-a lungul anului 2014 este asigurat în proporție de 42,32 % însemnând un număr de 3707 ore;

energia generată este egală cu 0 kWh în 374 de ore, procentual 4,27 %, în acest caz acumulatorii sunt cei care preiau întregul consum;

există un numar de 62 de zile în care consumul orar nu este satisfăcut, adică într-un procent de 17 %;

la începutul lunii decembrie există zile consecutive în care consumul trebuie asigurat de către acumulatori, s-a observat un număr de maxim 7 zile consecutive (tabelul 4.4) în care sarcina este asigurată în proporție de 50 % sau chiar de 30 % din necesar, aceste 7 zile sunt urmate de o zi în care sarcina este asigurată și de alte 6 zile în care sarcina este asigurată de către sistem parțial;

există situații în care sarcina este asigurată parțial de către componenta solară și/sau cea eoliană și parțial de către acumulatori;

problemele în asigurarea sarcinii apar în perioadele reci când componenta solară produce mai puțină energie electrică, figurile 4.16, 4.17.

Din figura 4.17 și din datele analizate se observă că de-a lungul unui an întreruperile pe intervale lungi de timp sunt puține, de regulă întreruperile sunt de scurtă durată acumulatorii având timp să se încarce în proporție de 100 %.

Aplicând formulele matematice de la subcapitolul 3.6 se poate dimensiona capacitatea acumulatorilor necesară alimentării echipamentelor de radiocomunicații în funcție de disponibilitatea resursei. Dimensionarea s-a realizat pentru perioada evidențiată în tabelul 4.4. Pentru aceasta s-au presupus următoarele:

ηcad – randamentul convertorului c.a/c.c. este de 0,95;

ηcha – randamentul de încărcare al acumulatorului, funcție de intensitatea curentului de încărcare care poate fi cuprins între 0,65-0,85, l-am considerat 0,65;

– randamentul invertorului – 0,95.

Calculul s-a realizat pornind de la o capacitate 0 Ah, deși în practică această situație este de evitat deoarece scurtează semnificativ durata de viață a acumulatorilor. Evoluția necesarului se poate observa în figura 4.18.

Tabelul 4.4. Zilele consecutive în care sarcina este asigurată de către acumulatori și calcul capacității acestora

Figura 4.17 Variația energiei produsă de sistem de-a lungul anului 2014

Figura 4.18 Capacitatea acumulatorilor obținută pentru perioada evidențiată în tabelul 4.4

În concluzie din calcule este nevoie de o capacitate de 482,21 Ah pentru a alimenta sistemul în perioada de gol de poducție. La acesta se adaugă un procent de 20 %, deoarece descărcarea maximă acceptată în medie de producătorii de acumulatori este de 20 %, orice scădere a acestui procent reduce semnificativ numărul de cicluri de încărcare descărcare. Deci capacitatea rezultată din calcul este de 578,65 Ah. În practică se utilizează 8 acumulatori Acid-Plumb de 150 Ah, patru pentru asigurarea sarcinii, iar ceilalți patru pentru asigurarea redundanței.

Tabelul 4.5 Specificațiile acumulatorilor

Specificațiile tehnice ale unui acumulator [133] sunt prezentate în tabelul 4.5:

4.5 SCHEMA FINALĂ A SISTEMULUI

În final sistemul hibrid este compus dintr-o turbină eoliană ax vertical și rotor eliptic cu puterea de 10 kW, între aceasta și consumatorul final se află un invertor și un controller de tensiune care va decupla consumatorii dacă tensiunea pe bare depășeste o anumită valoare pentru a preveni defectarea acestora. Componenta fotovoltaică este compusă din 60 de panouri monocristaline cu puterea individuală de 300 W. Alimentarea consumatorilor în curent continuu din panourile fotovoltaice se poate realiza și direct, însă vom utiliza un regulator de tensiune pentru a limita tensiunea în cazul în care tensiunea consumatorilor este mai mică decât tensiune generată de sistem. Din distribuția de curent continuu vom alimenta cu energie și cei 8 acumulatori de 150 Ah.

Figura 4.19 Schema sistemului hibrid fotovoltaic-eolian

Schema de principiu a sistemului este cea din figura 4.19.

4.6 ASPECTE ECONOMICE

4.6.1 Investiția inițială

Investiția inițială este estimate și detaliată în tabelul 4.6 cu mențiunea că s-au luat în calcul doar investițiile nu și costurile de exploatare ulterioare.

Tabelul 4.6 Costurile sistemului hibrid fotovoltaic-eolian

-lei cu TVA-

Prețurile din tabelul anterior, dacă nu au trimitere în bibliografie, sunt obținute prin corespondență cu producătorii respectivelor bunuri și transformate din euro în lei la un curs de 1 leu = 4,5 euro.

4.6.2 Costul branșamentului la rețeaua de distribuție

Costurile cu realizarea branșamentului electric la rețeaua de distribuție pot valora foarte mult, de la câteva mii de lei până la câteva sute de mii de lei, în funcție de avizele necesare executării acestuia, complexitatea lucrărilor, distanța de la locul de consum până la postul de transformare și nivelul de tensiune pentru care se execută lucrările. În tabelul 4.7 sunt detaliate potențialele lucrări/produse necesare executării unui branșament electric, costul acestora și simularea costurilor care ar trebui plătite pentru racordarea la Sistemul Energetic Național a amplasamentului de comunicații avut în vedere la elaborarea prezentului studiu.

Tabelul 4.7 Lucrările/produsele posibile necesare executării unui branșament electric

*Cota TVA este de 20%.

