Introducere în sistemele eoliene…4 [303677]

Cuprins

Introducere în sistemele eoliene………………………………………………………………4

Istoric……………………………………………………………………….4

Stadiul actual în domeniul energiei eoliene……………………5

Costuri…………………………………………………………………….10

Potențialul eolian………………………………………………………13

Elemente constructive………………………………………………..17

Variante constructive de sisteme eoliene………………………18

Turbine eoliene de mică putere………………………………………………………………23

Gama de puteri…………………………………………………….23

Piețele și aplicatiile pentru turbine eoliene mici……………24

Aplicații izolate………………………………………………….25

Sisteme hibride…………………………………………………..27

[anonimizat]…………………………………………27

Aplicații conectate la rețea…………………………………..28

Tendințele tehnologiei și dezvoltările recente………………..30

Elemente componente………………………………………………..32

Turbina……………………………………………………………..32

Generatorul, electronica de putere………………………..34

2.5.1. Eficiența pretinsă………………………………..34

2.5.2. Analiza costului………………………………….35

2.6. Tendințele viitoare……………………………………………………38

2.7. Concluzii…………………………………………………………………39

Configurațiile sistemelor eoliene mici……………………………………………………..45

Modelul matematic al turbinei de mică putere………………………………………….47

Dependența puterii de densitatea aerului…………………….47

Dependența puterii de aerodinamica elicei………………….48

Modelul matematic al generatorului sincron cu ……………..

magneți permanenți…………………………………………………56

Modelul matematic al invertorului trifazat………………….58

CONCLUZII…………………………………………………………………………………

BIBLIOGRAFIE……………………………………

Capitolul 1

Introducere în sisteme eoliene

1.1.Istoric

Vântul este rezultatul activității energetice a Soarelui și se formează datorită încălzirii neuniforme a suprafeței Pământului. Mișcarea maselor de aer se formează datorită temperaturilor diferite a [anonimizat].

Ca sursă energetică primară vântul nu costă nimic. [anonimizat] – este o alternativă bună pentru localitățile mici aflate departe de sursele tradiționale.

Încă la orizontul civilizației energia vântului se utiliza în navigația maritimă. Se presupune că egiptenii străvechi mergeau sub pânze încă 5.000 ani în urmă. În jurul anului 700 pe teritoriul Afganistanului mașini eoliene cu axa verticală de rotație se utilizau pentru măcinarea grăunțelor. Cunoscutele instalații eoliene (mori cu elicele conectate la turn) asigurau funcționarea unor sisteme de irigare pe insula Creta din Marea Mediterană. [anonimizat], sunt una din cele mai mari performanțe a secolelor medii. În sec. XIV olandezii au îmbunătățit modelul morilor de vânt, răspândite în Orientul Mijlociu, și au început utilizarea largă a instalațiilor eoliene la măcinarea boabelor.

Figura.1 Moara de vânt

În 1854 în SUA apare o pompa de apă, care funcționa pe baza energiei vântului. Ca construcție, această pompă semăna cu modelul morilor de vânt, dar avea mai multe pale (brațe) și un fluger pentru determinarea direcției vântului.

Către anul 1940 în SUA peste 6 milioane de instalații de acest tip se utilizau pentru pomparea apei și producerea energiei electrice. Este socotită o premiză a cuceririi Vestului sălbatic, datorită posibilității de asigurare cu apă a fermelor zootehnice. Însă la mijlocul secolului XX vine sfârșitul utilizării largi a energiei vântului, venind în schimbul ei o sursă energetică modernă – petrolul.

Interesul către energetica vântului reapare după câteva crize petroliere trăite de omenire timp de câteva decenii. Acest lucru se petrece la începutul anilor '70, datorită creșterii rapide a prețurilor la petrol când SUA a adoptat mai multe programe destinate să încurajeze valorificarea ei. În California, la sfârșitul anului 1984, funcționau deja 8469 de turbine eoliene. Capacitatea totală a acestor unități este de aproximativ 550 MW. Ele erau construite în locuri cu vânt puternic, grupate în așa-numitele wind farms.

Turbinele de vânt pot fi folosite pentru producerea electricității individual sau în grupuri, denumite ferme de vânt. Fermele de vânt, care în prezent sunt complet automatizate, asigură, spre exemplu, 1% din necesarul de energie electrică al Californiei, adică 280 de mii locuințe. Turbinele eoliene aveau însă și câteva probleme: modificările mari ale vitezei vântului provocau variații ale intensității curentului electric, defectând uneori sisteme de transmisie; palele rotorului colectau în timp substanțe străine, particule de praf etc. care reduceau randamentul.

1.2. Stadiul actual in domeniul energiei eoliene

UE și-a fixat drept obiectiv ferm ca un procent de 20 % din producția de energie să provină în anii 2020 din energia eoliană și din alte surse de energie regenerabilă. Ponderea diferitelor surse regenerabile de energie la nivelul anului 2020 se vrea a fi cea prezentată în figura urmatoare.

Pentru a atinge acest obiectiv, mai mult de o treime din cerințele europene în energie electrică trebuie să provină din surse regenerabile, dintre care se așteaptă ca energia eoliană să producă între 12 și 14 % (180 GW) din cererea totală. Astfel energia eoliană va juca un rol semnificativ în alimentarea stabilă cu energie curată, produsă local.

Figura 1.2.1 Capacitatea globală cumulată de energie eoliană

Spre sfârșitul anului 2003, UE-15 a instalat o capacitate de mai mult de 28.000 de megawați (MW) în turbine eoliene. Spre sfârșitul lui 2007, Europa extinsă la 27 a avut o capacitate de peste 56.000 MW. Acești 56.000 MW acoperă 3.7 % din cererea totală de energie electrică din UE, furnizează energia, corespund în medie necesităților a 30 de milioane de familii, evitând totodată emiterea unei cantități de 91 de milioane de tone de bioxid de carbon. Mai mult, miliarde de Euro au fost economisite din costurile combustibilului importat în 2007, iar peste 11 miliarde de Euro a fost investite in instalarea turbinelor eoliene în Europa.

Distributia pe tari a capacitatilor instalate este redată in tabelul de mai jos

*FYROM=Former Yugoslav Republic of Macedonia

Notă: Din cauza ajustarilor anului precedent, proiect de dezafectare de 70 MW, re-alimentarea și rotunjirea cifrelor sus și în jos, totalul capacităților cumulate la sfârșitul anului 2008 nu este echivalent cu suma dintre totalul capacităților de la sfarsitul anului 2007 și adaosurile din 2008.

Figura 1.2.2 Capacitatea instalată în Europa până în anul 2007

După cum reiese din imaginea 1.2.2 aproximativ 60 % din capacitatea mondială a fost instalată în Europa la sfârșitul lui 2007, iar companiile europene au avut o cotă din piața globală de 66 % in 2007. Rata de integrare în sectorul electroenergetic a înregistrat un procent de 21 % în Danemarca, în jur de 7 % în Germania și respectiv 12 % în Spania. Realizările la nivel regional sunt și mai semnificative: statul Schleswig-Holstein din nordul Germaniei, de exemplu, are o capacitate instalată de energie eoliană de aproximativ 2500 MW, suficient pentru a asigura 36 % din cerința totală de electricitate, în timp ce în Navara – Spania, 70 % din consum este realizat de energia eoliană .

Tendința crescătoare de noi capacități instalate a continuat și-n anul 2008. Ponderea noilor capacități instalate în anul 2008 este redată în figura de mai jos.

Figura 1.2.3 Capacitatea nouă instalată în anul 2008

Principalii producători de turbine eoliene sunt redați mai jos

1.3. Costuri

Cheltuielile financiare ale proiectelor eoliene terestre, sunt dominate de costul turbinei eoliene. Costul specific total al investiției pentru o turbină medie instalată în Europa este în jur de 1,23 milioane de €/MW, cuprinzând toate costurile suplimentare pentru fundații, instalație electrică și consiliere (prețurile în 2006). Costurile principale se impart după cum urmează (niveluri aproximative) :

turbina – 76 la sută,

conectarea la rețea – 9 la sută și

fundațiile – 7 la sută.

