În sectorul energetic din majoritatea statelor europene s-au produs transformări majore determinate de necesitatea creșterii siguranței în… [311050]

Cuprins

INTRODUCERE

În sectorul energetic din majoritatea statelor europene s-au produs transformări majore determinate de necesitatea creșterii siguranței în alimentarea cu energie a consumatorilor, iar în cadrul acestei cerințe sursele regenerabile de energie oferă o [anonimizat] a mediului înconjurător.

Siguranța alimentarii cu energie a consumatorilor din statele membre ale Uniunii Europene este asigurată în mod obligatoriu prin luarea în considerare a importurilor, în condițiile liberalizării pieței de energie și în conformitate cu nevoia stringentă de atenuare a impactului asupra mediului climatic planetar.

Obiectivul strategic propus în Cartea Albă pentru o [anonimizat] 2010, a [anonimizat] 6% la 12% din consumul total de resurse primare.

[anonimizat] , în anul 2010, urmează să aibă un nivel de circa 11%, iar în anul 2015 de 11,2%. Totodată , în Cartea Albă pentru o Strategie Comunitară și Planul de acțiune " Energie pentru viitor: sursele regenerabile ", elaborată în anul 1997 [anonimizat] " Campaniei de demarare a investițiilor ". În " Campania de demarare a investițiilor " [anonimizat] 2003, a [anonimizat]:

15 milioane m2 colectoare solare pentru producerea de apă caldă;

1 milion unități energetice de tip fotovoltaic;

10.000 MW în aerogeneratoare cu turbine eoliene;

10.000 MWt în instalații energetice de cogenerare cu combusibil pe bază de biomasă;

1 milion gospodării individuale cu încălzire asigurată din resurse energetice pe bază de biomasă;

1.000 MW în instalații energetice cu producere de biogaz;

5 [anonimizat];

100 comunități umane izolate (așezări locale) al căror necesar de energie se asigură din surse regenerabile.

[anonimizat] a [anonimizat], [anonimizat]. În paralel și populația globului a [anonimizat]. [anonimizat] a [anonimizat]. Așadar, [anonimizat]-un viitor nu prea îndepărtat.

Oamenii au început să cerceteze și să caute noi resurse de energie și modul în care acestea pot fi valorificate încă de pe acum. Astfel, în urma multor studii a început să fie tot mai des utilizat termenul de „energie regenerabilă” sau „energie neconvențională”.

Energia regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din pricese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a vântului, a apelor curgătoare, a proceselor biologice și a căldurii geotermale pot fi captate de către oameni utilizând diferite procedee.

Dintre sursele regenerabile de energie fac parte: energia derivată din biomasă (biodiesel, bioetanol, biogaz), [anonimizat] (hidraulică și a mareelor), [anonimizat].

Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului electric, a [anonimizat].

Investițiile globale anuale în energia regenerabilă au crescut în ultimii ani de la 39 miliarde dolari, în 2005, la 55 miliarde dolari, în 2006. În anul 2007 investițiile au atins un nivel de 100 miliarde dolari.

Conform Directivei 2003/30/CE a Uniunii Europene, statele membre trebuie să amestece treptat combustibilul tradițional utilizat în transport cu biocombustibil, astfel încât până în 2010, biodieselul să reprezinte 5,75% din motorina de pe piață, urmând ca, în 2020,ponderea să crească la 20%.

Utilizarea biomasei, a energiei geotermale, a energiei hidraulice, a energiei solare și eoliene, precum și a energiei valurilor, depinde de fluxul de energie generat de natură, de căldura emanată de centrul pământului, de cursurile de apă, de soare, de mișcarea perpetuă a lunii. Aceste surse de energie fiind independente de scara evolutivă a timpului sunt cunoscute sub numele generic de surse de energie regenerabilă (sau reînnoibilă).

Din punct de vedere economic, comparativ cu energia obținută cu ajutorul combustibililor fosili și a energiei nucleare, costul diferitelor surse de energie regenerabilă pare mai oneros datorită metodelor de producere, a unei cereri slabe ale pieței și echipamentelor de vârf necesare. Totodată, dacă se ține cont de costul total, la care trebuie să se adauge stricăciunile ecologice ocazionate de folosirea combustibililor fosili și a energiei nucleare, în raport cu avantajele, de exemplu un impact scăzut al surselor de energie regenerabilă asupra mediului, se poate spune că tendința dezvoltării și aplicării acestora din urmă prezintă, neîndoelnic, un avantaj în optica unei dezvoltări economice durabile.

Este convenabil să se promoveze sursele de energie și practicile care sunt pozitive pentru mediul ambiant și să se intensifice eforturile pentru a gestiona emisiile poluante generate de producerea de energie. Chiar dacă unele surse de energie regenerabilă sunt exploatate de mult timp (hidroenergia, de exemplu), este esențial să se atragă atenția constructorilor, consumatorilor, guvernanților și investitorilor și asupra celorlaltor surse de energie regenerabilă, astfel încât ponderea energiei electrice produse grație surselor regenerabile (fig.1) să poată crește în viitorul apropiat.

Fig.1 Ponderea productiei de energie regenerabila in tarile europene

Guvernele vor trebui să ia măsuri în domeniile fiscalității, a subvențiilor și a reglementărilor, care nu numai că le vor ajuta să-și atingă obiectivele în materie de securitate energetică și mediu, dar vor contribui de asemenea la promovarea progresului tehnic și la dezvoltarea economică.

CAPITOLUL 1

Instalatii eoliene integrate in retea

1.1 Generatoare Eoliene

Potențial eolian în România

În strategia de valorificare a surselor regenerabile de energie, potențialul eolian declarat este de 14.000 MW (putere instalată), care poate furniza o cantitate de energie de aproximativ 23.000 GWh/an. Aceste valori reprezintă o estimare a potențialului teoretic, și

trebuie nuanțate în funcție de posibilitățile de exploatare tehnică și economică.

Pornind de la potențialul eolian, ceea ce interesează însă este potențialul de valorificare practică în aplicații eoliene, potențial care este mult mai mic decât cel teoretic, depinzând de posibilitățile de folosire a terenului și de condițiile pe piața energiei.

De aceea potențialul eolian valorificabil economic poate fi apreciat numai pe termen mediu, pe baza datelor tehnologice și economice cunoscute astăzi și considerate și ele valabile pe termen mediu.

S-a ales calea de evaluare a potențialului valorificabil al țării noastre cea macroeconomică, de tip top-down, pornind de la următoarele premise macroeconomice:

– condițiile de potențial eolian tehnic (viteza vântului) în România care sunt apropiate de media condițiilor eoliene în ansamblul teritoriului Europei;

– politica energetică și piața energiei în România vor fi integrate în politica europeană și piața europeană a energiei și în concluzie indicatorii de corelare macroeconomică a potențialul eolian valorificabil pe termen mediu și lung (2030-2050) trebuie să fie apropiați de indicatorii medii europeni.

Ca indicatori macroecomici s-au considerat:

– Puterea instalată (sau energia produsă) în instalații eoliene în corelație cu PIB pe

cap de locuitor –indicatorul Peol/PIB/loc sau Eeol/PIB/loc

– Energia electrică produsă în instalații eoliene în corelație cu consumul brut de

energie electrică- indicatorul (cota) Eeol/ Eel

Datele de potențial tehnic și economic eolian sunt urmatoarele:

POTENȚIAL ENERGETIC EOLIAN

De asemenea în strategie se propune instalarea a 120 MW până în anul 2010 și a încă 280

MW până în anul 2015.

Conform acestei evoluții, energia electrică produsă din surse eoliene ar asigura cca 1,6 % din consumul brut de energie electrică în anul 2010. Raportat la cantitatea de energie prevazută din surse regenerabile fară hidro de mare putere, energia eoliană ar asigura12,3% din această cantitate.

Reanalizând datele din strategie, considerăm că există rezerve suficiente pentru o dezvoltare și mai importantă a aplicațiilor eoliene decât cea prevazută.