** Prețurile sunt obținute în urma corespondenței cu prestatori/furnizori de lucrări.

Așa cum se poate observa lucrările simulate depășesc valoarea investiției, în cazul branșamentelor pentru amplasamente izolate valoarea lor poate depăși cu mult valoarea investiției într-un sistem hibrid, deci investitorul poate realiza economie.

4.6.3 Costul energiei cumpărate de pe piața de energie

Un alt aspect de care trebuie ținut cont este economia pe care consumatorul o va face dacă nu va mai plăti energie electrică către un furnizor. Piața de energie electrică în România, odată cu liberalizarea sa, a devenit foarte dinamică, apar noi furnizori, numărul consumatorilor care își negociază prețul cu furnizorul a crescut, astfel prețul MWh are tendința de a scădea. Chiar dacă piața nu s-ar fi liberalizat, un operator de comunicații poate fi un consumator eligibil deoarece consumul global al rețelei de comunicații îi permite achiziționarea de energie electrică de pe piața de energie. Caracteristicile consumatorului pe care le-am avut în vedere la elaborarea studiului sunt: nivelul de tensiune la care se alimentează este Joasă Tensiune, iar tipul de produs pe care îl tranzaționează este cel de pe piața centralizată a contractelor bilaterale, modalitatea de tranzacționare este PCCB-LE (licitație extinsă).

Pentru a determina economia care se poate realiza pentru cazul de față am realizat o scurtă analiză a evoluției pieței de energie de-a lungul anilor 2010-2015.

Prețul final pe care îl plătește un consumator pe energia electrică este compus din mai multe tarife de transport și distribuție reglementate de către Autoritatea de Reglementare în Domeniul Energiei care se adugă la prețul propriu de furnizare care la rândul său conține prețul producătorului la care se adaugă tariful furnizorului. Tarifele reglementate sunt următoarele:

TSS – tarif pentru serviciul de sistem;

TOP – tarif pentru serviciile prestate de operatorul de piețe centralizate participanților la piețele administrate de acesta;

TG – tarif mediu de introducere în rețeaua de transport;

Tl – tarif de extragere din rețeaua de transport;

TD – tarif distribuție JT.

De-a lungul anilor s-au adăugat la prețul MWh diferite comonente după cum se observă din tabelele următoare, precum Contribuția pentru congenrare de înaltă eficiență și Certificatele verzi. De asemenea conform Legii 571/2003, Legea 227 din septembrie 2015 energia electrică este un produs accizabil. Acciza este de 0,5 euro/MWh pentru consum comercial și de 1 euro/MWh pentru consum necomercial, deoarece operatorul de comuncații folosește energia pentru a presta servicii va plăti acciza pentru consum comercial, echivalentul în lei s-a obținut până la 31.12.2014 conform Legii 571/2003 pe baza cursului de schimb valutar stabilit în prima zi lucrătoare a lunii octombrie din anul precedent, publicat în Jurnalul Oficial al Uniunii Europene. Începând cu 01.01.2015, conform OUG 80/2014, nivelul accizelor se actualizează anual cu creșterea prețurilor de consum, din ultimele 12 luni, calculată în luna septembrie a anului anterior celui de aplicare, față de perioada octombrie 2013-septembrie 2014, comunicată oficial de Institutul Național de Statistică până la data de 15 octombrie. Nivelul accizelor actualizat se publică pe site-ul Ministerului Finanțelor Publice până cel mai târziu pe data de 20 octombrie a fiecărui an.

Evoluția pieței s-a analizat în funcție de tarifele practicate de către ANRE pentru cei opt mari distribuitori concesionari și de prețul propriu de funizare (Ppf), care reprezintă prețul la care furnizorul vinde către consumator energia, pentru realizarea calculelor am avut în vedere prețul mediu pe componenta pieței angro, adică pe piața centralizată a contractelor bilaterale, acest preț este publicat de către ANRE în raportul pe care îl realizează anual. Raportul ANRE pentru anul 2015 nu s-a publicat la data realizării prezentei lucrări, Ppf pentru anul 2015 s-a calculat prin media aritmetică a prețurilor medii ponderate lunare (lei/MWHh) pentru contractele bilaterale în bandă publicate de către OPCOM (tabelul 4.21).

Așa cum se poate observa din tabelele 4.8 ÷ 4.10 în anul 2010 și în primul trimestru al anului 2011 prețul MWh nu variază foarte mult. Începând cu luna aprilie 2011 se introduce pe lângă celelalte tarife reglementate, taxa pentru cogenerarea de înaltă eficiență, tabelul 4.11.

Din anul 2012 pentru sprijinirea producătorilor de energie electrică din surse regenerabile, în baza Legii 220/2008 și a Legii energiei 134/2012, se introduce plata Certificatelor Verzi. Până la 28.02.2014 prețul Certificatelor Verzi se calcula prin produsul unei cote anuale stabilite de către ANRE (tabelul 4.22) și un preț mediu ponderat publicat periodic de către OPCOM (tabelul 4.23), după acestă dată prețul se obține din produsul cotei anuale reglementate de către ANRE și prețul la care furnizorul de energie achziționează Certificatele Verzi de pe piața administrată de către OPCOM. Pentru perioada 01.03.2014-31.12.2015 calculul s-a realizat prin înmulțirea cotei anuale și media prețurilor la care s-au tranzacționat în perioada respectivă Certificatele Verzi, prețuri publicate pe site-ul OPCOM (tabelul 4.24) .

Variația prețului MWh în lei este detaliată în tabelele 4.8 – 4.20 și în figura 4.20, trebuie menționat că în anul 2010 variația se produce doar din cauza modificării cotei TVA, de la 19% la 24%, începând cu 01.07.2010.