Alte componente de preț, cum ar fi sistemele de control și terenul, reprezintă o mică parte din costurile totale. Costul total pe kW la o capacitate generatoare din energie eoliană diferă în mod semnificativ de la o țară la alta, între 1000 €/kW până la 1350 €/kW.

Figura 1.3.1 Structura costurilor unei turbine tipice de 2MW instalată în Europa

În ultimii ani, trei tendințe importante au dominat dezvoltarea turbinelor eoliene racordate la rețea :

1. Turbinele au devenit mai mari si mai înalte ;

2. Eficacitatea producției turbinelor a crescut serios ;

3. În general, costurile investiției pe kW au scăzut, cu toate că a existat o inversare a acestei tendințe în ultimii trei sau patru ani.

În 2007, turbinele de clasa MW (de peste 1 MW) au reprezentat o parte de piața de mai mult de 95 la sută, lăsand mai puțin de 5 la sută pentru instalațiile mai mici. În gama MW, turbinele de capacitate de 2,5 MW sau superioare, devin din ce in ce mai importante, chiar și în cazul aplicațiilor terestre. Viteza vântului la locul ales, înălțimea stâlpului turbinei și eficacitatea producției determină producția de energie. Astfel, simpla creștere a înălțimii turbinelor a permis o producție de energie electrică mai ridicată . De asemenea, metodele de măsură și de evaluare a vitezei vântului într-un loc dat s-au ameliorat în mod semnificativ in ultimii ani, și astfel s-a ameliorat amplasarea și factorii economici ai noilor turbine.

Actualmente, costul de producție al energiei pentru o turbină eoliană din gama de 2 MW este de 5,3 până la 6,1 Eurocenti/kWh în funcție de resursele eoliene și de amplasarea aleasă și se asteaptă ca gama costurilor să se diminueze între 4,3 si 5,5 eurocenti/kW/ora până în 2015.

Eolienele din larg (offshore) reprezintă doar în jur de unu la sută din capacitatea eoliană totală instalată în lume, iar implantarea s-a facut in principal în jurul Mării Nordului și a Mării Baltice. La sfârșitul lui 2007, exista o capacitate de mai mult de 1000 MW situată în largul a cinci țări : Danemarca, Irlanda, Olanda, Suedia și Marea Britanie. Majoritatea instalațiilor au fost efectuate în ape nu prea adânci (in jur de 20 m) și nu mai departe de 20 de km de țărm, pentru a reduce la minimum costurile fundațiilor și ale cablurilor submarine. Costurile unei unităti eoliene maritime, ca și cel al turbinelor terestre, a crescut în ultimii ani. Costul investiției pentru o nouă centrală eoliană în larg este estimat in medie la 2,0 pana la 2,2 milioane de €/MW pentru o unitate nu prea îndepartată de țărm și în apa nu prea adancă. In comparatie cu turbinele terestre, principalele diferențe în structura costurilor sunt legate de fundațiile mai scumpe, transformatoarele și cablurile submarine. Costul energiei electrice generate în larg se situează între aproximativ șase și opt centi/kWh și se datorează in principal diferențelor de adâncime a mării, distanței de la țărm și costului investiției.

Figura 1.3.2 Costul de producție calculat pentru centralele eoliene maritime

inclusiv costurile de echilibrare

Evoluția costurilor de producție a diferitelor surse de energie pentru perioada 2015-2030 este redată în figura următoare.

1.4. Potențialul eolian

Potențialul eolian major este observat pe litoralurile marine, pe ridicături și în munți. Dar există multe alte teritorii cu un potențial eolian necesar pentru utilizare. Ca sursă energetică vântul poate fi mai greu de calculat spre deosebire de soare, dar în anumite perioade prezența vântului se observă pe parcursul întregii zile. Asupra resurselor eoliene influențează relieful pămantului și prezența barierelor (obstacolelor) plasate la înălțimi de pană la 100 metri. De aceea vântul, într-o mai mare masură, depinde de condițiile locale (relief) decat de soare. În localitățile montane, spre exemplu, două suprafețe pot avea potențial solar egal, însă potențialul vântului poate fi diferit datorită diferenței în relief și direcțiile curentilor maselor de aer.

Evaluarea resurselor eoliene pentru zone vaste, se face pentru stabilirea atât a resurselor regionale disponibile cât și în depistarea celor mai bune teritorii din regiunea respectivă. Evaluarea include totodată și estimarea producției de energie pentru amplasamentele specifice.

Energia vântului de asemenea este supusă schimbărilor sezoniere a timpului. Lucrul unei asemenea instalații este mai efectiv iarna și mai puțin efectiv în lunile de vară (în cazul sistemelor solare situația este inversă). În condițiile climaterice din Danemarca sistemele fotoelectrice sunt efective la 18% în ianuarie și la 100% în iulie. Eficacitatea lucrului stației eoliene este de 55% în iulie și 100% în ianuarie. Astfel, varianta optimă este combinarea într-un sistem a instalațiilor eoliene și solare. Asemenea sisteme simbiotice asigură o productivitate a energiei electrice mai înaltă în comparație cu instalațiile eoliene sau fotoelectrice, luate în parte.

La nivelul Europei vestice o hartă a potențialului eolian este redată în figura de mai jos

Figura 1.4.1 Atlas eolian european terestru

O hartă a potențialului eolian a fost publicată de ICEMENERG în anul 1993, din care se pot trage unele concluzii privind eventualele amplasamente ale turbinelor eoliene:

În zonele muntoase înalte viteza medie a vântului este de peste 8,5 m/s;

În zona Mării Negre cât și a litoralului viteza medie a vântului este de peste 7-8 m/s.

Figura 1.4.2 Potențialul eolian în Romania

O hartă a intensitătii și direcției vântului la nivelul României este redată mai jos

Figura 1.4.3 Potențialul eolian în România

Pentru măsurarea vitezei vântului și a temperaturii se poate utiliza Data Logger care este un instrument electronic ce înregistrează datele, în timp și în corelație cu locația sensorilor și a traductorilor dintr-o locație dată , prelucrează cu microprocesor pe baza logicii programabile și afisează pe display sau transmite într-un PC aceste date.

Data Logger este utilizată în achiziția datelor în cazul mărimilor lent variabile, avand fecvența maximă de achiziție de 1Hz motiv pentru care nu-i considerată o achiziție de date în timp real. Datele prelucrate de Data Logger sunt stocate pe o memorie flash sau EEPROM Principalele aplicații ale acestui sistem sunt pentru înregistrarea vitezei vântului, a temperaturii și umiditătii.

Blocurile principale și logica sistemului Data Logger, pentru măsurarea și prelucrarea datelor privind viteza vântului cu utilizarea soft-ului de programare HyperWare sunt indicate în figura 1.4.4.

Figura 1.4.4 Măsurarea vitezei

Implementarea hardware a sistemului de masură a vitezei vântului și temperaturii include conectarea intrărilor de la senzorii în microprocesorul PIC18F452 ce poate prelucra 10MIPS , are 8 canale de intrare pentru conversia analog-numerica. Infornația prelucrată de procesor este vizualizată la un display unde pot fi selectate mărimile ce se vizualizează. Datele prelucrate de procesor pot fi stocate pe un card de memorie sau printr-o conexiune cu RS 232 transferate într-un calculator.

1.5. Elemente constructive

Un sistem eolian din punct de vedere energetic transformă energia cinetică a vântului în energie electrică.

Figura 1.5 Componentele sistemului eolian

Pentru a realiza aceasta conversie sistemul eolian contine urmatoarele componente (figura 1.5) :

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..