Față de un potențial tehnic amenajabil de 3600 MW (8000 GWh/an), cotele țintă pentru aplicațiile eoliene, pot fi până în 2015 de 200 MW în 2010 și de 600 MW în 2015.

Zonarea resurselor de vânt. Harta eoliană a României

S-a considerat necesară și oportună abordarea unor activități de reevaluare a potențialului eolian al României, prin utilizarea unor mijloace și instrumente adecvate (aparatură de masură, softuri adecvate etc.) pornind de la datele de vânt masurate la 22 stații aparținand ANM.

La stațiile meteorologice măsurarea celor doi parametri ai vântului, direcția și viteza, se efectuează, conform recomandărilor OMM (Organizația Meteorologică Mondială), la înălțimea de 10 m deasupra solului.

Din pacate,recomandarile UE în domeniu, precum și practica actuală, a dovedit însa că viteza de la care este rentabilă exploatarea vântului ca resursă energetică trebuie să se refere la viteza vântului de la înălțimea rotorului turbinelor centralelor eoliene, situat în prezent de obicei la înălțimi mari (50, 70, 80, 90 m deasupra solului).

Ca urmare, a fost elaborată harta eoliană a României care cuprinde vitezele medii anuale calculate la înalțimea de 50 m deasupra solului ( Fig. 1.1).

Distribuția pe teritoriul României a vitezei medii a vântului scoate în evidență ca principală zonă cu potențial energetic eolian, aceea a vârfurilor montane unde viteza vântului poate depăși 8 m/s.

A doua zonă cu potențial eolian ce poate fi utilizat în mod rentabil o constituie Litoralul Mării Negre, Delta Dunării și nordul Dobrogei unde viteza medie anuală a vântului se situează în jurul a 6 m/s. Față de alte zone, exploatarea energetică a potențialui eolian din această zonă este favorizată și de turbulența mai mică a vântului. Cea de a treia zonă cu potențial considerabil o constituie Podișul Bârladului unde viteza medie a vântului este de circa 4-5 m/s. Viteze favorabile ale vântului mai sunt semnalate și în alte areale mai restrânse din vestul țării, în Banat și pe pantele occidentale ale Dealurilor Vestice .

Fig. 1.1 Distribuția vitezei medii anuale a vântului pentru înaltimea de 50 m

Locații pentru aplicații eoliene

Pentru alegerea amplasamentelor aferente sistemelor eoliene s-au parcurs următoarele

etape:

1) S-au analizat următoarele zone de interes:

􀂾 Zona Dobrogea

􀂾 Zona Banat

􀂾 Zona Moldova

Stabilirea acestor zone s-a făcut inițial pornind de la faptul că toate sunt situate în subzonele de potențial eolian favorabil I-II corespunzător formelor de relief: dealuri și podișuri, montană, zona litorală/mare, campie (cu viteze ale vântului de peste 5 m/s), conform datelor cuprinse în harta eoliană a României.

2) Investigații în teren

S-au investigat o varietate de amplasamente favorabile din punct de vedere al vântului. În urma investigațiilor din teren s-au selectat locațiile amplasate în zone conform Fig. 1.2. Precizarea concretă a locului de amplasare a turbinelor eoliene se face în urma

investigațiilor din teren, ținând seama de planurile de cadastru, configurația terenului etc.

Fig. 1.2 Zonarea locațiilor pentru aplicarea eolienelor

În prezent, eolienele sunt, aproape în totalitate cu ax orizontal, cu excepția modelelor cu ax vertical ca cele cu rotor Savonius și Darrieus, care sunt încă utilizate, dar sunt pe cale de dispariție.

Ultimele inovații permit funcționarea eolienelor cu viteză variabilă, respectiv reglarea vitezei turbinei eoliene în funcție de viteza vântului.

Energia de origine eoliană face parte din energiile regenerabile. Aero-generatorul utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său. Aceasta este transformată în energie mecanică, care la rândul ei este transformată în energie electrică de către generatorul cuplat mecanic la turbina eoliană. Acest cuplaj mecanic se poate face fie direct, dacă turbina și generatorul au viteze de același ordin de mărime, fie se poate realiza prin intermediul unui multiplicator de viteză. În sfârșit, există mai multe posibilități de a utiliza energia electrică produsă: fie este stocată în acumulatori, fie este distribuită prin intermediul unei rețele electrice, fie sunt alimentate sarcini izolate. Sitemele eoliene de convesie au și pierderi. Astfel, se poate menționa un randament de ordinul a 59 % pentru rotorul eolienei, 96% al multiplicatorului. Trebuie luate în considerare, de asemenea, pierderile generatorului și ale eventualelor sisteme de conversie.

Totuși, problemele ce apar la interconectarea acestor sisteme cu Sistemele Energetice Naționale au dus la folosirea unor etaje intermediare electronice de putere pentru conversia, monitorizarea și corectarea parametrilor energetici caracteristici sistemelor eoliene. O schemă a unui astfel de sistem eolian este prezentată în figura 1.3.

În general, principiul de gândire asupra sistemelor eoliene a devenit macroscopic, de puteri mari; există cazuri însă când pot fi implementate și sisteme de puteri mici, de ordinul zecilor de kilowați, pentru alimentarea unor consumatori insulari, în zone în care Sistemul Energetic Național nu are acoperire, sau se încearcă o diminuare a consumului de la rețeaua națională.

Apariția pe piață a noi componente semiconductoare, precum și îmbunătățirea parametrilor de lucru ale acestora, face posibilă proiectarea și construirea de invertoare de tensiune cu randamente de funcționare ridicate și pierderi în comutație din ce în ce mai mici.

Elementele componente ale centralelor eoliene sunt redate în figura 1.4, în care distingem:

Elicea turbinei alcatuită din :

Pale ce sunt realizate dintr-un amestec de fibră de sticlă și materiale compozite. Ele au rolul de a capta energia vântului și de a o transfera rotorului turbinei. Profilul lor este rodul unor studii aerodinamice complexe, de el depinzând randamentul turbinei.

Butuc ce este prevăzut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permite orientarea palelor pentru controlul vitezei de rotație a turbinei eoliene.

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

Sistemul de răcire. Sunt prevăzute sisteme de răcire, atât pentru multiplicatorul de

viteză ce transmite eforturile mecanice între cei doi arbori, cât și pentru generator.

Ele sunt constituite din radiatoare de apă sau ulei și ventilatoare. Răcirea cu ulei

este utilizată pentru multiplicatoare.

Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice,

caracterizată de cuplu mare și viteze mici specifice turbinei eoliene, în putere de

viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic. Aceasta deoarece viteza turbinei eoliene este

prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului.

Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) și

arborele secundar (al generatorului).

Arborele generatorului sau arborele secundar antrenează generatorul electric

sincron. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care

limitează viteza de rotație în cazul unui vânt violent.

Sistemul electronic de control al funcționării generale a eolienei și a mecanismului de orientare. El asigură pornirea eolienei, reglarea înclinării palelor, frânarea, ca și orientarea nacelei în raport cu vântul.

Generatorul electric ce asigură producerea energiei electrice. Generatoarele de curent alternativ pot fi asincrone sau sincrone, în construcție clasică sau cu magneți permanenți, funcționând la viteză fixă sau variabilă.

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

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

Pilonul este, în general, un tub de oțel și un turn metalic. El susține turbina eoliană și nacela. Alegerea înălțimii este importantă, deoarece trebuie realizat un bun compromis între prețul de construcție și expunerea dorită la vânt. În consecință, odată cu creșterea înălțimii, crește viteza vântului, dar și prețul.

Fig. 1.4 Elementele unei turbine eoliene

Există mai multe tipuri de eoliene. Se disting însă două mari familii: eoliane cu ax vertical și eoliene cu ax orizontal. Indiferent de orientarea axului, rolul lor este de a genera un cuplu motor pentru a antrena generatorul.