Tabelul 4.8 Costul mediu MWh pentru perioada 01.01.2010-30.06.2010 [Lei/MWh]

Tabelul 4.9 Costul mediu MWh pentru perioada 01.07.2010-31.12.2010 [Lei/MWh]

Tabelul 4.10 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.01.2011-31.03.2011 [Lei/MWh]

Tabelul 4.11 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.04.2011-31.12.2011 [Lei/MWh]

Tabelul 4.12 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.01.2012-30.06.2012 [Lei/MWh]

Tabelul 4.13 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.07.2012-31.12.2012 [Lei/MWh]

Tabelul 4.14 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.01.2013-02.08.2013 [Lei/MWh]

Tabelul 4.15 Costul mediu al MWh pentru perioada 03.08.2013-31.12.2013 [Lei/MWh]

Tabelul 4.16 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.01.2014-28.02.2014 [Lei/MWh]

Tabelul 4.17 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.03.2014-30.06.2014 [Lei/MWh]

Tabelul 4.18 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.07.2014-31.12.2014 [Lei/MWh]

Tabelul 4.19 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.01.2015-30.06.2015 [Lei/MWh]

Tabelul 4.20 Costul mediu al MWh pentru perioada 01.07.2015-31.12.2015 [Lei/MWh]

Tabelul 4.21 Prețurile medii de tranzacționare PCCB-LE pentru anul 2015 []

*În luna ianuarie nu s-a publicat PMP și am utilizat la calcul valoarea lunii februarie

Tabelul 4.22 Cote anuale de Certificate Verzi

Tabelul 4.23 Prețul Mediu Ponderat [] pentru calculul CV [lei/CV]

Tabelul 4.24 Media prețurilor CV tranzacționate pe OPCOM [lei/CV]

*În luna martie 2014 au fost 3 sedințe de tranzacționare prețul din tabel
este obținut prin media artimetică a prețurilor de închidere al celor 3 ședințe

Figura 4.20 Variația prețului mediu/MWh

Locul unde se va amplasa consumatorul aparține zonei concesionate de către SC E.ON Moldova Distribuție SA. Calculând media aritmetică a prețului MWh pentru perioada 2012-2015, tabelele 4.10-4.18, obținem un preț mediu de furnizare pe care consumatorul racordat la rețeaua SC E.ON Moldova Distribuție SA a trebuit să-l plătească furnizorului de 605,14 lei/MWh (fig. 4.21). Plecând de la acest preț, deși tendința acestuia este de a scădea, și de la consumul estimat al amplasamentului nostru de comunicații, 22000 kWH, putem estima că anual acesta va face o economie de 13313,08 lei numai din faptul că nu este racordat la SEN.

Figura 4.21 Variația prețului MWh la distribuitorul E.ON Moldova Distribuție SA

În concluzie investiția într-un sistem hibrid se justifică nu doar prin valoarea branșamentului electric, care poate fi mai mare sau egală cu valoarea învestiției, dar și prin economia realizată din faptul că operatorul de comunicații nu mai plătește energia electrică către un furnizor.

4.7 CONCLUZII

Sistemul hibrid fotovoltaic-eolian propus trebuie să asigure alimentarea cu energie electrică a unui amplasament de radiocomunicații situat într-o zonă montană, la altitudinea de 1830 m. Pentru a stabili dacă resursele regenerabile avute în vedere sunt disponbile în locația avută în vedere și dacă sistemul propus poate alimenta consumatorul s-a realizat o analiză pe o perioadă de cinci ani, 2010-2014, a variației vitezei vântului și a variației radiației solare. S-au calculat și analizat variațiile puterii și energiei generate de sistemul hibrid propus. Studiile sunt realizate pe intervale anuale, lunare, zilnice și orare. Sunt analizați parametrii generați de sistem pentru fiecare componentă a sa, dar și pe întregul sistem.

În funcție de perioada cea mai lungă (decembrie 2014) în care sistemul propus nu produce suficientă energie pentru a satisface nevoile consumatorului, s-a dimensionat sistemul de acumulatori. Din calcule a rezultat un necesar de 8 acumulatori Acid-Plumb 12 V-150 Ah.

În urma acestor analize se poate concluziona că sistemul fotovoltaic-eolian cu stocare în acumulatori Acid-Plumb propus poate fi instalat în amplasamentul ales și poate susține consumatorul, fără a fi conectat la rețeaua publică de distribuție. Consumul este asigurat în proporție de aproximativ 50 % de către componenta fotovoltaică, în proporție de aproximativ 30 % de către componenta eoliană, restul de 20 % este furnizat de către acumulatori. Din cele analizate s-a conculuziontat că, de regulă, întreruperile sunt de scurtă durată, acumulatorii putând susține sarcina și având timp să se reîncarce între perioadele de întreruperi.

Pe lângă analiza tehnică s-a realizat și o analiză economică pentru a argumenta și din punct de vedere economic oprtunitatea implementării acestui sistem hibrid.

S-a calculat valoarea investiției inițiale în acest sistem și s-a comparat cu investiția inițială în racordarea la racordarea la rețeaua publică de distribuție. S-a constatat că investiția în sistemul hibrid poate fi mai mică sau egală cu costul lucrărilor de branșament. Lucrările de conectare la rețeau de distribuție au costuri ridicate din cauza lungimilor de cablu, a traversărilor de drumuri publice, a tranformatoarelor de tensiune care trebuie instalate etc., dar și din cauza obținerii de avize de la diferite entități implicate (distribuitor energie electrică, concesionarul terenului, alte instituții). Deci, pentru anumite situații, investiția într-un sistem hibrid poate fi amortizată chiar din primul an. Se menționează că prețurile sunt negociate sau furnizate de către diferiți producători, prestatori de servicii la data elaborării prezentei lucrări și pot suferi modificări; de asemenea nu
s-a ținut cont de chelutielile de exploatare, deoarece au fost considerate similare ca valoare. Costurile de mentenanță ale unui post de transformare se ridică la aproximativ aceeași valoare cu cele de întreținere ale panourilor fotovoltaice și ale turbinei eoliene.