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;

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. Viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului electric. Multiplicatorul asigură conexiunea între arborele primar (al turbinei eoliene) și arborele secundar (al generatorului);

Arborele generatorului sau arborele secundar antrenează generatorul electric. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotație în cazul unui vânt violent;

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

1.6. Variante constructive de sisteme eoliene

Variantele constructive de sisteme eoliene astfel obținute pot fi date de următoarele combinații:

Turbina cu pas fix sau reglabil:

Prezența sau nu a multiplicatorului mecanic

Variantele constructive de generatoare electrice

Turbinele eoliene par a fi mașini simple, dar în realitate trebuie să satisfacă niște cerințe fundamentale, ceea ce conferă acestei ramuri de inginerie un caracter cu totul special, deosebind-o de toate celelalte.

Mașina trebuie să funcționeze ca o centrală electrică nesupravegheată și să furnizeze rețelelor electrice mai mult decât simpla energie.

Vântul variază pe scara timpului de la secunde la ani, ceeea ce introduce un factor de incertitudine în orice aspect, de la sarcina mecanică la producția de energie ;

Această tehnologie trebuie să fie competititvă în privința costurilor, în comparație cu celelelate energii regenerabile și modului de producție convențional.

Principalele elemente care determină în prezent designul sunt:

Compatibilitatea cu rețelele electrice,

costul energiei (care include și fiabilitatea),

emisiile acustice,

impactul vizual și compatibilitatea cu condițiile amplasamentului.

Cu toate acestea, multe probleme tehnice rămân încă nerezolvate. De exemplu, turbinele mari, aflate actualmente în producție, includ :

Concepte cu diametru rotoric mare, generatoare cu turație joasă

Concepte referitoare la generatoare de turație mare și multiplicatoare de turație și

Soluții intermediare cu generatoare de turație medie și o treaptă redusă de multiplicare.

Designul centralei eoliene este o problemă critică atât în ceea ce privește reducerile de costuri, cât și gradul de acceptare de către public, indiferent că este vorba de mare sau de uscat, mai cu seama în cazul celor care depășesc prin dimensiunile lor marile centrale electrice convenționale.

Eoliene cu ax vertical – pilonii eolienelor cu ax vertical sunt de talie mică, având înălțimea de 0,1 – 0,5 din înăltimea rotorului. Aceasta permite amplasarea întregului echipament de conversie a energiei (multiplicator, generator) la piciorul eolienei, facilitând astfel operațiunile de întreținere. În plus, nu este necesară utilizarea unui dispozitiv de orientare a rotorului, ca în cazul eolienelor cu ax orizontal. Totuși, vântul are intensitate redusă la nivelul solului, ceea ce determină un randament redus al eolienei, aceasta fiind supusă și turbulențelor de vânt. În plus, aceste eoliene trebuiesc antrenate pentru a porni, pilonul este supus unor solicitări mecanice importante. Din acest motive, în prezent, constructorii de eoliene s-au orientat cu precădere către eolienele cu ax orizontal.

Cele mai răspândite 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.

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.

Schema de principiu a rotorului lui Savonius

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

Schema rotorului lui Darrieus

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 captorului 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.

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 trebuiesc 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.

Turbinele eoliene moderne se mai pot diferenția și după alte criterii cum ar fi după puterea eolienei cât și după posibilitatea conectării sau nu la rețea:

după puterea turbinelor:

după posibilitatea conectarii la rețea:

cu posibilitate de conectare la rețea (grid connect) – în general turbine de capacitate mare;

izolate – fără posibilitatea de conectare la rețea (no grid connect) – turbinele mici folosite la încărcarea acumulatorilor sau pentru consumatorii mici.

Două tipuri de rețele pot fi utilizate:

Rețele izolate în care puterea generatoarelor eoliene este cuprinsă între 10KW și 200KW

Rețele izolate se regăsesc în zonele în care costul este ridicat pentru transportul combustibilului diesel. Aceste tipuri de rețele sunt hibride utilizând cuplajul eoliană-diesel. Energia vântului este utilizată ca sursă primară având rolul de reducere a consumului de combustilil diesel. Un astfel de sistem este redat în figura 1.6.1 a si b.

Rețele naționale în care puterea generatoarelor eoliene este cuprinsă între 200KW și 2MW. Cele mai multe aplicații ale eolienelor le regăsim conectate în rețeaua națională în care turbinele sunt conectate în ferme de vânt. O astfel de fermă este alcatuită dintr-un număr de turbine plasate perpendicular pe direcția vântului, interconectate în substații.

Două mari tipuri de generatoare electrice sunt utilizate: sincrone și asincrone.La rândul lor pot fi :

Generatoarele sincrone

cu excitație electromagnetică

cu magneți permanenți

Generatoarele asincrone pot fi:

Cu rotor în scurtcircuit

Cu rotor bobinat

Generatoarele sincrone

Generatoarele sincrone sunt utilizate în sistemele eoliene pentru obținerea de tensiune și frecvență constantă. Combinațiile dintre modul de acționare a turbinei eoliene, a cuplării la axul generatorului sincron și a modurilor de excitație conduc la șapte metode de folosire a generatoarelor sincrone în sistemele eoliene.

Primele trei sisteme au viteza constantă și diferă numai modul de reglaj al unghiului elicei și detaliile cutiei de viteză. Sistemele cu unghi variabil sunt capabile să lucreze la un bun coeficient de performanță peste o valoare a vitezei vântului la viteza unghiulară fixă a turbinei. În acest mod densitatea de putere la ieșire este mai mare decât în sistemele cu unghi fix. Extinderea intervalului de viteză, la sistemele cu unghi variabil se realizează prin utilizarea a doua rapoarte de transmisie.

Sistemele de la patru la șapte funcționează la viteză variabilă și sunt completate pentru obținerea frecvenței constante de una din metodele redate în coloana a patra a tabelului. Astfel în sistemul al patrulea axul turbinei antrenează un generator de curent continuu care la rândul său alimentează un motor de curent continuu cuplat mecanic cu generatorul sincron, reglajul turației a generatorului sincron se face prin reglajul curentului rotoric al motorului de curent continuu.. Dezavantajul sistemului patru față de trei este că necesită două mașini electrice adiționale, ceea ce duce la costuri mai ridicate și totodată mai puțin performante din punct de vedere al mentenanței.

Sistemul cinci este similar sistemului patru și constă în cuplarea la axul turbinei a unui generator sincron. Tensiunea de frecvență variabilă este redresată și aplicată motorului de curent continuu ce antrenează al doilea generator sincron. Sistemul generator sincron –redresor se amplasează în turnul eolienei, iar grupul motorul de curent continuu –generator sincron la baza acestuia.

Al șaselea sistem presupune redresarea tensiunii de frecvență variabilă a generatorului și obținerea tensiunii de frecvență industrială cu ajutorul invertorului.

Ultimul sistem conține o cutie de viteză automată ce poate menține turația constantă a mașinii sincrone.

Generatoarele asincrone

Generatoarele asincrone utilizate sunt cu rotor în scurtcircuit sau cu rotor bobinat. Generatorul asincron cu rotor în scurtcircuit prezintă avantajul conectării directe în rețea și funcționează aproximativ la vitează constantă. Din cauza caracteristicii cuplu-alunecare (cuplu-turație ) variația turației pentru a funcționa economic (alunecare mică) variațiile de viteză sunt acceptate într-o gamă foarte redusă.

Acest tip de generator se poate utiliza la eolienele de mare putere deoarece momentul de inerție al mașinii atenuează variațiile vitezei vantului. Sistemul nu se pretează la eolinele cu inertie mică .

Capitolul 2

Turbinele eoliene de

mică putere

2.1.Gama de puteri

Turbinele eoliene de putere mică comerciale, de la câțiva W la 100 kW, se clasifica in functie de gama de puteri conform tabelului 2.1.

Valorile care definesc gamele pentru această clasificare au fost alese după normele și legislația care afectează turbinele eoliene de mică putere. Valoarea de 40 m2 a fost limita stabilită în prima ediție a Standardului IEC 61400-2 și este gama destinată în prezent pentru integrarea turbinelor de mică putere în mediul construit; limita de 200 m2 a fost stabilită în a doua ediție a Standardului IEC 61400-2 în 2006, și include majoritatea aplicațiilor pentru turbine eoliene de mică putere. Limita de 100 kW este definită în multe țări ca fiind maximul de putere ce poate fi conectată la o rețea de joasă tensiune.