•  Rotorul lui Savonius în cazul căruia, funcționarea se bazează pe principiul tracțiunii diferențiale. Eforturile exercitate de vânt asupra fiecăreia din fețele uni corp curbat au intensități diferite. Rezultă un cuplu care determină rotirea ansamblului.

Fig.1.5 Schema de principiu a rotorului lui Savonius

Fig. 1.6 Schema rotorului lui Savonius

•  Rotorul lui Darrieus se bazează pe principiul variației periodice a incidenței. Un profil plasat într-un curent de aer, în funcție de diferitele unghiuri, este supus unor forțe ale căror intensitate și direcție sunt diferite. Rezultanta acestor forțe determină apariția unui cuplu motor care rotește dispozitivul.

INCLUDEPICTURE "http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/Figures/illustrationscours/GeneralitesEolien2_eolienneDarrieus.jpg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/Figures/illustrationscours/GeneralitesEolien2_rotorDarrrieus.jpg" \* MERGEFORMATINET

Fig. 1.7 Imaginea unei eoliene Darrieus Fig.1.8 Schema rotorului lui Darrieus

1.2 Eoliene cu ax orizontal

Funcționarea eolienelor cu ax orizontal se bazează pe principiul morilor de vânt. Cel mai adesea, rotorul acestor eoliene are trei pale cu un anumit profil aerodinamic, deoarece astfel se obține un bun compromis între coeficientul de putere, cost și viteza de rotație a captatorului eolian, ca și o ameliorare a aspectului estetic, față de rotorul cu două pale.
Eolienele cu ax orizontal sunt cele mai utilizate, deoarece randamentul lor aerodinamic este superior celui al eolienelor cu ax vertical, sunt mai puțin supuse unor solicitări mecanice importante și au un cost mai scăzut.

Există două categorii de eoliene cu ax orizontal:

•  Amonte: vântul suflă pe fața palelor, față de direcția nacelei. Palele sunt rigide, iar rotorul este orientat, cu ajutorul unui dispozitiv, după direcția vântului.

INCLUDEPICTURE "http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/Figures/illustrationscours/GeneralitesEolien2_eolienneamont.gif" \* MERGEFORMATINET Fig. 1.9 INCLUDEPICTURE "http://www.lei.ucl.ac.be/multimedia/eLEE/RO/realisations/EnergiesRenouvelables/FiliereEolienne/Generalites/Generalites/Figures/illustrationscours/GeneralitesEolien2_eolienneaval.gif" \* MERGEFORMATINET

Schema unei eoliene cu ax orizontal amonte Schema unei eoliene cu ax orizontal aval

•  Aval: vântul suflă pe spatele palelor, față de nacelă. Rotorul este flexibil și se auto-orientează.

Dispunerea amonte a turbinei este cea mai utilizată, deoarece este mai simplă și dă cele mai bune rezultate la puteri mari: nu are suprafețe de direcționare, eforturile de manevrare sunt mai reduse și are o stabilitate mai bună.

Palele eolienelor cu ax orizontal trebuie totdeauna, orientate în funcție de direcția și forța vântului. Pentru aceasta, există dipozitive de orientare a nacelei pe direcția vântului și de orientare a palelor, în funcție de intensitatea acestuia.

În prezent, eolienele cu ax orizontal cu rotorul de tip elice, prezintă cel mai ridicat interes pentru producerea de energie electrică la scară industrială.

1.3 Randamentul eolienelor

Când se evaluează costul energiei produse de SCEE (sistem de conversie al energiei eoliene) de obicei se ține cont de gratuitatea energiei primare. Principalele elemente care influențează acest cost sunt: cantitatea puterii captate din vânt, disponibilitatea, costurile de operare și întreținere, precum și cele de producere și instalare.

Creșterea puterii captate din vânt se poate obține prin maximizarea randamentului aerodinamic de-a lungul unui domeniu larg de variație a vitezei de rotatie, lucru posibil prin operarea la viteză variabilă (randamentele transmisiei mecanice și al generatorului sunt suficient de înalte – între 0.7 și 0.9 – față de randamentul aerodinamic, având un maxim în jurul valorii de 0.5).

Randamentul aerodinamic se exprimă prin coeficientul de putere al SCEE, Cp , care depinde de așa-numita viteză relativă, λ , definită ca raportul dintre viteza periferică a palelor și viteza vântului:

, [1.1]

unde este viteza de rotație a arborelui lent și R este lungimea palelor. Pentru unghi de calare fix, randamentul aerodinamic, Cp (λ) , prezintă un maxim la o valoare bine determinată a vitezei relative, notată cu λ. Din cauza variațiilor de frecvență înaltă ale vitezei vântului, menținerea valorii maxime a lui Cp, notată ( Cp = Cp = Cp ) fără a afecta fiabilitatea SCEE, este la ora actuală o provocare în domeniul conducerii automate a SCEE.

Pornindu-se de la o lege, anume că puterea instalată a unei surse eoliene este proporțională cu pătratul razei elicei, rezultă că prin multiplicarea cu doi a lungimii palei elicei, puterea obținută crește de patru ori. În acest fel apar avantaje legate atât de reducerea numărului de instalații eoliene necesare pentru o zonă, cât și de reducerea masivă a costurilor globale.

Ecuația prezentată mai sus [1.1], simplă și cunoscută de mult timp nu a putut fi aplicată cu succes decât în ultima perioadă. Pentru aceasta s-a apelat la cunoștințe și materiale folosite curent în aeronautică. În acest fel, metalul utilizat inițial la confecționarea elicelor a fost înlocuit cu materiale compozite ușoare precum fibra de sticlă și, mai nou, fibra de carbon. În acest fel pierderea în greutate și în rigiditate a permis construirea de pale din ce în ce mai lungi și mai rezistente.

Un alt factor important de progres a fost acela al adaptării sistemului “cu pas variabil”. Înstalațiile vechi aveau elicea fixată pe un ax orizontal care, în funcție de viteza vântului, cupla ansamblul la viteza minimă utilizabilă și îl decupla când vântul, devenind prea puternic, periclita stabilitatea instalației. Acest sistem, cu decuplare aerodinamică (denumit și Stall ) este un sistem robust, sigur, dar cu o eficiență redusă, mai ales în zonele unde vânturile nu aveau o bună regularitate.

În acest caz s-a gasit o soluție mai bună apelând tot la tehnicile folosite în aeronautică. Astfel, cu ajutorul unui șurub special conceput și judicios amplasat (“pitch“ în engleză, de unde și numele procedeului), o pală este orientată optim față de direcția și forța vântului, prin schimbarea unghiului de atac. La un vânt foarte slab, pala este dispusă aproape perpendicular pe direcția curentului de aer, iar la un vânt foarte puternic, pala pivoteaza în lagăr oferind o suprafată de impact din ce în ce mai mică, până la poziția paralelă (în cazul furtunilor foarte puternice ). În sistemul Stall, cu câțiva ani în urmă, plaja de funcționare a unei instalații eoliene se situa la viteze ale vântului cuprinse între 14 și 79 km/h. Astăzi, folosind sistemul “cu pas variabil“, rotorul unei instalații eoliene incepe sa se rotească la 8 km/h și funcționează eficace până la viteze ale vântului de 120 km/h.

Acest progres tehnic a permis amplasarea instalațiilor eoliene în locuri dintre cele mai diferite, asigurând funcționări eficiente de peste 2400 ore/an, față de maximum 1600 ore/an în urmă cu 10 ani. Mai mult, instalațiile moderne depășesc în prezent o funcționare eficientă de peste 3000 ore/an, cu un factor de sarcină mai mare de 40%. Se menționează că prin factor de sarcină se înțelege perioada de-a lungul căreia energia este produsă într-o centrală.