Pentru un potențial consumator, investitor într-un sistem hibrid precum cel propus, este importantă oprtunitatea realizării de economii datorită faptului că nu mai plătește contravaloarea consumului către un furnizor de energie. În scopul determinării acestor economii s-a realizat un studiu privind variația prețului MWh pe Piața Centralizată a Contractelor Bilaterale în perioada 2010-2015. Din acestă analiză se observă că tarifele reglementate au o pondere constantă în prețul final al energiei electrice și că prețul propriu de furnizare al furnizorului, care poate fi negociat de către consumator, are o tendință descendentă. Acest trend de scădere este datorat liberalizării pieței, adică creșterii numărului de participanți. Prin sprijinirea de către statul Român a producătorilor din surse regenerabile au apărut noi producători pe piață, de asemenea prin liberalizarea pieței orice consumator își poate negocia prețul energiei cu furnizorul; astfel a crescut numărul consumatorilor eligibili. Aceste aspecte conduc la scădere prețului final al MWh. Cu toate acestea consumatorul poate realiza economii sensibile prin instalarea unui sistem hibird.

CAPITOLUL 5

SIMULAREA EXPERIMENTALĂ A

SISTEMULUI HIBRID FOTOVOLTAIC-EOLIAN

5.1 DESCRIEREA STANDULUI EXPERIMENTAL

Alegerea tipului de sistem hibrid care alimentează operatorul de comunicații este extrem de importantă, acesta trebuie să aibă o funcționare stabilă și continuă, paramentrii tehnici pe care ii asigură să fie constanți, de asemenea, cerințele de sarcină trebuie să fie asigurate, standardele de protecție a mediului și de siguranță să fie îndeplinte și să existe posibilitatea extinderii sistemului. În scopul verificării acestora, dar și a datelor obținute în Capitolul 4, se simulează diferite situații pe standul experimental din cadrul Universității Politehnica București-Facultatea de Energetică. Standul experimental are următoarea structură:

Figura 5.1 Structura standului experimental

După cum se poate vedea în figura 5.1, sistemul este compus dintr-o turbină eoliană care conectată la sistemul de curent continuu printr-un redresor, un panou fotovoltaic, o pilă de combustie și un sistem de stocare. Trebuie menționat că turbina eoliană este cu trei cu pale orizontale, iar viteza vântului este simulată cu un motor cuplat la turbină. Radiația solară este simulată cu ajutorul unor lămpi, iar panoul fotovoltaic este conectat la circuit printr-un stabilizator de tensiune. Pila de combustie este și ea conectată la circuit prin intermediul unui convertor c.c/c.c., iar alimentarea ei se face dintr-o butelie de hidrogen (fig. 5.2). Conectarea acumulatorilor se face prin intermediul unui stabilizator bidirecțional. Tensiunea continuă este apoi transformată în tensiune alternativă 230V/50Hz prin intermediul a 3 invertoare de tip având puterea de 250W fiecare pentru alimentarea consumatorilor la tensiune alternativă.

Simularea se face pentru un sistem de curent continuu, hibrid fotovoltaic-eolian neracordat la rețea, rezerva fiind asigurată de acumulatori, deci este utilizată doar o parte componentă a standului experimental, figura 5.3.

Figura 5.3 Schema sistemului hibrid simulat

Specificațiile tehnice ale standului experimental sunt prezentate în tabelul 5.1.

Tabelul 5.1 Specificațiile tehnice ale sistemului

În concluzie turbina eoliană produce curent alternativ și livrează prin intermediul invertorului curent continuu către sarcină, panoul fotovoltaic furnizează curent continuu circuitului prin intermediul convertorului de curent continuu. Ambele sunt conectate la acumulatori prin intermediul unui convertor bidirecțional. În cazul în care energia produsă este mai mare decât sarcina acumulatorii sunt încarcărcați, în cazul în care energia produsă este mai mică decât cea necesarul, consumatorul este alimentat prin întermediul convertorului bidirecțional.

Turbina eoliană este un generator de curent fără perii, cu magnet permanent. Panoul fotovoltaic este alcătuit din 72 de celule fotovoltaice monocristaline conectate în serie. Convertorul de tensiune este echipat cu IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) și permite controlul tensiunii rețelei de curent continuu și menținerea acesteia la valoarea necesară. Acesta permite, de asemenea, obținerea unor frecvențe de comutație mari pentru ca puterea ieșită să fie stabilă și la nivelul solicitat de sarcină. Convertorul este controlat PWM (Pulse Width Modulation) pentru a obține un curent de fază sinusoidal, funcție de tensiunea de intrare.

Rezerva de energie în cazul întreruperilor de scurtă durată este asigurată de acumulatorii cu ciclu profund de descărcare. Convertorul bidirecțional asigură încărcarea acumulatorilor atunci când sistemul produce energie în exces.

Pentru a gestiona alimentarea cu energie a consumatorilor și pentru a evita interacțiunea dintre componentele sistemului și a fenomenelor de curenți tranzitorii, este nevoie de o unitate de control care monitorizează întregul sistem și fiecare componentă în parte, figura 5.4.

Figura 5.4 Schema de monitorizare a sistemului hibrid

Există două situații de operare ale sistemului pe care unitatea de control trebuie să le monitorizeze, cea în care sistemul asigură întreaga nevoie de energie și cea în care sistemul nu poate asigura necesarul și alimentarea consumatorilor se face din acumulatori.