Tabelul 2.1. Clasificarea turbinelor eoliene de mică putere

În ciuda atenției acordate turbinelor eoliene de mai mulți MW, piețele pentru sistemele electrice autonome și generarea distribuită utilizând turbine eoliene de mică putere pot fi atractive dacă prețurile pentru energia electrică convențională și pentru combustibilii fosili sunt suficient de ridicate, sau în multe țări în curs de dezvoltare, unde sute de milioane de oameni nu au acces la energie electrică.

În ce privește analiza performanței turbinei eoliene de mică putere, densitatea medie a puterii este în jur de 0.15-0.25 kW/m2, din cauza potențialului eolian limitat în locuri unde energia este necesară.

Tehnologia acestor turbine este clar diferită față de cea folosită în cazul turbinelor eoliene de mare putere. Aceste diferențe afecteaza toate subsistemele: în special subsistemele electrice și de control, dar și aspectul rotorului. Majoritatea turbinelor de mică putere existente pe piață sunt mașini care s-au dezvoltat într-un fel aproape artizanal, cu mai puțină tehnologie matură comparată cu cea atinsă de turbinele de mare putere.

Turbinele eoliene de mică putere au un potențial mare, dar câteva provocări sunt necesare pentru a produce mașini sigure. Standarde IEC există pentru turbine de mică putere (IEC 61400-2 pentru cerințele formei turbinelor) și sunt standarde aplicabile de la vânturi mari, cum ar fi performanța puterii sau măsurările emisiilor sonore; totuși ceva mai mult trebuie făcut pentru a dezvolta mai multe standarde apropiate și metode mai simple de afișare a rezultatelor obținute către utilizatorii finali.

În ciuda acestor bariere, piața în țările dezvoltate este promițătoare pentru aplicațiile în afara rețelei și cele conectate la rețea, datorită politicilor de promovare, și chiar mai mult pentru țările în curs de dezvoltare, din cauza scăderii continue în costuri specifice și nevoia tot mai mare de energie.

Piețele și aplicațiile pentru turbine eoliene mici

Aplicațiile diferite pentru care turbinele eoliene mici sunt potrivite au fost rezumate în tabelul 2.2 pentru principalele două piețe identificate: aplicații în afara rețelei și aplicații conectate la rețea.

Tabelul 2.2

Tabelul 2.2 încearcă să reflecte combinațiile posibile, conform pieței, aplicație și mărime a turbinei eoliene mici, gamele definite în tabelul 2.1. Tabelul arată cum sistemele izolate cu turbine eoliene de mică putere oferă soluții pentru aproape orice aplicație oricând este destul vânt la locul respectiv. În funcție de mărimea sistemului, cele trei soluții pentru sisteme izolate sunt:

sisteme izolat ;

sisteme hibride;

sisteme eoliene-diesel.

În cazul aplicațiilor în rețea, posibilitățile sunt de asemenea numeroase, depinzând de spațiul disponibil pentru instalare și de constrângerile juridice si economice.

Turbinele eoliene de mică putere sunt folosite în două domenii principale:

Sisteme electrice autonome, cu alte cuvinte cele care nu sunt conectate la un sistem electric mai mare;

Generare distribuită, adică sisteme cu generatoare mici conectate la o retea publica de distribuție.

Turbinele eoliene de mică putere au fost folosite în mod tradițional pentru aplicațiile mici în afara rețelei, aceasta fiind cea mai mare parte a pieței atât în lumea dezvoltată cât și în lumea în curs de dezvoltare. Această tendintă s-a schimbat în ultimii ani, având în vedere creșterea conexiunilor la rețea de la turbinele mici. Potențialul pieței pentru turbinele eoliene de mică putere conectate la rețea accelerează dezvoltarea tehnologiei acestora precum producția la scară largă scontată justifică investițiile financiare necesare tot mai mari pentru dezvoltarea tehnologiei.

2.2.1.Aplicații izolate

După cum s-a menționat mai sus, majoritatea sistemelor existente ce conțin turbine eoliene mici sunt aplicații izolate, aceasta fiind utilitatea cea mai traditională pentru ele. Printre posibilele aplicații izolate, cele mai uzuale sunt electrificările rurale, aplicații profesionale (telecomunicații și așa mai departe) și pompare.

Piața pentru sisteme foarte mici reprezintă sectorul cel mai activ pentru sisteme eoliene în afara rețelei, datorită în special pieței bărcilor și caravanelor (mii de bucăți pe an). Folosul sistemelor eoliene de casă pentru electrificarea rurală este departe de uzul generalizat al sistemelor solare de casă, dar câteva dezvoltări curente pot fi observate. De exemplu, folosirea sistemelor eoliene de casă este ceva normal în interiorul Mongoliei, unde aproape 250000 de turbine eoliene mici au fost deja instalate, cu o capacitate de producție de 40000 de unități pe an.

Separat de aceasta piața locală uriașă, un alt proiect interesant este PERMER (Energie Regenerabilă pentru Electrificarea Rurală) în Argentina, unde, după o fază experimentală de 115 de sisteme eoliene de casă, o fază de implementare a 1500 de sisteme eoliene (în două configurații, 300 sau 600 W) a fost aprobată.

Piața pentru sisteme hibride în configurații de un sistem este larg răspândită peste tot în lume. Experiențe a unor programe de electrificare rurală globală planificată care includ sisteme hibride sunt:

China, unde stații eoliene/PV hibride au fost introduse ca o opțiune, cu participarea a câtorva dezvoltatori și producători (cum ar fi SMA și Bergey) de sisteme hibride;

Programul de Electrificare Rurală din Chile, care include sisteme hibride pentru insule mici; acest program încă rulează, și câteva sisteme sunt încă în curs de dezvoltare.

Peste tot în lume există experiență cu sistemele eoliene/diesel, cu Alaska, Canada și Australia ca fiind piețele aproape de termen, variind de la sisteme cu penetrare scăzută la sisteme cu penetrare ridicată. Până acum, sisteme eoliene/diesel cu penetrare ridicată au fost instalate în mare parte în climate reci, unde surplusul de energie poate fi folosit pentru încălzire. Statul Chile a inclus de asemenea sistemele eoliene/diesel în programul de electrificare.

Figura 2.3.1 Configuratia unui sistem eolian izolat

Din punct de vedere tehnologic, pot fi distinse trei grupuri de aplicații izolate ce folosesc turbine eoliene de mică putere; acestea sunt descrise în ceea ce urmează.

Sistemele foarte mici au de obicei o capacitate de generare mai mică de 1 kW. Cele mai cunoscute aplicații pentru aceste configurații sunt aplicațiile mobile, cum ar fi bărcile și caravanele, și sistemele eoliene de casă, versiunea eoliană a sistemului solar de casă folosit pentru electrificarea rurală. Aceasta configurație se bazează pe conexiunea de c.c. , unde bateria este componenta principală de control și stocare. În general sistemul alimentează sarcini de c.c. , după cum energia consumată este foarte scazută. Aceasta este cea mai frecvent utilizată configurație, în termeni de număr de sisteme. Producătorii includ Marlec, Ampair și Southwest.