1.4 Modelul matematic al generatorului sincron cu magneți permanenți

Ecuațiile de tensiuni ale generatorului sincron cu magneți permanenți pot fi scrise în sistemul d-q orientat față de rotor:

componenta pe axa d [1.1]

componenta pe axa q [1.2]

iar ecuațiile de flux ale mașinii sincrone cu M.P. pot fi exprimate pe cele două axe astfel:

axa d [1.3]

axa q [1.4]

La aceste ecuații se adaugă expresia cuplului electromagnetic dezvoltat de mașină:

[1.5]

Puterea activă și puterea reactivă sunt date de ecuațiile:

[1.6]

[1.7]

Mărimile utilizate în expresiile de mai sus au următoarele semnificații:

– tensiunile statorice după cele două axe;

– curenții statorici;

– fluxurile după cele două axe;

– rezistența înfășurării statorice;

– inductivitățile statorice după cele două axe;

– fluxul magneților permanenți;

– numărul de perechi de poli ai mașinii;

– viteza unghiulară (pulsația) electrică a rotorului;

– poziția mecanică a rotorului (deplasarea unghiulară la arborele rotoric);

– cuplul electromagnetic; – puterea activă; – puterea reactivă.

1.5 Simularea sistemelor eoliene conectate la rețea

Softul PSIM este dedicat în special inginerilor din domeniul proiectarilor. Programul este dezvoltat astfel incit sa poata simula chiar si sisteme complexe de electronica de putere. Modelul turbinei eoliene inpreuna cu modelul de antrenare al unui motor poate simula un sistem de producere a energiei eoliene. Programul mai ofera ca avantaje si o serie de exemple preconstruite care ofera un punct de plecare in proiectarea si analiza nsistemelor eoliene si fotvolaice.

Pentru simularea sistemului eolian au fost realizate:

profilul de vânt – cu ajutorul unui chopper comandat în tensiune;

sursă de tensiune alternativă cu amplitudine vârf la vârf;

turbina eoliană cu un motor de curent continuu cu excitație derivație, alimentat cu tensiunea furnizată de chopper;

multiplicatorul mecanic prin blocul existent în PSIM;

generatorul sincron magneți permanenți prin blocul de PMSG existent în PSIM;

redresor trifazat

invertor trifazat

În figura 1.10 se prezintă schema de simulare în PSIM a unui sistemului eolian de putere mica conectat la o rețea trifazată.

Fig. 1.10 Simularea în PSIM a conectarii unui sistem eolian la rețea

Pentru a ajunge la figura 1.10 se deschide progamul dupa care se selecteaza pagina de lucru.

Cu ajutorul comenzii "elements" se deschide libraria de elemente de circuit unde ,in functie de aplicatie se aleg elementele de circuit.Dupa asezarea vi verificarea lor, cu ajutorul comenzii "wire" se trece la conecarea elementelor tinindu-se cont de schema de conectare.

Cu un clic pe un element de circuit se intra in parametri acestuia satandu-se valorile dorite in functie de cerinte.

Dupa verificarea viuala a circuitului se trece laverificarea functionalitatii. Cu un clic pe fereastra "Run SIMVIEW" simularea circuitilui incepe. Daca este o gresala de conectare utilizatorul este avirtizat printr-un mesaj.

Pentru afisarea rezultatelor sub forma de grafice se da clic pe fereastra "simview" , se deschide o alta fereastra de afisare si din "properties" se aleg formele d unda care vrem sa fie afisate in grafice (tensiuni, curenti, puteri, etc).

Tot in cea de a doua fereastra se pot afisa sub forma de grafic si rezultate de masuratori precum si analie pe baza rezultatelor simulate.

Forma turaței generatorului este obținută prin simulare numerică în figura 1.11. Astfel peste o valoare constantă se suprapun oscilații ale vitezei vântului cu frecvența de 3Hz și amplitudine de 12% din amplitudinea vitezei medii.

Fig. 1.11 Turația la generator

Cuplul electromagnetic aplicat generatorului sincron cu magneți permanenți are o valoare medie de 4.8 Nm și o oscilație care este cuprinsă între 4.5 și 5 cu o frecvență relativ mică, și este vizualizat în figura 1.12.

Fig. 1.12 Cuplul la gerenator

Tensiunea pe fază la bornele generatorului sincron cu magneți permanenți este sinusoidală, crescatoare pe perioada regimului tranzitoriu de pornire a sistemului eolian dupa care se stabilizează la o valoare efectivă de circa 53 V și este redată în figura 1.13.

Fig. 1.13. Tensiunea generatorului sincron

Curentul pe fază debitat de generatorul sincron urmărește forma de variație a tensiunii pe fază a generatorului, are o valoare efectivă de 6A și este prezentată în figura 1.14.

Fig. 1.14 Curentul la generator sincron

Tensiunea sinusoidală generată de sistemul eolian este redresată cu ajutorul redresorului trifazat necomandat iar forma tensiunii redresate este prezentată în figura 1.15.

Fig. 1.15 Tensiunea la redresorul de tensiune

Puterea activă și reactivă debitată de sistemul eolian în rețea este prezentată în figura 1.16. și este obținută cu ajutorul invertorului trifazat cu tranzistoare MOSFET.

Tensiunea rețelei este de 220 V cu frecvența de 50 de Hz. Valorile de pe cele trei faze ale rețelei trebuie sa aibă unghiuri diferite. Și anume pe prima fază unghiul este de 0 grade, pe cea de a doua fază unghiul este de 120 de grade și pe fază a treia unghiul este de 240 de grade. Se observă că tensiunea la ieșire are o formă sinusoidală care pe un interval scurt de 0.02 face un ciclu complet. Forma tensiunii este prezentata in figura 1.17.

Fig. 1.16. Puterea activă și reactivă

Fig. 1.17 Tensiunea la rețea

CAPITOLUL 2

Generatoare Solare

2.1 Potențial solar în România

În privința radiației solare, ecartul lunar al valorilor de pe teritoriul României atinge valori maxime în luna iunie (1.49 kWh/ m2/zi) și valori minime în luna februarie ( 0.34 kWh/ m2/zi)

Potențial solar-termal

Sistemele solar-termale sunt realizate, în principal, cu captatoare solare plane sau cu tuburi vidate, în special pentru zonele cu radiația solară mai redusă din Europa.

În evaluarile de potențial energetic au fost luate în considerare aplicațiile care privesc încalzirea apei sau a incintelor/piscinelor (apă caldă menajeră, încalzire etc.).

POTENȚIAL ENERGETIC SOLAR-TERMAL

Sursa: ANM,ICPE, ICEMENERG, 2006

Potențial solar-fotovoltaic

S-au avut în vedere atât aplicațiile fotovoltaice cu cuplare la rețea, cât și cele autonome (neracordate la rețea) pentru consumatori izolați.

POTENȚIAL ENERGETIC SOLAR-FOTOVOLTAIC

Sursa: ANM,ICPE, ICEMENERG, 2006

2.2 Zonarea energetică solară. Harta solară a României

Pornind de la datele disponibile s-a întocmit harta cu distribuția în teritoriu a radiației solare în România (Fig.2.1). Harta cuprinde distribuția fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente pe suprafața orizontală, pe teritoriul României.

Sunt evidențiate 5 zone, diferențiate prin valorile fluxurilor medii anuale ale energiei solare incidente. Se constată că mai mult de jumatate din suprafața țării beneficiază de un flux de energie mediu anual de 1275 kWh/m2.

Harta solară a fost realizată prin utilizarea și prelucrarea datelor furnizate de catre: ANM precum și NASA, JRC, Meteotest. Datele au fost comparate și au fost excluse cele care aveau o abatere mai mare decat 5% de la valorile medii. Datele sunt exprimate în kWh/m2/an, în plan orizontal, această valoare fiind cea uzuală, folosită în aplicațiile energetice atât pentru cele solare fotovoltaice cat și termice.