În cazul în care alimentarea consumatorilor trebuie realizată din sistemul de stocare, unitatea de control comută consumatorii pe acumulatori dacă tensiunea de la terminalele acumulatorilor se află în intervalul Vstmin și Vstmax , pentru a evita descărcarea completă a acumulatorilor sau suprasarcina, figura 5.5.

Figura 5.5 Bucla de control a acumulatorilor

Puterea schimbată de acumulatori este determinată prin impunerea curentului absorbit de convertor. Sistemul de control este format din două bucle, una care reglează procesul de încărcare (bucla superioară în figura 5.5), precum și una care reglează procesul de descărcare (bucla inferioară în figura 5.5), care nu acționează simultan.

Inițial, tensiunea Vdc este măsurată la fiecare moment și este trimisă la un filtru trece-jos. Scopul filtrului este de a reduce oscilațiile tensiunii circuitului în curent continuu, care ar fi văzută de către sistemul de control ca un zgomot de semnal. Semnalul de ieșire de la filtru trece-jos, Vdc, este comparat în bucla de control superioară cu valoarea tensiunii de încărcare impusă pentru circuitul în curent continuu. Procesul de reîncărcare este realizat prin menținerea constantă a curentului pentru tensiuni ale sistemului în c.c. mai mari decât valoarea de consemn Vstch cel puțin un timp determinat t. Valoarea de referință a curentului Iref va avea valoarea curentului de încărcare, care pentru baterie se poate considera 1/10 din capacitatea bateriei exprimată în Ah. Valoarea de referință devine negativă în condiții de încărcare a bateriei pentru că sistemul de stocare absoarbe curent.

În bucla inferioară tensiunea Vdc este comparată cu valoarea Vstdis a tensiunii de descărcare. Eroarea rezultată este trimisă la un regulator PI care are sarcina de a stabiliza tensiunea sistemului în c.c. Semnalul de ieșire din acest regulator PI este limitat astfel încât curentul cerut electric să nu depășească curentul maxim furnizat de baterie Idis.

Logica de control trebuie să permită să întrerupă procesul de încărcare, în cazul în care sistemul este complet încărcat și de descărcare în cazul în care sistemul este complet descărcat. Pentru comutația tranzistoarelor convertorului s-a folosit o tehnica bazată pe banda de histerezis.

Figura 5.6 ilustrează schema de conectare a turbinei eoliene la sistemul în c.c. și modul de simulare a vitezei vântului.

Figura 5.6 Modul de simulare a vitezei vântului

În figura 5.7 se poate vedea schema sistemului de control al convertorului c.c.-c.c. prin care panoul fotovoltaic este conectat la rețea.

Convertorul de interfață al generatorului PV trebuie să asigure funcționarea acestuia în punctul de caracteristică tensiune-curent care corespunde maximului de putere furnizată în funcție de condițiile de mediu; trebuie să se asigure, de asemenea, furnizarea întregii puteri disponibile, cu condiția ca alte componente din sistem (sarcini, acumulatori) să fie capabile să absoarbă această putere.

Figura 5.7 Schema de control a convertorului c.c.-c.c.

Tensiunea Vdc, măsurată la fiecare moment și filtrată printr-un filtru trece-jos pentru a reduce oscilațiile tensiunii circuitului în curent continuu, este comparată cu tensiunea de referință Vdcref. Pentru această tensiune trebuie să fie convenabil selectată o valoare mai mare decât cea nominală, pentru că este tensiunea de referință la care sistemul de control stabilizează tensiunea prin limitarea puterii furnizate de către generatorul fotovoltaic; această situație poate apărea, de exemplu, în condiții de putere produsă de generatoarele locale mai mare decât cea necesară pentru sarcinile conectate la rețeaua de tensiune continuă.

Determinarea valorii curentului de referință se obține plecând de la semnalul IMPP de la sistemul de urmărire al punctului de maximă putere (MPP – Maximum Power Point tracking), care identifică curentul care trebuie să fie furnizat de panou, astfel ca acesta să producă puterea maximă în funcție de condițiile de mediu de iradiere și temperatură.

Acest sistem nu a fost pus în aplicare: semnalul IMPP a fost presupus prin urmare constant și corespunzând punctului său optim de funcționare în condiții standard de iradiere și de temperatură.

Curentul de referință IMPP se înmulțește cu un semnal între 0 și 1, care este rezultat
dintr-un limitator a cărei intrare (Kcorr) derivă din inelul de control al tensiunii: pentru valori de tensiune continuă mai mici decât Vdcref, ieșirea regulatorului PI are valori mari pe care limitatorul le stabilește la 1, și curentul de referință este, așadar, egal cu IMPP (generatorul injectează toată puterea disponibilă).

Pentru valori de tensiune aproape de Vdcref ieșirea regulatorului ia o valoare mai mică decât 1 și curentul de referință este o fracțiune a semnalului de la sistemul de urmărire al punctului de maximă putere (generatorul produce o putere mai mică decât maximul disponibil).

Pentru comutația tranzistoarelor convertorului s-a folosit o tehnică bazată pe banda de histerezis.

5.2 DATE EXPERIMENTALE

În acest capitol se dorește examinarea experimentală a unui sistem hibrid pentru a demonstra eficiența sa și pentru a determina unde sistemul cedează și nu îndeplinește cerințele consumatorilor.