2.2.2. Sisteme hibride (generare distribuită)

Termenul ”hibrid” are sensuri diferite în contextul de sisteme în afara rețelei cu energie regenerabilă. În acest caz, ”sisteme hibride” se referă la sisteme ce includ eoliene sau alte surse de generare (de obicei fotovoltaice). Capacitatea generării de putere pentru această configurație este în majoritatea cazurilor mai mică de 50 kW. Un generator diesel este folosit în multe sisteme în această configurație pentru a alimenta energie de rezervă. Tradițional, aceste sisteme au fost și ele bazate pe conexiunea de c.c. , cu o baterie care are rolul de stocare și control, și un invertor care să genereze c.a. pentru sarcini (practica uzuală este folosirea numai de sarcini de c.a. în această configurație). Totuși, în anii anteriori au fost propuse câteva soluții ce utilizează conexiunea de c.a. Această soluție a fost posibilă prin dezvoltarea convertoarelor bidirecționale (SMA, Conergy, Xantrex) care permite fluxul dinspre blocul de c.c. spre blocul de c.a. și invers utilizând numai o etapă a electronicii de putere. Dezvoltatorii utilizând a doua soluție au propus folosirea turbinelor eoliene mici cu generatoare asincrone conectate direct la blocul de c.a. (SMA, Conergy) , care a fost un concept rar folosit pentru aceste sisteme (excepție făcând Vergnet). Tendința tehnologiei pentru aceste sisteme este în principal în dezvoltarea electronicii de putere flexibile și modulare capabile să furnizeze atât calitatea energiei cât și controlul supravegherii sistemului.

2.2.3. Sisteme hibride eoliene-diesel

Deși câteva sisteme hibride includ doar generarea energiei eoliene și motorinei, configurația descrisă ca fiind ”eoliană-diesel” se referă la acele sisteme unde generatorul diesel (gen-set) joacă un rol cheie, nu doar ca o sursă de rezervă ci și ca un component esențial pentru controlul corect și buna funcționare a sistemului. Această configurație este tipică pentru aplicațiile mari izolate (>50 kW) , unde au fost raportate câteva sisteme în gama MW. Sistemul de stocare pe care îl folosește această configurație este unul de termen scurt, de obicei baterii, care este folosit numai pentru calitatea energiei și în scopuri de control, și nu pentru echilibrul energiei pe termen lung.

Trei tipuri diferite de sisteme eoliene-diesel pot fi diferențiate, conform proporției de folosire a vântului în sistem:

penetrare scăzută a sistemelor eoliene-diesel, care nu necesită modificări adiționale la rețeaua numai diesel cum motorul diesel merge continuu iar controalele sale pot face față controlului sistemului în modul de operare eolian-diesel fără modificări importante

penetrare medie a sistemelor eoliene-diesel, care necesită includerea unor capabilități de control pentru momente când generarea eoliană este mai mare decât consumul de sarcină;

penetrare ridicată a sistemelor eoliene-diesel, care necesită în plus dispozitive și strategii complexe de control pentru a garanta stabilitatea sistemului în modul doar eolian (cu alte cuvinte când generatorul diesel a fost oprit).

Sistemele cu penetrare scăzută pot fi găsite la nivel comercial, întrucât soluțiile pentru sistemele cu penetrare ridicată sunt la un nivel de demonstrație. Tendințele în tehnologie pentru această configurație includ dezvoltarea unor strategii de control demonstrate și robuste. Prospectele acestei configurații (în mare pentru sistemele cu penetrare ridicată) sunt foarte promițătoare, recent costul combustibilor crescând dramatic.

2.2.4.Aplicații conectate la rețea

O altă piață cu potențial mare de turbine eoliene de mică putere este în aplicațiile conectate la rețea pentru un mediu rezidențial, industrial sau chiar urban. Așa-numitele aplicații eoliene distribuite sunt gata pentru creșterea rapidă a pieței ca răspuns la creșterea tot mai mare a prețului energiei și cererea crescută de energie la locul respectiv. Totuși, pentru ca eolienele ditribuite să-și atingă potențialul pe piață, industria trebuie să depășească multe obstacole, în special în costul sistemului, calitatea proiectului, rețeaua de interconectare și restricțiile de instalare.

În prezent, partea majoră a dezvoltării acestei piețe este în S.U.A. , Canada și Australia, în paralel cu noi tendințe în dezvoltarea sistemelor generatoare distribuite. Această piață aparută dă un nou impuls dezvoltării tehnologiei turbinelor eoliene mici.

Energia eoliană poate fi de asemenea folosită ca să genereze electricitate într-un mediu urban. Această tendintă a fost vazută în Europa, unde integrarea turbinelor eoliene de mică putere în mediul construit este discutată în mod activ. Noi turbine eoliene sunt în curs de dezvoltare pentru această aplicație, care caută în mod special dispozitive tăcute și eficiente în conformitate cu fluxul de vânt turbulent și denaturat. La fel ca și instalarea turbinelor eoliene în jurul și deasupra locuințelor, există de asemenea interes în turbine eoliene ”integrate în clădiri” , unde turbina este o parte din structura sau fațada clădirii.

În lume există piețe diferite pentru turbine eoliene mici, depinzând în mare parte de starea actuală a dezvoltării caracteristicilor de gospodărie și rurale, ca fiind influențate de mediul construit sau rezidențial.

Europa are o rețea electrică vastă, așa că nu prea este nevoie de sisteme eoliene în afara rețelei. Totuși, este ceva potențial pentru sistemele mici conectate la rețea, ceea ce mulți europeni ar găsi atractiv. Concentrația mare de populație în zonele urbane asigură o oportunitate mare pentru generarea distribuită de la energia eoliană prin instalarea de turbine eoliene mici pe acoperiș, chiar dacă rugozitatea mediului urban înseamnă un flux al vântului mai turbulent și redus.

Regatul Unit al Marii Britanii este liderul european în micro-generare, care include energia turbinelor mici ca unul din factorii importanți ce contribuie la țintele naționale de energie regenerabilă. Asociația Britanică a Energiei Eoliene (ABEE) pretinde că ar fi posibilă instalarea a destulor micro și mici turbine eoliene ca până în 2020 să se genereze 1200 MW.

Astăzi în Marea Britanie sunt nouă companii ce produc 17 modele de turbine eoliene mici și mai mult de 11 prototipuri. Majoritatea sunt turbine eoliene cu ax orizontal, deși câteva sunt cu ax vertical, pentru instalarea pe sau în jurul clădirilor. Piața este foarte dinamică , cu peste 3500 de turbine mici și micro instalate numai în 2007, și o creștere așteptată a pieței domestice și de export (mai mult de 120% prezicerea pe 2007/2008). ABEE un standard de performanță, siguranță, încredere și emisii sonore prin care turbinele eoliene de mică putere vor fi testate pentru a fi acceptabile pentru programe stimulente.

Olanda efectuează unele studii pe turbine eoliene mici cu conexiune la rețea:

în domeniul atitudinilor locale, testând turbinele pentru un an, la sfârșitul căruia deținătorul va putea cumpăra turbina cu 50% din prețul de vânzare;

în domeniul performanței actuale, măsurând performanța a 12 turbine eoliene mici cu o putere maximă de 5 kW.

Spania promoveaza sectorul turbinelor eoliene de mică putere prin diferite inițiative. În prezent, piața turbinelor eoliene mici este acoperită de trei producători interni, dar noi producători lucrează la dezvoltări mai mari ale acestor turbine și turbine eoliene pentru integrarea în mediul urban. În plus a fost creat un grup în interiorul Asociației Producătorilor de Energie Regenerabilă (APER) care se ocupă cu problemele de generare la turbinele eoliene de mică putere. Obiectivele acestui grup sunt următoarele:

să informeze publicul despre această tehnologie;

să fie vocea industriei de turbine eoliene mici catre entități publice și private, să încerce să obțină condiții necesare favorabile pentru dezvoltarea tehnologiei, din punct de vedere financiar și legal.

SUA este piața principală pentru turbine eoliene mici, cu mai mult de 100000 operaționale cu gama între 90 W și 25 kW, totalizând mai mult de 35 MW. Pe parcursul lui 2007, cu mai mult de 900 de turbine eoliene de mică putere vândute, 98% de către producătorii americani. Piața americană de turbine mici crește cu aproape 15-20% pe an. Gospodăriile rurale sunt cele mai frecvente aplicații pentru sisteme eoliene mici, cu contorizarea netă ca fiind stimularea fiscală principală fiindcă Producerea de Credite Fiscale nu este disponibilă pentru această tehnologie. Până în 2009, majoritatea statelor americane vor dori ca turbinele să fie garantate de Consiliul de Certificare a Turbinelor Eoliene Mici pentru ca acestea să fie convenabile pentru programele lor stimulente.