Zonele de interes (areale) deosebit pentru aplicațiile electroenergetice ale energiei solare în țara noastra sunt:

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

și o mare parte din Câmpia Română

􀂃 Al doilea areal, cu un potențial bun, include nordul Câmpiei Române, Podișul Getic, Subcarpații Olteniei și Munteniei o bună parte din Lunca Dunării, sudul și centrul Podișului Moldovenesc, Câmpia și Dealurile Vestice și vestul Podișului Transilvaniei, unde radiația solară pe suprafața orizontală se situează între 1300 și 1400 MJ / m2.

􀂃 Cel de-al treilea areal, cu potențialul moderat, dispune de mai puțin de 1300 MJ /m2 și acoperă cea mai mare parte a Podișului Transilvaniei, nordul Podișului Moldovei și Zona Carpatică.

Îndeosebi în zona montană variația pe teritoriu a radiației solare directe este foarte mare, formele negative de relief favorizănd persistența ceții și diminuând chiar durata posibilă de strălucire a Soarelul, în timp ce formele pozitive de relief, în funcție de orientarea în raport cu Soarele și cu direcția dominantă de circulație a aerului, pot favoriza creșterea sau, dimpotrivă determina diminuarea radiației solare directe.

Fig. 2.1. Distribuția în teritoriu a radiației solare în România

2.2 Principiul de funcționare

Celulele solare pe bază de materiale semiconductoare în principiu sunt construite ca niște fotodiode cu suprafață mare care însă nu se utilizează ca detectoare de radiații ci ca sursă de curent.

Interesant la acest tip de semiconductoare este că prin absorbție de energie (caldură sau lumină) eliberează purtatori de sarcină (electroni și goluri). Este nevoie de un câmp electrostatic intern pentru ca din acești purtători să se creeze un curent electric dirijandu-i în direcții diferite.

Acest câmp electric intern apare în dreptul unei joncțiuni p-n. Pentru că intensitatea fluxului luminos scade exponențial cu adancimea, această joncțiune este necesar să fie cât mai aproape de suprafața materialului și să se patrundă cât mai adânc.

Această joncțiune se creează prin impurificarea controlată. Pentru a realiza profilul dorit, în mod normal se impurifică „n” un strat subțire de suprafață și „p” stratul gros de dedesubt în urma căruia apare joncțiunea. Sub acțiunea fotonilor apar cupluri electron-gol în joncțiune, din care electronii vor fi accelerați spre interior, iar golurile spre suprafață. O parte din aceste cupluri electron-gol se vor recombina în joncțiune rezultând o disipare de caldură, restul curentului putând fi utilizat de un consumator, încărcat într-un acumulator sau prin intermediul unui invertor livrat în rețeaua publică.

Tensiunea electromotoare maxima la bornele unei celule solare (de exemplu la cele mai utilizate, celulele de siliciu cristaline) este de 0,5 V.

Structura celulelor solare se realizează în asa mod încât să absoarbă cât mai multă lumină și să apară cât mai multe sarcini în joncțiune. Pentru aceasta electrodul de suprafată trebuie să fie transparent, contactele la acest strat să fie pe cât posibil de subțiri, pe suprafața se va aplica un strat antireflectorizant pentru a micșora gradul de reflexie a luminii incidente. Acestui strat antireflectorizant i se atribuie culoare negru-albăstruie a celulelor solare care fară aceasta ar avea o culoare gri-argintie.

Grosimea stratului influentează culoarea celulei (culoarea de interferență). Grosimea stratului trebuie să fie cât se poate de uniformă, deoarece abateri de cațiva nanometri măresc gradul de reflexie. Celulele își datorează culoarea albastră realizării unei grosimi ce corespunde lungimii de undă a culorii roșii, culorea cea mai bine absorbită de siliciu. În principiu însa în acest mod se pot realiza celule roșii, galbene, sau verzi la cerințe arhitectonice deosebite, dar vor avea un randament mai slab. În cazul nitratului de siliciu și a bioxidului de siliciu stratul antireflectorizant mai are și un rol de a reduce viteza de recombinare superficială.

2.3 Tipuri de celule solare

Celulele solare pot fi clasificate după mai multe criterii. Cel mai folosit criteriu este după grosimea stratului materialului. Aici deosebim celule cu strat gros și celule cu strat subțire. Un alt criteriu este felul materialului: se întrebuințează, de exemplu, ca materiale semiconductoare combinațiile CdTe, GaAs sau CuInSe, dar cel mai des folosit este siliciul. După structura de bază deosebim materiale cristaline(mono-policristaline) respectiv amorfe.

În fabricarea celulelor fotovaltaice pe lângă materiale semiconductoare, mai nou, există posibilitatea utilizării materialelor organice sau a pigmenților organici.

Cel mai utilizat material pentru realizarea fotopilelor sau a celulelor solare este siliciul, un semiconductor de tip IV. Acesta este tetra-valent, ceea ce înseamnă că un atom de siliciu se poate asocia cu patru alți atomi de aceeași natură.

Se mai utilizează arseniura de galiu și straturi subțiri de CdTe (telura de cadmiu), CIS (cupru-indiu-diseleniu) și CIGS (cupru-indiu-galiu-diselenat).

Fig. 2.2 Tipuri de celule solare

2.4 Randamentul celulelor solare

Parametrii tehnici ai celulelor solare sunt dați pentru condiții standard (STC, Standard Test Conditions):

Intensitate luminoasă de 1000 W/m2 în zona panoului

Temperatura celulei solare constant 25 °C

Spectrul luminii AM 1,5 global

Se definește randamentul energetic al unei celule, ca fiind raportul dintre puterea electrică maximă și puterea incidentă:

[1.8]

în care:

• E – iluminarea [W/m²];

• S – suprafața activă a panourilor [m²].

• Pm – puterea maximă masurată în condițiile STC (Standard Test Conditions), respectiv în spectrul AM1.5, la o temperatură de 25°C și iluminare de 1000 W/m².

Randamentul unei celule este, în general, destul de scăzut, de ordinul 10 – 20%. Au fost obținute randamente mai bune cu materiale noi (în laborator, arseniura de galiu AsGa oferă un randament mai mare de 25%) sau cu tehnologii experimentale (tehnologia multistraturi), deseori dificile și costisitoare pentru a fi puse în practică.

În aceste condiții, materialul fotoelectric cel mai utilizat este siliciul, care reprezintă o soluție economică. Pentru astfel de celule, randamentul energetic nu depasește 15%.

Pe baza caracteristicilor curent-tensiune și putere-tensiune, se pot obține și alți parametrii:

• Curentul de scurtcircuit Icc, respectiv curentul debitat de celulă, atunci cand tensiunea la bornele sale este nulă. Practic, acest curent este foarte apropiat de fotocurentul Iph.

• Tensiunea în gol Vco, respectiv, tensiune la bornele celulei, atunci când curentul debitat este nul.

• Între cele două extreme, există un optim care oferă puterea maximă Pmax sau MPP (Maximum Power Point).

• Factorul de formă, care arată cât de ideală este caracteristica, respectiv raportul:

[1.9]

Randamentul celulelor solare comerciale este de circa 20 %, iar modulele construite cu acestea ating un randament de circa 17 %. Recordul pentru celulele fabricate în condiții de laborator este de 24,7 % , din care s-au confecționat panouri cu un randament de 22 %. Prețul acestor module fabricate prin procedeul de topire zonală este de circa 200 Euro pe celulă la o suprafață a celulei de 21,6 cm2, corespunzând unui cost de 5-10 Euro/W.

Îmbătrânirea conduce la scaderea randamentului cu circa 10 % în 25 ani. Fabricanții dau garanții pe cel puțin 80 % din puterea maximă în 20 ani.

În spațiu, constanta solară este mai mare decât iluminarea globală pe pamânt, totodata celulele solare îmbătrânesc mai repede. Panourile pentru sateliți ating momentan un randament de 25 % la o durată de viața de 15 ani.