Testele experimentale realizate pentru analiza funcționării sistemului au demonstrat că acesta funcționează corect și furnizează parametrii necesari funcționării sistemului. În figura 5.8 se poate observa funcționarea sistemului dacă se variză viteza vântului (în fig. culoarea maro), tensiunea la care se alimentează consumatorii este menținută la nivelul nominal (în fig. culoarea abastru), tensiunea generată de turbina eolină este ilustrată cu culoarea roșu, se poate observa că în momentul în care nivelul de tensiune este mai mare decât cel cerut de sistem, surplusul este livrat sistemului de stocare. De asemenea, se poate observa perioada în care viteza vântului este redusă brusc, precum și dinamica sistemului.

Figura 5.8 Funcționarea sistemului în cazul variației vitezei vântului în timp

În timpul variației vitezei vântului s-a testat și calitatea curentului injectat în sistemul de stocare, culoarea verde, figura 5.9, tensiunea curentului continuu în sistem are culoarea roșie, iar curentul alternativ livrat către consumatorii alimentați în c.a figurează având culoarea albastru. Se pot observa clar perioadele unde viteza vântului este crescută..

Figura 5.9 Curentul injectat în acumulatori în cazul variației vitezei vântului

În figura 5.10 sunt prezentate datele experimetale obținute pentru panoul fotovoltaic; tensiunea livrată circuitului este figurată având culoarea albastru, iar tensiunea de intrare a panoului este figurată având culoarea roșie.

Figura 5.10 Date experimentale pentru panoul fotovoltaic

S-au realizat experimente și pentru situația în care nici panoul fotovoltaic, nici turbina eoliană nu livrează curent consumatorilor, iar necesarul de energie este asigurat de către acumulatori, figura 5.11, figura 5.12. Întreruperile au fost de scurtă durată, 4 ms, în timpul acestora tensiunea circuitului scăde până la valoarea VBS = 0,96 p.u. din valoarea tensiunii de referință a sistemului de stocare (fig. 5.11), acumulatorii preiau sarcina. După prima întreruperere în care tensiunea scade, iar acumulatorii vor atinge un vârf de putere pentru a compensa scăderea tensiunii, tensiunea se va stabiliza la valoarea nominală VBS, iar curentul va atinge valoarea necesară sistemului.

Figura 5.11 Variația tensiunii acumulatorilor în timpul întreruperii

Figura 5.12 Variația curentului în acumulatori în timpul întreruperii

După cum se poate observa în figura 5.12, acumulatorii injectează un curent electric pentru alimentarea sarcinii. În momentul în care sistemul produce din nou energie, curentul în acumulatori scăde până atinge valoarea zero, iar sarcina va fi complet alimentată din sursele regenerabile (fig. 5.12).

De asemenea, în timpul studiului experimental s-au verificat și parametrii la care sunt alimentați consumatorii de curent alternativ.

Din figura 5.13, se poate observa că alimentarea consumatorilor se face cu un curent electric de formă sinusoidală și în fază cu tensiunea, evitându-se astfel absorbția de putere reactivă și a componentelor armonice de joasă frecvență.

Figura 5.13 Variația curentului alternativ

În concluzie experimentele realizate pe sistemul hibrid au relevat faptul că acesta este capabil, indiferent de natura turbinei eoliene, să livreze energie electrică la parametrii necesari consumatorilor indiferent de curentul în care se alimentează aceștia.

CONCLUZII

În acest capitol s-a prezentat structura standului experimental din cadrul Facultății de Energetică și modul acestuia de funcționare. Acesta este compus dintr-un sistem hibrid fotovoltaic-eolian cu pilă de combustie și stocare în acumulatori. Pila de combustie poate fi inhibată pentru a forma un sistem hibrid fotovoltaic-eolian. Astfel, calculele tehnice realizate în Capitolul 4 au fost verificate prin simularea experimentală a sistemului hibrid cu ajutorul standului experimental. În cadrul studiului s-au variat atât viteza vântului cu ajutorul motorului de curent alternativ la care este cuplată tubina eoliană, cât și a radiației solare, cu ajutorul variatorului de intensitate la care sunt conectate lămpile. Simulările realizate vin în sprijinul concluziilor stabilite în capitolul anterior.

Experimentele pe modelul fizic al sistemului hibrid demonstrează că acesta poate livra consumatorilor, atât celor alimentați în curent alternativ cât și celor alimentați în curent continuu, necesarul de energie electrică la paramentrii necesari de tensiune și intensitate, curbele de curent au formă sinusoidală și sunt în fază cu tensiunea. Nu sunt generate componente armonice de frecvență joasă și nu este absorbită putere reactivă. Comutarea între cele trei componente se realizează cu ușurință, fără întreruperi în alimentare, iar în momentele de gol acumulatorii preiau sarcina și livrează energia la parametrii ceruți de consumator prin intermediul convertorului și regulatorului de tensiune.

CAPITOLUL 6

CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PROPRII

6.1 CONCLUZII GENERALE

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 ieftină, 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 în special creșterii populației. Se apropie, astfel un punct critic al intersecției curbei de scădere a resurselor cu cea 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 electrice trebuie stopat și înlocuit, nu doar pentru asigurarea nevoilor tot mai mari de energie, dar mai ales pentru protecția mediului înconjurător din ce în ce mai afectat de activitatea umană.

În acest context tema de cercetare privind integrarea surselor regenerabile de energie electrică este de mare actualitate și impact. Conform celor prezentate în lucrarea de față se poate observa tendința mondială și națională de a investi cât mai mult în unități de producere a energiei din surse regenerabile, dar și în cercetare pentru a descoperi metode cât mai eficiente de exploatare ale acestora și de combatere a dezavantajelor utilizării lor.