Piața canadiană de turbine eoliene mici este de asemenea importantă, cu o putere instalată între 1.8-4.5 MW. Acolo sunt politici de contorizare netă în mai multe state. Cel puțin 17 producători sunt situați în Canada; aceștia lucrează la un program nou de garantare a produsului adaptat la interesele Canadei din programele de certificare existente ale SUA și Marii Britanii.

Tendințele tehnologiei și dezvoltările recente

Majoritatea turbinelor mici care sunt utilizate în prezent peste tot în lume au trei pale, dar există și modele cu două pale, patru sau mai multe la micro-scară. Diametrul rotorului este mai mic de 20 m și majoritatea turbinelor eoliene mici comerciale au un diametru al rotorului mai mic de 10 m. Aceste turbine sunt de obicei montate pe turnuri înalte de 12-24 m.

Pentru rotor, tendințele tehnologiei sunt înclinate spre metode avansate de fabricare a palei bazate în mare pe tehnici alternative de fabricare cum ar fi turnarea prin injecție, laminare prin compresare. Avantajele constau în timpul mai scurt de fabricare, costuri mai mici ale componentelor, repetabilitate și uniformitate mărită, dar costurile de prelucrare sunt mai mari.

Majoritatea turbinelor eoliene mici folosesc un generator sincron cu magneți permanenți ce se bazează pe magneții permanenți din pământ rar ca fiind un convertor electromecanic, din urmatoarele motive:

Magneții permanenți din pământ rar depășesc magneții din ferită: au proprietăți magnetice superioare, și s-a constatat o scădere rapidă a prețurilor;

Aceștia duc la formarea unor generatoare mai ușoare în greutate și mai compacte.

O caracteristică importantă pentru a atinge în generatoare de magneți permanenți este un cuplu generator redus în ”dințătură” , care îmbunătățește viteza mică de pornire a eolienei.

Câțiva producători continuă să folosească generatoare de inducție. Totuși, în trecutul recent, nici o turbină cu putere nominală mai mică de 50 kW n-a folosit generatoare de inducție conectate direct la rețea. În prezent, totuși, modele ce utilizează acest tip de generatoare reapar pentru a evita electronica de putere pentru a atinge costuri reduse și siguranța imbunătățită.

O componentă costisitoare pentru turbinele eoliene mici conectate la rețea este invertorul, sau convertorul c.c./c.a. Majoritatea acestor invertoare provin din piața PV și sunt adaptate pentru folosirea cu turbine eoliene, instalate în aval fata de dispozitivele de control de tensiune.

De curând, invertoarele specifice turbinelor eoliene au început să apară în configurații mono și trifazate. Acestea pot fi garantate după standardele International Power Quality și EMC (compatibilitate electromagnetică).

Ca o inclinație generală, turbinele eoliene mici sunt concepute pentru viteze scăzute ale vântului, ceea ce înseamnă rotoare mai mari, turnuri mai înalte și dispozitive de reglare precise pentru rafale de evenimente.

Pentru a reduce emisiile sonore, vitezele rotorului de vârf și de operare redusă sunt urmărite. Din această cauză, raportul tipic de viteză al modelului este 5:1.

Noi standarde pentru designul turbinelor mici eoliene (IEC 61400-02, a doua editie) au fost publicate în 2006 pentru turbine cu o zonă a rotorului <200 m2 (diametrul rotorului ~16m). S-a constatat o creștere ușoară a folosirii acestor standarde de către industrie.

Industria este diversificată și producătorii variază mult în termeni de maturitate. Peste 300 de modele diferite (în etape diferite ale dezvoltării) există în întreaga lume, din care 100 sunt proiectate de producători americani.

Majoritatea dezvoltărilor recente în domeniul turbinelor eoliene mici pot fi rezumate astfel:

Izolatorii de vibrații să atenueze sunetul;

Designul palei și metodele de producere avansate;

Mijloace alternative de auto-protecție în cazul vânturilor extreme;

Adaptarea unui singur model pentru folosirea fie în afara rețelei, fie conectat la rețea;

Software și unități de afișare fără fir;

Invertoare integrate în nacelă (butucul rotorului);

Electronice proiectate să îndeplinească standarde de siguranță și durabilitate;

Sisteme legate pentru interconectare la cheie;

Încercări de a face turbinele eoliene mici mai atractive din punct de vedere vizual;

Integrarea turbinelor în turnuri deja existente, cum ar fi stâlpii de serviciu public sau paratrăsnete.

Elemente componente

Turbina

Starea tehnologiei rotorului este rezumată în tabelul 2.4.

Turbinele se pot clasifica astfel:

Dupa numarul de pale:

cu 2 pale;

cu 3 pale;

cu mai mult de 3 pale.

Dupa tipul rotorului:

orizontal;

vertical.

Dupa tipul de material folosit la confectionarea palelor:

aliaj;

lemn+epoxidice;

aliaj+epoxidice.

Dupa viteza rotationala:

foarte ridicata;

ridicata;

medie;

scazuta.

Tabelul 2.4. Rotorul și problemele legate de acesta

Codul culorilor pentru frecvența estimată a apariției opțiunilor tehnice

Această analiză a fost facută pentru fiecare dintre turbinele eoliene mici cu gamele puterii definite în tabelul 2.1. Rezultatele analizei generatorului și electronica de putere folosite în turbinele eoliene de mică putere sunt rezumate în tabelul 2.5. Pentru diferite mărimi de turbine eoliene mici au fost incluse și unele comentarii scurte.

Generatorul, electronica de putere

Tabelul 2.5.Generatorul, electronica de putere și alte observații

Eficiența pretinsă

Un alt aspect prin care turbinele eoliene mici diferă de cele mari conectate la rețea este eficiența generării. În primul rând, eficiența turbinelor eoliene mici nu este foarte cunoscută, deoarece nu sunt destule informații disponibile; în al doilea rând, valorile sunt de obicei semnificativ mai mici decât turbinele eoliene mari. Figura 2.1 arată graficul eficienței pretinse de producători pentru turbinele eoliene mici ca o funcție a puterii nominale la viteza nominală a vântului.

Figura 2.1 Eficiența pretinsă ca o funcție a puterii nominale

Ar trebui remarcat faptul că standardele IEC pentru măsurarea curbei puterii nu sunt aplicate riguros de către producătorii turbinelor mici cum sunt aplicate în domeniul turbinelor eoliene mari, compararea fiind greu de făcut.

Omițând modelele care se pare ca nu respectă limita Betz, câteva observații pot fi făcute:

În general, eficiența turbinelor eoliene mici este mai mică decât cea a turbinelor eoliene mari;

În realitate, eficiențele tind să fie mai mici (valorile între 10-25% sunt normale).

Analiza costului

Se obișnuiește să se folosească costul pe kilowatt pentru analiza costului unor tehnologii de generare diferite. În cazul turbinelor eoliene de mica putere, rezultatul este dat în figura 2.2.

Figura 2.2 Costul pe kW ca o funcție a puterii nominale

Valorile sunt foarte dispersate pentru gama de putere joasă, dar tendința e aceea de a diminua costul pe kW odată cu creșterea puterii nominale.

Totuși, o analiză globală a costului pentru eoliene mici trebuie să fie precedată de o observație asupra definiției puterii nominale a acestor turbine. În generarea energiei eoliene, nu este acceptată universal nici o condiție de test standard la care să se refere toate caracteristicile dispozitivelor. Deci producătorul este cel ce decide condițiile pentru care să determine puterea nominală a turbinelor eoliene mici. Situația este clarificată până într-un anumit punct în figura 2.3 unde vitezele nominale ale vantului alese sunt afisate pentru valorile puterii nominale diferite in studiul turbinelor eoliene de mica putere.

Figura 2.3 Comparația puterii nominale și a vitezei nominale a vântului definite de producatori

Variația mare în viteza nominală a vântului înseamnă că parametrii specifici legați de puterea nominală nu pot fi comparați direct, deoarece acestea nu se referă acelorași condiții.