2.5 Modelul matematic al celulei fotovoltaice

Modelul matematic al celulei fotoelectrice se poate obține, plecând de la cel al joncțiunii PN. Se adaugă curentul Iph, proporțional cu iluminarea și un termen ce modelează fenomenele interne. Curentul I furnizat de celulă se poate scrie:

[1.10]

[1.11]

în care:

• Iph – fotocurent, sau curent generat prin iluminare [A];

• I0d – curent de saturație [A];

• Rs – rezistența serie [Ω];

• Rsh – rezistența paralel [Ω];

• k – constanta lui Boltzmann (k = 1,38.10-23);

• q – sarcina electronului (q = 1,602.10-19 C);

• T – temperatura celulei (°K).

Expresia de mai sus se poate deduce din schema echivalentă

Fig. 2.3 Schema echivalentă a unei celule solare

Dioda modelează comportamentul celulei în intuneric.

Sursa de curent modeleaza curentul Iph generat prin iluminare.

Rezistențele modelează pierderile interne:

-rezistența serie Rs – modelează pierderile ohmice ale materialului

-rezistența paralel Rsh – modelează curenții paraziți ce parcurg celula.

Ideal, se poate neglija Rs și I fața de U, și să se lucreze cu un model simplificat:

[1.12]

Cum rezistența paralel este mult mai mare decât rezistența serie, se poate neglija curentul prin Rsh.

[1.13]

Astfel putem obține schema echivalentă simplificată care corespunde celulei ideale.

Fig. 2.4 Schema echivalentă simplificată a unei celule solare

2.6 Simularea sistemelor solare conectate la rețea

Fig. 2.5 Sistem solar conectat la rețea

În figura 2.5 este redat un sistem solar conectat la rețea care are o sursă de lumină constantă cu amplitudinea de 3V. Celulele panoului solar debitează o tensiune constantă de 50 V și are graficul prezentat în figura 2.6

Fig. 2.6 Tensiunea celulelor solare

De asemenea curentul panoului solar are valoarea constantă de aproximativ 1.75 A și este prezentat în figura 2.7.

Fig. 2.7 Curentul debitat de celulele solare

Pentru conectarea la rețea am folosit un invertor trifazat, acesta având rolul de a transforma tensiunea continuă produsă de panoul solar într-o tensiune alternativă, similar invertorului folosit în sistemul eolian.

Sistemul prezintă o puterea activă și una reactivă care au formele de variație din figura 2.8.

Fig. 2.8 Puterea activă și reactivă debitată de sistem

Caracteristica tensiunii rețelei este prezentată în figura 2.9. Forma tensiunii este sinusoidale iar valoarea este de 220V.

Fig.2.9 Tensiunea la rețea

CAPITOLUL 3

Sistemul Gemasolar din Spania

Spania a devenit tara cu cel mai mare sistem gemasolar din lume, dupa ce a construit cea mai mare centrala solara operationala 24/24 de ore. Compania Torresol Energy a raspuns astfel uneia din cele mai mari provocari a energiei solare: obtinerea acesteia chiar si atunci cand nu este soare. Centrala gemasolara de 19,9 MW construita in regiunea Andalucia functioneaza pe baza de sare, in care este stocata caldura soarelui obtinuta pe timp de zi.

Secretul functionării tehnologiei si pe timpul noptii este ca sarea isi mentine capacitatea calorica pentru mult timp, functionând ca o baterie naturala. Practic, sarea topita incalzeste apa care genereaza vapori si actioneaza o turbina de 19,9 MW.

Compania Torresol Energy se asteapta ca centrala sa furnizeze aproximativ 110.000 MWh anual, energie suficienta pentru a alimenta 25.000 de locuinte.

Gemasolar este compusa dintr-un turn de 140 metri si 2.650 de heliostate incluse in panouri solare care concentreaza radiatia solara cu o rata de 1.000:1.

Privită de sus, centrala situată într-o regiune rurală din sudul Spaniei ar putea părea o uriașă operă de artă. În realitate, panourile solare, așezate circular, reprezintă prima centrală solară care poate produce energie chiar și pe timpul nopții.

2.650 de panouri solare, cunoscute și sub numele de heliostate sunt răspândite pe o suprafață de 185 de hectare, sunt capabile să stocheze până la 95% din căldura solară. Încălzite până la 900 de grade Celsius, panourile direcționează căldura către uriașe rezervoare de sare topită care, la rândul lor, generează abur ce pune în funcțiune uriașa turbină din mijlocul centralei. Spre deosebire de alte centrale solare, Gemasolar Power Plant, așa cum a fost botezată centrala de lângă Sevilla, poate păstra energia și pe timpul nopții sau al zilelor fără soare, până la 15 ore.

Proiectul a fost finanțat de către MASDAR, o companie energetică din Abu Dabhi, companie ce a investit peste 5 miliarde de dolari în tehnologii de acest gen, și Terresol Energy, o companie spaniolă. Construcția a durat doi ani și a costat 260 de milioane de lire sterline. Investitorii se așteaptă ca Gemasolar Power Plant să producă până la 110 GWh/ an și să alimenteze cu energie cel puțin 25.000 de locuințe din Andaluzia.

Compania Seat vrea sa devina un lider al utilizarii energiei solare in Spania, iar pentru acest lucru a inceput prima faza a unui proiect ambitios, numit “Seat al Sol”. Producatorul spaniol a inceput sa instaleze peste 20.000 de panouri solare, care vor fi capabile sa produca anual in jur de 6 milioane kWh de energie electrica solara.

Panourile vor acoperi o suprafata de 135.000 de metri patrati si sint instalate pe plafoanele uzinei de la Martorell si pe acoperisurile parcarilor si ale loturilor unde se depoziteaza masinile iesite de pe linia de productie. La finalul procesului de instalare, uzina Seat va avea emisii de CO2 mai mici cu aproximativ 2.800 de tone pe an. Acesta este echivalentul emisiilor anuale de la peste 2.300 de modele Ibiza E Ecomotive.

Proiectul “Seat al Sol” a fost dezvoltat impreuna cu Gestamp Solar. In prima faza a acestuia, investitia a fost de aproximativ 17 milioane de euro. Urmatoarele faze vor fi terminate anul acesta si in 2012, iar Seat va avea cea mai mare suprafata acoperita cu panouri solare dintre toti producatori de automobile din Europa.

Obiectivul spaniolilor este de a acoperi la Martorell 32 de hectare cu panouri solare, care sa genereze peste 13 milioane kWh pe an. Ca un termen de comparatie, o asemenea cantitate de energie electrica ar fi suficienta pentru alimentarea a 3.000 de case intr-un an sau, ca sa dam un exemplu mai celebru, Palatul Buckingham – sediul reginei Marii Britanii – pentru aceeasi perioada.

In acelasi timp, Seat va continua productia si dezvoltarea unor modele ecologice cum sint E Ecomotive sau Ecomotive, respectiv va incerca sa reduca emisiile de noxe ale intregii game. Primul pas a fost facut cu cel mai sportiv model al marcii, Leon Cupra R, care emite 190 de grame de dioxid de carbon pe kilometru.

Sevilla este unul dintre cele mai fierbinți locuri de pe continentul european, ceea ce transformă această zonă în gazda perfectă pentru Gemasolar, o centrală solară unică în lume: un turn cu un “bec” uriaș în vârf, înconjurat de 2600 de oglinzi. Centrala, care va fi inaugurată ofocial la sfârșitul acestei săptămâni, este prima centrală solară din lume care va funcționa non-stop.

Turnul car a costat peste 300 de milioane de euro poate stoca îndeajuns de multă căldură pentru a alimenta turbinele în lipsa soarelui timp de 15 ore.

Instalația este o centrală solară heliosatică, un adevărat cuptor solar, care folosește oglinzile pentru a concentra căldura intensă asupra a două rezervoare de sare. Căldura de 900 de grade Celsius topește sarea, determină fierberea apei din jur și pornește turbinele.