Există multiple avantaje ale surselor regenerabile:

mai puține gaze cu efect de seră;

mai puține deșeuri;

reducerea dependenței energetice mai ales în cazul consumatorilor izolați și a țărilor aflate în dezvoltare;

alimentarea facilă a consumatorilor izolați;

terenul utilizat în cazul unora dintre tipurile de resurse poate fi folosit și pentru altceva, de exemplu terenul unde sunt amplasate parcuri de turbine eoliene care poate fi folosit pentru diverse culture;

noi oportunități pentru mediul de afaceri, în special prin apariția de noi locuri de muncă în producție, instalare și mentenanță.

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 care trebuie atent corelate cu regimurile de exploatare (relația producție-consum), aceste regimuri sunt diferite în funcție de natura consumatorilor;

devine necesară optimizarea circuitelor utilizatorului, dar și a condițiilor de instalare a diferitelor tipuri de receptoare;

graficul de producție care trebuie armonizat cu graficul de consum;

este necesară coordonarea a relațiilor dintre consumatori;

de-a lungul duratei de viață a sistemelor de alimentare din surse regenerabilă trebuie combătută problema diminuării interesului consumatorului privind aspectele de exploatare și de mentenanță ale instalației.

Utilizarea instalațiilor hibride eoliene-fotovoltaice reprezintă o opțiune importantă pentru realizarea acestor obiective și pentru amortizarea unora dintre dezavantajele surselor de energie regenerabile. Cele mai importante dezavantaje sunt:

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, un alt exemplu îl constituie panourile fotovoltaice unde suprafețele necesare sunt și mai mari (avem în vedere și componenta fotovoltaică din studiul de față unde este nevoie de o suprafață de 120 m2 pentru o putere instalată de 18 kW);

producerea de energie electrică are un caracter intermitent și variabil, aspect foarte important în cazul consumatorilor care nu suportă întreruperi în alimentare precum amplasamentele de radiocomunicații;

zonele cu potențial ridicat sunt departe de zonele unde este necesară alimentarea și necesită investiții în transportul energiei electrice produse, în cazul în care energia produsă este livrată la rețea;

poluarea estetică a mediului, mai ales în cazul turbinelor eoliene și a panourilor fotovoltaice;

afectarea în mod negativ a faunei, acest lucru este valabil mai ales în cazul turbinelor eoliene care pot perturba rutele de migrație ale păsărilor;

investițiile mari cauzate de faptul că tehnologiile de producere a energiei elecrice din surse regenerabile sunt tehnologii noi și din faptul că în general eficiența de conversie a resursei în energie electrică este relativ scăzută fiind, deci necesară o supradimensionare a sistemelor de producție a energiei electrice;

cost relativ ridicat al energiei electrice produse.

Dintre toate aceste dezavantaje cel mai mare îl reprezintă investițiile mari atât în soluția tehnică (panouri fotovoltaice, turbina eoliană, acumulatori etc.), cât și în suprafața de teren necesară aplicării acestei soluții. Însă după cum se poate observa din datele prezentate în Capitolul 4 uneori investițiile în lucrările de branșare la rețeaua publică de distribuție pot fi egale cu investiția în sitemul hibrid sau chiar mai mici. De asemenea, se pot realiza economii din prețul pe care consumatorul nu îl mai plătește furnizorului de energie.

O parte din dezavantajele prezentate nu se mai aplică pentru cazul în care se alimentează un consumator izolat de natura celui avut în vedere la elaborarea prezentului studiu. Deși amplasamentele de telecomunicații au cerințe specifice greu de satisfăcut, precum faptul că nu trebuie să aibă întreruperi în alimentare, în cazul de față, dat fiind că amplasamentul este izolat, nu se mai aplică poluarea estetică, iar faptul că turbina este amplasată aproape de sol elimină riscul de accidente în cazul păsărilor care se lovesc de pale; de asemenea dimensiunile mari ale palelor turbinei elicoidale fac mai vizibil obstacolul pentru acestea. Costurile mari ale energiei produse și costurile privind transportul enegiei nu mai pot fi avute în vedere doarece sistemul nu livrează energie la rețea și așa cum s-a menționat anterior investiția poate fi justificată în funcție de costul branșamentului electric.

Singurul dezavantaj de care trebuie ținut cont și care trebuie să fie atenuat este caracterul intermintent și variabil al energiei produse din surse regenerabile; de aceea s-a ales un sistem hibrid, componentele acestuia trebuind să se compenseze una pe cealaltă, iar natura consumatorului, care nu suportă întreruperi în funcționare a condus la alegerea turbinei eoliene. În Capitolul 3 s-a realizat o analiză a sudiilor de specialitate privind randamentul tipurilor de turbine și s-a ales pentru alimentarea amplasamentului de comunicații turbina cu rotor elicoidal, randamentul asteia fiind cel mai mare.

În urma experimentelor realizate pe prototipul experimental prezentat în Capitolul 5 se poate spune că soluția de alimentare cu sistem hibrid este una viabilă, parametrii livrați consumatorilor îndeplinind cerințele de tensiune, intensitate și putere ale acestora, alimentarea cu energie fiind continuă și stabilă, de asemenea, comutarea de pe o sursă pe alta se face cu ușurință, fără întreruperea consumatorului

6.2 CONTRIBUȚII PROPRII

În Capitolul 1 prin studiu bibliografic s-au evidențiat factorii care influențează sectorul energetic la momentul elaborării tezei; s-a realizat o analiză a situației actuale cu privire la utilizarea resurselor regenerabile la nivel mondial, european și național, precum și nivelul investițiilor în acest domeniu; s-a realizarat o sinteză a tipurilor de resurse regenerabile și a principalelor tehnologii utilizate pentru conversia resursei regenerabile în energie electrică;
s-au evidențiat cu ajutorul hărților zonele cu potențial crescut de resurse regenerabile, indiferent de tipul acestora, atât la nivel mondial, cât și la nivel național. Această analiză s-a realizat în scopul determinării celui mai oportun tip de resursă regenerabilă care poate fi utilizat la alimentarea cu energie elecrică a amplasamentului de radiocomunicații. Celulele de radiocomuncații au o răspândire largă și pot fi instalate în zone cu potențial geotermal, eolian, solar, hidro sau pot fi amplasate pe clădiri din diferite localități, astfel putând fi alimentate și prin biomasă.