Un alt parametru care este obiectiv, nu subiectiv ca puterea nominală, este câmpul rotorului. Figura 2.4 arata variația evaluării puterii ca o funcție de diametru.

Figura 2.4 Puterea nominală definită de producător ca funcție de diametru

Chiar dacă pentru diametre mai mari apar unele dispersări, câmpul rotoric pare a fi o reprezentare mai bună a puterii turbinelor eoliene mici decât puterea însăși, și este clar mai reprezentativă a energiei totale generate de aceste turbine. Acesta este de asemenea motivul folosirii costului pe m2, după cum este arătat în figura 2.5 pentru analiza costului.

Figura 2.5 Costul pe m2 ca o funcție a puterii nominale

In figura 2.5 se poate observa cum turbinele eoliene cu puteri nominale mai mici sunt mai scumpe, pretul scazand o data cu cresterea puterii nominale.

Chiar daca mai este totuși o răspândire în gama de joasă putere, care este un semn de lipsă de maturitate a pieței, tendința de costuri mai mici pe m2 este menținută odată cu creșterea mărimii turbinelor eoliene mici, ceea ce este un avantaj dacă comparăm cu generarea PV, un alt rival pentru eolienele mici.

Tendințele viitoare

Tendințele viitoare sunt prezentate în ceea ce urmează.

Pentru designul palei și al rotorului:

noi materiale cum ar fi materialele termoplastice (nailon);

noi metode de reglare a turbinelor eoliene mici ;

rulmenți magnetici pentru a reduce pierderile în turbinele eoliene de mică putere.

Pentru generator:

soluții pentru reducerea cuplului dințăturii, cum ar fi polii asimetrici;

turbine eoliene mici cu viteza de rotație mică, bazate pe viteze planetare hibride.

Pentru specializări de fabricație:

producătorii de pale: noi metode bazate pe, de exemplu, înfășurarea filamentelor;

producerea de turnuri usoare.

Pentru concentrația de producători:

utilizarea mai largă a standardelor existente;

dezvoltarea ulterioară a standardelor;

mijloace acceptate frecvent pentru a caracteriza performanța.

În afara rețelei:

tehnologii de stocare;

calibrarea instrumentelor îmbunătățită;

o intelegere îmbunătățită a sistemelor hibride și a sistemelor hibride eoliene/diesel;

o ofertă mai largă a componentelor;

protocoale de comunicare;

aplicații noi.

Conectate la rețea:

interconectarea electronicelor de putere;

protocoale de comunicare;

interfețe standardizate;

cerințe tehnologice ale operatorilor de rețea mai bine înțelese, simple și uniforme.

Pentru înțelegerea resurselor eoliene în zonele unde sunt instalate turbine eoliene mici:

lângă construcții;

pe clădiri;

în interiorul clădirilor (integrate în clădiri).

Concluzii

Turbinele eoliene mici joacă un rol important în proiectele din afara rețelei, în locații vânturoase unde asigură o energie economica de alimentare, de când soluțiile alternative cum ar fi generatoarele diesel au un cost al combustibilului ridicat când sunt folosite continuu pentru alimentarea cu energie. Acest lucru se poate aplica și instalațiilor conectate la rețea, în ciuda faptului ca prețul producției lor pe kWh este de obicei mai mare decat în cazul turbinelor eoliene mari.

Standarde IEC acceptate international relevante pentru industria turbinelor eoliene mici exista deja, dar nu sunt folosite mult în practică. Este nevoie de ceva efort pentru a dezvolta standardele existente, pentru a crește folosirea lor. De exemplu, Standardul IEC 61400-2 „Cerințele de design pentru turbinele eoliene de mică putere”, care se aplică turbinelor eoliene cu un câmp al rotorului mai mic de 200 m2 și care generează o tensiume de 1000 V este dificil și greu de aplicat. Există o intenție de a include măsurarile sunetului în sistemul de clasificare a standardelor, ceea ce este laudabil, dar procedura de test este imperfectă.

Toate componentele turbinelor eoliene mici – pale, generatoare, sisteme de reglaj ș.a.m.d- ar putea fi îmbunătățite.

Noi designuri pentru integrarea în mediul urban trebuie să fie eficiente și estetice. Trebuie de asemenea să fie foarte robuste și silentioase.

Piața pentru turbine eoliene de mică putere este promițătoare. Numărul producătorilor de acest tip de turbine este în creștere peste tot în lume.

Capitolul 3

Configurațiile sistemelor eoliene mici

O topologie tipică de electronică de putere care este folosită pentru un generator sincron cu magneți permanenți este prezentată în figura 3.1.5. Tensiunea variabilă trifazată, frecvența variabilă de ieșire de la turbina eoliană este redresată folosind diode în punte. O dată cu schimbarea în turație a generatorului sincron, tensiunea de pe partea de c.c. a redresorului cu diode se modifică. Pentru a menține constantă o legatură a tensiunii de c.c. a invertorului, este folosit un chopper step-up pentru a adapta tensiunea redresoare. După cum s-a văzut de la intrările de c.c. la invertor, sistemul de generator/redresor este apoi modelat ca o sursă de curent ideală. Acest semnal de ieșire redresat de la diodă este filtrat într-o formă de undă bună de c.c. folosind un condensator mare. Semnalul c.c. este apoi inversat prin utilizarea de întrerupătoare semiconductoare într-o undă de trei faze și 60 Hz. Această formă de undă poate fi apoi scalată cu ajutorul unui transformator de tensiune la valorile cerute de sistemul de c.a. al utilității. Generatorul este decuplat de la rețeaua electrică de către o legatura de c.c. cu originea in tensiune: prin urmare, aceasta interfață a electronicii de putere oferă caracteristici excelente controlabile pentru sistemul de energie eoliană. Convertorul de putere la rețea permite un control rapid de putere activă și reactivă. Totusi, latura negativă este un sistem mai complex unde mai multe părți sensibile electronice de putere sunt necesare.

Figura 3.2.1 Topologia electronicii de putere a generatorului sincron

Forma cea mai generalizată a electronicii de putere pentru aplicarea energiei eoliene este conexiunea invertor/redresor back-to-back care prevede controlul îmbunătățit al fluxului de energie precum și eficiența crescută. Schema convertorului alimentat cu tensiune în astfel de sisteme este prezentată în figura 3.2.2.

Figura 3.2.2 Convertorul electronicii de putere generalizate pentru sisteme eoliene

Această structură eoliană este potrivită pentru orice tip de sisteme eoliene. După cum s-a văzut și în figura 3.1.5, redresorul și convertorul de stimulare pot fi înlocuite cu un redresor PWM pentru a atinge același nivel de control. În mod similar, pentru sistemul eolian bazat pe generator de inducție, această topologie a electronicii de putere este necesară pentru conexiunea utilității. Bazate pe designul de control pentru sistemul convertorului PWM back-to-back, se pot obține diferite avantaje:

curentul de ieșire al generatorului eolian este sinusoidal;

nu există pierderi de cupru armonice;

redresorul poate genera excitație programabilă pentru sistemul bazat pe generatorul de inducție;

generarea de energie electrică continuă de la zero la valoarea maximă a turației turbinei este posibilă;

energia electrică poate circula în orice direcție, permițând generatorului să ruleze ca un motor la pornire;

operarea insulara a sistemului este posibilă cu un condensator de pornire care să încarce bateria.

Capitolul 4

Modelul matematic al turbinei eoliene

de mică putere

Aerogeneratorul 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.

Elicea turbinei eoliene cuprinde energia curentului vântului ce acționează suprafața elicei.

Elicea turbinei eoliene cuprinde energia curentului vântului, care se află lângă el. Energia eoliană provine din energia cinetică a vântului. Se consideră că energia cinetică a unei mase de aer ce se deplasează cu o viteză , este:

Dacă, într-o perioadă de timp, această energie ar fi complet recuperată cu ajutorul unei elice care face o suprafata perpendiculară pe direcția vântului, puterea eoliană instantanee este:

unde este masa volumică de aer (1,25 kg/m3).