Tehnologia “regenerabilă”, precum turbinele eoliene, este de multe ori împiedicată din cauza imposibilității controlării elementelor naturale care o alimentează. Dacă vântul nu mai bate, energia dispare. Capacitatea de stocare energetică a celor două rezervoare vor rezolva această problemă.

Inginerii de la „Torresol Energy”, compania care a construit Germasolar, au declarat: „Sarea este stocată într-un rezervor cald, care păstrează căldura pentru a fi folosită atunci când nu mai beneficiem de lumina soarelui. Sarea transferă căldura stocată și continuă să genereze electricitate pe timpul nopții”.

Inginerul Enrique Sendagorta a declarat: „Vrem să devenim o companie globală care dezvoltă modalitățile de utilizare a energiei solare. Inaugurarea acestei centrale este un pas decisiv”.
Sarea, care este o combinație de nitrat de sodiu și nitrat de potasiu, rămâne întotdeauna într-o formă lichidă. Centrala nu funcționează la putere maximă și este proiectată să ajungă la 70% din capacitate până anul viitor.

Climatul Sevilliei este cel mai potrivit pentru o astfel de centrală solară. În plus, nu orice națiune are timpul, bugetul sau spațiul pentru a amplasa 2600 de oglinzi uriașe în jurul unui turn.
Există puține astfel de centrale solare în lume, iar Gemasolar este singura centrală solară care funcționează non-stop.

Centrala a început producția de energie electrică în luna mai, și a ajuns să producă energie timp de 24 de ore fără oprire la începutul acestei veri. După ce au fost realizare o serie de studii de fezabilitate, o centrală solară și mai mare va fi construită în Africa de Sud.
Ecologiștii au declarat că sunt foarte mulțumiți de existența unei astfel de centrale solare. „Capacitatea de a genera electricitate chiar și în timpul nopții reprezintă o piatră de hotar monumentală în industria energiei solare. Centrala nu va mai paraliza pe timpul nopții și va deveni o alternativă competitivă pentru centralele convenționale”, a declarat Chris Haslam, autorul lucrării „Cum să oprim încălzirea globală”.

CAPITOLUL 4

Modalități de combatere a perturbațiilor introduse de generatoarele eoliene și fotovoltaice

Rețeaua de distribuție impune stabilitatea tensiunii și frecvenței. Din acest motiv, trebuie luate măsuri speciale în ceea ce privește etapele tranzitorii de funcționare ale eolienelor, cum ar fi pornirea, oprirea sau absorbția rafalelor.

În ceea ce privește pornirea, aceasta se va realiza cu ajutorul unor variatoare de tensiune alternativă (VTA) cu tiristoare. Prin modificarea unghiului de comandă ale acestora, se reglează tensiunea de alimentare a mașinilor, acestea pornind pe caracteristici artificiale de tensiune.

Normele de calitate a energiei, impun, de asemenea, ca eolienele să genereze cât mai puține armonici. Acestea sunt cauzate de convertoarele statice de tensiune și frecvență utilizate pentru conectarea generatoarelor la rețeaua de distribuție. Trebuie deci căutate soluții pentru ameliorarea acestora și utilizarea filtrelor. În același timp, trebuie asigurată și energia reactivă necesară magnetizării mașinilor. Se dorește ca aceasta să fie în proporție cât mai mică asigurată din rețeaua de distribuție.

De asemenea, trebuie să se țină cont de faptul că în realitate, rețeaua de distribuție nu are putere infinită, deci stabilitatea parametrilor ei (frecvența, valoarea eficace) poate fi influențată de eolienele, care sunt de puteri din ce în ce mai mari (în prezent, până la 5 MW).Aceste probleme de conectare a eolienelor, se pun în cazul fermelor de eoliene, al eolienelor de medie putere și a celor cu putere mai mare de 100 kW, conectate la rețea. Energia produsă de acestea este vândută direct societăților care gestionează rețelele.

Componente necesare pentru a satisface exigențele rețelei:

Pentru a asigura conectarea eolienelor trebuiesc instalate o serie de echipamente precum:

Transformatorul ridicător de tensiune:

Generatoarele eolienelor au tensiunea nominală, în general, de ordinul a 690 V. Transformatoarele asigură conectarea acestora la rețeaua de distribuție, care de cele mai multe ori este de 20 kV. În prezent, nu există nici o eoliană care să fie conectată direct la rețea, fără utilizarea unui transformator ridicător.

Bateriile de condensatoare

Pentru ameliorare factorului de putere al instalației, se conectează baterii de condensatoare, ce sunt constituite din trei baterii de condensatoare monofazate, conectate în triunghi. Bateriile de condensatoare asigură și compensarea puterii reactive consumate ( ca o medie, ținând cont de neregularitățile vântului ).
Energia reactivă este necesară mașinilor asincrone pentru magnetizare. Astfel, bateriile de condensatoare (surse de energie reactivă) asigură local energia necesară magnetizării, ameliorând astfel factorul de putere global al eolienei. În cazul funcționării autonome a eolienelor, bateriile de condensatoare sunt indispensabile pentru asigurarea energiei reactive necesare magnetizării mașinii.

Aceste probleme de conectare a eolienelor, se pun în cazul fermelor de eoliene, al eolienelor de medie putere și a celor cu putere mai mare de 100 kW, conectate la rețea. Energia produsă de acestea este vândută direct societăților care gestionează rețelele.

4.1.Combaterea fluctuațiilor de tensiune

O consecință deosebit de gravă a fluctuațiilor de tensiune fiind efectul de flicker, combaterea fluctuațiilor de tensiune are drept scop principal combaterea acestui efect.

Mijloacele de combatere a efectului de flicker constă în:

Mărirea puterii de scurtcircuit a rețelei prin realizarea unor legături suplimentare cu sistemul electroenergetic;

Instalarea de capacitate de stocare a energiei ce au posibilitatea de a genera rapid în retea atunci când sunt cuplate ( volante, baterii de condensatoare etc) ;

3) Separarea consumatorilor cu șocuri de putere activă și reactivă de ceilalți consumatori prin secționarea sistemului de bare colectoare;

4) Alimentarea receptoarelor care produc flicker la o treaptă de tensiune mai ridicată ;

5) Echiparea generatoarelor centralei electrice proprii, în caz că există, cu sisteme de reglaj rapid a excitației în vederea preluării șocurilor de putere activă și reactivă;

6) Instalarea de surse locale de putere reactivă care să preia, practic instantaneu, șocurile de putere reactivă, cum ar fi compensatoarele sincrone cu reglaj rapid a excitației.

Combaterea golurilor de tensiune

Golul de tensiune este definit ca fiind variația negativă a valorii eficace a tensiunii de serviciu, având o amplitudine minimă de 20% și o durată de cel mult 3 secunde. Amplitudinea relativă a golului de tensiune este definită cu ajutorul relației:

Golurile de tensiune sunt datorate fie încetării bătăii vântului fie datorate umbririi rapide a panourilor fotovolatice.

Efectele golurilor de tensiune asupra funcționării receptoarelor depind de durată și amplitudinea acestora și constă în:

1)Perturbarea funcționării unor aparate cum ar fi: redresoare, calculatoare, echipamente electronice diverse etc. ;

2) Deconectarea contactoarelor electromagnetice;

3) Instabilitatea funcționării motoarelor sincrone;

4) Desprinderea motoarelor asincrone.

Mijloacele tehnice de combatere a efectelor negative ale golurilor de tensiune diferă după natura și puterea receptoarelor sensibile, distingându-se următoarele soluții de bază:

a) Alimentarea din surse speciale cu acumulare de energie;

b) Instalarea de grupuri generatoare care să compenseze efectele golurilor.

4.2 Sisteme integrate de stocare a energiei

Acumularea energiei se face fie sub formă de energie cinetică într-un volant de inerție, fie sub formă de energie electrică în baterii de acumulatoare electrice și restituirea sa pe durata golului de tensiune.