Capitolul 2 prezentă prin studiu bibliografic situații reale de alimentare din sisteme hibride la nivel mondial, sunt studiate sisteme hibride de tipul fotovoltaic-eolian, fotovoltaic-hidro, eolian-pile de combustie, eolian-hidro și fotovoltaic-biogaz. Tot prin studiu bibliografic s-a realizat o sinteză privind diferitele modalități de stocare a energiei (cu aer comprimat, prin superconductivitate magnetică, în supercapacitori, în volante), cu accent pe tipurile de acumulatori. Analizele realizate în acest capitol vin în sprijinul alegerii celei mai bune soluții de alimentare cu energie electrică a consumatorului, dar și pentru a alege cea mai fiabilă metodă de stocare a energiei produsă de către sistemul hibrid.

În Capitolul 3 s-au sintetizat aspectelor specifice amplasamentelor de radiocomuncații prin analiza bibilografică; s-a realizat un studiu de caz privind consumul, puterea instalată similar celui ce se dorește a fi alimentat prin sistemul hibird; s-a realizat o analiză privind direcția din care bate vântul în amplasamentul studiat de radiocomunicații pentru a veni în sprijinul tipului de turbină propus; s-a realizat prin analiză bibliografică un studiu comparativ privind tipurile de turbine eoline, cu accent asupra randamentului acestora; prin analiza bibilografică s-au detaliat aspecte specifice turbinelor eoliene cu ax elicoidal precum și avantajele și dezavantajele utilizării acestora. De asemenea, sunt expuse modelele matematice ale turbinei eoline, panourilor fotovoltaice și acumulatorilor. Tot în Capitoulul 3 s-au dimensionat componenta eoliană, puterea instalată fiind de 10 kW și componenta fotovoltaică, 60 de panouri fotovoltaice cu puterea de 300 W, în vederea alimentării amplasamentului de radiocomunicații propus. În urma analizei detaliate a tipurilor de turbine eoliene s-a propus și argumentat utilizarea pentru sistemul hibrid a unei turbine eoliene cu rotor elicoidal.

În Capitolul 4, din date meteorologice pentru o perioadă de cinci ani (2010-2014) s-a realizat un studiu asupra variației radiației solare și a vitezei vântului, disponibilității acestor tipuri de resurse regenerabile și asupra energiei produse de către sistemul hibrid fotovoltaic eolian propus. Analzia datelor metorologice și a parametrilor generați de către sistem s-a realizat la nivel anual, lunar, zilnic, iar pentru anul 2014 analiza s-a realizat la nivel orar. S-a studiat funcționarea fiecărei componente în parte, dar și a întregului. S-a realizat o situație comparativă a celor două componente, solară și eoliană, și în funcție de disponibilitatea resursei s-a dimensionat bateriile de acumulatori.

Pentru a veni în sprijinul concluziilor de ordin tehnic, s-a realizat un calcul economic pentru a vedea dacă sistemul hibrid își justifică investiția; s-a pus accent pe costurile racordării la reațeaua de distribuție publică și pe costurile cu energia pe care consumatorul ar trebui să o plătească unui furnizor de energie; s-a realizat o analiză a fluctuației prețului MWh de-a lungul anilor 2010-2015 pe Piața Centralizată a Contractelor Bilaterale; s-a realizat o analiză privind evoluția tarifelor reglementate privind transpotul și distribuția energiei electrice în perioada 2010-2015; s-a analizat modul de compunere a prețului propriu de furnizare în perioada 2010-2015 și a factorilor care determină variațiile de preț.

În urma datelor analizate în acest capitol se poate susține că sistemul hibrid fotovoltaic-eolian cu stocare în acumulatori Acid-Plumb își justifică instalarea atât din punct de vedere ethnic, cât și economic.

Deoarece concluziile din capitolul anterior se bazează doar pe studii teoretice și matematice în Capitolul 5 s-a realizat testarea experimentală a unui sistem hibrid fizic pe standul experimental al Facultății de Energetică în vederea evaluării parametrilor sistemului. S-au analizat parametrii U, I, P, generați de către standul experimental și modul de comuntare între sursele de energie. Datele obținute experimental pe sistemul fizic susțin oportunitatea implementării unui sistem hibrid fotovoltaic-eolian.

6.3 DEZVOLTĂRI ULTERIOARE

În prezent în România operatorii de telecomunicații încearcă să gasească soluții pentru alimentarea cât mai fiabilă a amplasamentelor izolate, dar și pentru a-și reduce costurile cu energia electrică la funizor. Sunt implementate de către diferiți operatori de telefonie mobilă sisteme hibride fotovoltaice-eoliene, figura 6.1, dar soluțiile lor utilizează turbine cu ax orizontal cu trei pale. Așa cum s-a precizat într-un capitol anterior, acestea au un randament mai mic decât turbinele cu rotor elicoidal.

Figura 6.1 Exemple de sisteme hibride care alimentează amplasamente de radiocomunicații

Având în vedere avantajele turbinei eoliene studiate și a utilizării unui sistem hibrid, turbină eoliană cu ax elicoidal, panouri fotovoltaice, se consideră oportună implementarea unui sistem în vederea alimentării cu energie electrică a unui amplasament de radiocomunicații precum și analiza parametrilor generați de către sistemul hibrid, dar și a disponbilității sistemului.