O variantă simplă de sistem inerțial se compune dintr-un motor electric asincron, un alternator și un volant, cuplate între ele, care permite eliminarea golurilor de tensiune cu durate ce nu depășesc 0,5 s și care reprezintă, de regulă, 80 – 90% din totalul perturbațiilor (fig.4.1).

Avantajele sistemelor inerțiale constă în eliminarea bateriilor de acumulatoare, care necesită încăperi speciale atunci când puterea receptoarelor sensibile la golurile de tensiune are valori importante. Ca dezavantaje se menționează zgomotul produs și extinderi dificile.

Sistemele cu acumulare de energie electrică (redresor – baterie –invertor) utilizează o baterie de acumulatoare ca sursă tampon de energie electrică care nu este influențată de perturbațiile din rețeaua de alimentare (fig. 4.2).

Fig. 4.2. Schema de alimentare printr-un grup redresor – baterie – invertor.

În regim normal de funcționare sarcina este alimentată prin intermediul redresorului și invertorului, bateria fiind menținută încărcată.

În cazul apariției golului de tensiune, energia este asigurată de bateria de acumulatoare prin intermediul invertorului.

Avantajele schemelor redresor – baterie – invertor constă în:

– eliminarea totală a perturbațiilor din rețea;

– autonomie până la 1 h, în funcție de capacitatea bateriei;

– lipsa pieselor în mișcare.

Combaterea armonicilor de frecvență:

Pot fi eliminate prin introducerea de filtre pentru eliminarea armonicilor de frecvență.

Combaterea dezechilibrelor în rețelele de distribuție:

La acordarea avizelor de conectare se va avea în vedere că puterea generată să fie distribuită în mod uniform pe cele trei faze ( Numărul de panouri solare va fi divizat în trei grupuri cu puteri instalate egale, dispuse astfel încât fenomenenle de umbrire să le influenteze în mod uniform.

4.3 Măsurari ale calității energiei electrice generate de producători de energie electrică din surse regenerabile

Măsurări la centrala eoliana și la grupul de panouri fotovoltaice

Măsurători al armonicilor de frecvență la convertizoarele de frecvență

Măsurări la panourile fotovoltaice

În figura 4.3 sunt prezentate panourile fotovoltaice și miniturbina eoliana care au fost folosite la realizarea masuratorilor. Fiecare panou generează maximum 220 W( rezultând un total de 880W), iar turbina 750W. Pentru a evidenția pericolul existent în a folosi convertizoare ieftine, existente pe piață am prezentat în acest subcapitol măsurătorile efectuate pe un astfel de convertizor. În vederea evitarii contaminarii rețelei cu perturbații ce ar putea afecta calitate energiei am folosit o schemă neconectată la RED.

Schema în care au fost realizate măsurătorile este prezentată în figura 4.3

Fig. 4.3.Schema bloc a instalației realizate

În figura 4.4 sunt prezentate formele de undă ale tensiunii și curentului, măsurate la bornele invertorului.

Fig. 4.4. Forme de undă

Se constată că invertorul furnizează la ieșire o tensiune nesinusoidală (dreptunghiulară).

Fig. 4.5. Valorile armonicilor in curent si tensiune

Fig. 4.6. Valori le armonicilor in momentul pornirii instalatiei

După cum se poate observa în figurile 4.3……4.6 formele de undă sunt puternic deformate, și în mod corespunzator armonicile depașesc cu mult limitele admise de EN 50160. Doarece instalația nu este abilitată a fi cuplată la RED , și factorii perturbatori sunt mult prea mari nu pot fi făcute măsuratori de monitorizare de lungă durată, aparatul Fluke 434 resetând datele în momentul în care limitele depășesc standardul impus.

Măsurători al armonicilor de frecvență la convertizoarele de frecvență

Un al 2-lea set de măsurători a fost efectuat folosind aparatul de monitorizare a parametrilor energiei electrice FLUKE 434. Au fost executate măsurări ale formelor de undă ale curenților și tensiunilor, armonicile si flikerul la intrarea/iesirea in convertizoarele de frecventa PARKER Allen Bradley urmărindu-se în special modul în care convertizoarele de frecvență pot influenta parametrii de calitate ai energiei electrice datorită armonicilor și interarmonicilor nefiltrate corespunzator.

Schema de măsură folosită este cea prezentată în figura urmatoare :

Fig 4.7 Schema de legare a aparatului

Deoarece nu am avut disponibil un sistem în care mașina asincronă lucreaza în regim de generare am considerat acceptabil a efectua măsurări în care mașina asincronă este element de execuție și este comandată de un convertizor de frecvență. Aproximarea in ceea ce priveste perturbatiile ce pot apare in sistem este bazata pe faptul că schema de principiu a convertizorului este asemănatoare pentru ambele aplicații, generând în fapt aceleași perturbații ce afectează RET ( rețeaua electrică de transport).

Formele de undă ale tensiunii rezultate în urma măsuratorilor efectuate sunt prezentate în figura urmatoare :

Fig 4.9 Forma undei de tensiune

Așa cum se poate observa există mici deformații ce indică prezența armonicilor.

Pentru a evita perturbații introduse de sarcina au fost executate măsurători cu mașina asincronă în gol aceasta explică și valorile relative mici ale curenților măsurați ( au fost folosite sonde cu factor de divizare 1/100 ca urmare valorile curenților indicați indicate în fotografii uramând a fi impărțiți la 100). Așa cum se poate vedea în figura următoare formele de undă ale curenților sunt puternic perturbate aceasta indicând că valorile armonicilor de curent sunt mari.

Pentru a verifica supozițiile anterioare au fost executate măsuratori ale armonicilor de curent și tensiune acestea fiind prezentate în figurile următoare.

În figura urmatoare este prezentat nivelul de flicker pe cele trei faze ale circuitului.

Se poate observa că nivelul de flicker pe cele trei faze nu este afectat de armonicile de curent deoarece valorile variațiilor curenților sunt prea mici pentru a influența rețeaua, care devine factor stabilizator pentru sistem.

Având în vedere că modelul de convertizor utilizat pentru măsurători este fabricat în 2015 și studiind în amănunțime schema de principiu a acestuia s-a putut observa că lipsa filtrării corespunzatoare poate duce la perțurbații majore ale RET.

Concluzii

Calitatea alimentarii cu energie electrica, în special aspectele legate de continuitatea în alimentare (calitatea serviciului de alimentare), a constituit întotdeauna o preocupare deosebita, întreruperile fiind generatoare de daune în industrie sau neplaceri în alimentarea consumatorilor rezidentiali.

În ultimul timp, procesele tehnologice specifice industriei moderne foarte senșibile la abateri fata de calitatea normata a energiei electrice, au adus în actualitate și calitatea curbei de tenșiune. În cele mai multe cazuri abaterile de la regimul șinusoidal și șimetric sunt însotite de daune la producator, operatorul de retea, diferentiate în functie de caracteristicile utilizatorilor RET sau RED, la consumator prin nerealizarea productiei, reducerea calitatii produselor realizate, reducerea productivitatii, rebuturi în productie, defecte în echipamente, perturbarea

procesului tehnologic pe durate mult superioare duratei întreruperii, accidente, cheltuieli suplimentare pentru salarii, materii prime, energie etc.

Stabilirea indicatorilor la care un utilizator este senșibil, analiza domeniului lor de variatie într-un nod dat al șistemului electroenergetic, precum și deciziile privind cresterea nivelului calitatii energiei electrice furnizate, prezinta un interes deosebit pentru utilizatorii finali, dar și pentru operatorii de producere, transport, distributie și furnizare.

Analizele realizate trebuie sa puna în evidenta caracteristicile calitative ale energiei electrice poșibil a fi furnizata în mod normal utilizatorilor, iar acestia vor putea decide daca acestea corespund exigentelor lor sau este necesara efectuarea de investitii, la furnizor pentru cresterea nivelului de calitate sau în cadrul șistemului propriu pentru cresterea imunitatii.