Dependenta puterii de densitatea aerului

Elicele stațiilor eoliene se rotește datorită mișcării maselor de aer: cu cât este mai mare masa aerului, cu atât mai repede se rotesc elicele, producând o cantitate mai mare de energie. Din cursul de fizică se știe, că energia cinematică a corpului în mișcare, în cazul dat aerul, este proporțională cu masa lui.

De aceea energia vântului depinde de densitatea aerului – cu cât densitatea este mai mare, cu atât forța de acțiune este mai mare (densitatea depinde de cantitatea moleculelor într-o unitate de volum). La presiunea atmosferică normală și temperatura de 15°C densitatea aerului constituie 1,225 kg/mc. Însă cu mărirea umidității densitatea puțin scade. Aceasta este cauza producerii de către un generator eolian a unei cantități mai mari de energie, la aceeaș viteză a vântului, pe timp de iarnă, când densitatea aerului e mai mare, decât vara. Pe suprafețele plasate mai sus de nivelul mării, în munți, spre exemplu, presiunea atmosferică este mai mică și, corespunzător, este mai mică și densitatea aerului, deci, se produce o cantitate mai mică de energie pe suprafața elicei. Energia vântului de asemenea este supusă schimbărilor sezoniere a timpului. Lucrul unei asemenea instalații este mai efectiv iarna și mai putin efectiv în lunile de vară (în cazul sistemelor solare situația este inversă). În condițiile climaterice din Danemarca sistemele fotoelectrice sunt efective la 18% în ianuarie și la 100% în iulie. Eficacitatea lucrului stației eoliene este de 55% în iulie și 100% în ianuarie.

Rezulta astfel ca-n funcție de condițiile climatice energia eolianei trebuie ajustată prin coeficienți de dependența a densității aerului de temperatura și presiune . În realitate, turbina eoliană extrage o putere inferioară puterii disponibile. Intr-o locatie data a eolienei puterea produsa este:

Pm=ChCtP

unde

Ch=p /p0-coeficient de ajustare dependent de presiune cuprins intre 0.59 to 1.02;

Ct=T/T0 coeficient de ajustare dependent de temperatura cuprins intre 0.96 – 1.15;

p-este presiunea medie anuala in locatia data (cuprinsa intre 60 si 103 Kpa);

p0 este presiunea atmosferica standard de 101.3 kPa;

T este temperatura anuala medie absoluta ( cuprinsa intre 223 si 303 oK corespunzatoare –20 +30 oC) ;

T0 este temperatura standard de 288.1 K.

4.2. Dependenta puterii de aerodinamica elicei

Viteza vântului este cel mai important factor de influență asupra cantității de energie. Viteza mai mare a vântului mărește volumul maselor de aer – cu mărirea vitezei vântului crește cantitatea energiei electrice produse.

Aria rotorului determină câtă energie este capabilă să colecteze o turbină eoliană de la vânt. Ținând cont de faptul că aria rotorului se mărește cu pătratul diametrului rotorului, o turbină care este de 2 ori mai mare va primi de 22 ori mai multă energie. Suprafața discului acoperită de rotor, determină câtă energie putem „recolta” pe an.

Puterea aerodinamica reprezintă variația energiei cinetice în timp fiind

[W]

cu puterea specifica pe unitatea de suprafață

[W/m2]

Forța de ridicare și tractiune

Asupra elicei acționeză două forțe una de tracțiune și una de ridicare, forțe asemănătoare cu cele ce acționează asupra unei ambarcațiuni cu pânze.

Figura 4.1 Forțe ce acționează asupra elicei

Forța de tracțiune este pe direcția curgerii fluidului iar cea de ridicare pe direcție perpendiculară curgerii fluidului conform figurii 4.1 b.

Aerodinamica elicei joacă un rol hotărâtor în conversia energiei vantului în energie mecanică.

În figura 4.2 doua forțe principale acționează asupra unei elice,forța de ridicare L ce este ortogonală față de viteza vântului W care acționeaza asupra elicei și forța de tragere D, ce are aceeași direcție cu viteza vântului .

Aceste forțe reprezintă funcții pătratice ale vitezei vântului, iar amplitudinea acestora este puternic influențată de forma barierei de aer, precum și de unghiul de atac, α, unghiul sub care elicea este afectată de acțiunea vântului, W.unde:

WS viteza libera a vântului

W viteza vântului ce acționeaza asupra elicei

L forța de ridicare

D forța de tragere

unghiul de atac

În cazul în care forma barierei de aer este dată, viteza vântului și unghiul de atac vor determina amplitudinea celor doua forțe mai sus menționate.

La unghiuri mici de atac forța de ridicare este mare iar cea de tragere mică . Creșterea unghiului de atac conduce la creșterea forței de tragere Dacă se introduce coeficientul de ridicare CL și cel de tragere CD, ca funcții ale unghiului de atac pentru profilul elicei alese dependența acestora de unghiul de atac este redată în figura 4.3.

Figura 4.3: Coeficienții de ridicare si de tragere ca funcții ale unghiului de atac

Se presupune că jurul elicei curentul de aer este, în cazul profilului ales, în mișcare laminara față de unghiul de atac la aproximativ 10 grade. Coeficientul forței de tragere CD este foarte scăzut în această zonă. Când unghiul de atac atinge valoarea de aproximativ 15 grade, curentul de aer de pe porțiunea inferioară a elicei devine mai puternic, și în consecință, valoarea coeficientului de ridicare scade; acest fenomen poartă numele de stagnare sau pierdere de viteză Peste valoare unghiul de atac de aproximativ 15 grade, Coeficientul de tragere crește aproximativ liniar.

Pentru stabilirea unghiului de atac al elicei se introduce raportul =R / v dintre viteza periferică a elicei si viteza vântului coeficient crucial în determinarea unghiului de atac al elicei .

Elicea în mișcare de rotație descrie un cerc de raza R .Suprafața de acțiune a vântului nu-i întreaga arie R2 de unde rezultă că nu întreaga putere disponibilă în vânt este utilizabilă. În acest sens se definește soliditatea ca procent din aria rotorică ce este ocupată de material solid(al elicei). O soliditate ridicată implică materiale ce pot suporta cupluri mari la un anumit unghi de atac.

Figura 4.4 Dependența cuplului

Forța limită, FE, și forța la lovire, FF.

Creșterea forței de tragere și de ridicare are efecte puternice asupra elicei în sensul tensionarii ei cauzat de forța de ridicare și-n sensul presiunii exercitate asupra elicei de forța de tragere. În acest sens trebuie cunoscute forțele limită la care rezistă elicea , forțe dependente de soliditatea elicei. Exprimând forțele de ridicare și de tragere în funcție de unghiul dintre viteza liberă a vântului și viteza tangențială a unui segment de elice se introduce forța limită, FE, și forța la lovire, FF.

Forța limită FE determină transmisia în cuplul de torsiune, în timp ce forța la lovire FF introduce presiunea asupra turbinei. Forța limită și cea la lovire sunt prezentate în figura 4.5 pentru valori scăzute și ridicate ale unghiului de atac. Relația acestora cu forțele de ridicare și respective de tragere, este indicată în ecuațiile de mai jos.

Figura 4.5 Forțele ce acționeaza asupra elicei

Unde:

FE forța limită

FF forța la lovire

-unghiul între viteza liberă a vântului și viteza tangențiala a unui segment de elice

Coeficientul de performanță al elicei

Eficiența în mișcarea de rotatie a elicei o are forța de ridicare ce înmulțită cu diametrul elicei dă cuplul la axul elicei. Rezultă că nu întreaga putere aerodinamică a vântului este putere disponibilă la axul elicei. În acest sens se definește coeficientul de performanță al elicei sau coeficientul de putere :

(4.2.1)

ca raport între puterea disponibilă la axul elicei și puterea aerodinamică . Acest coeficient ce depinde de performanțele aerodinamice ale fiecărei elice se reprezintă în funcție de (figura 6).

Figura 4.6 Coeficientul de performanță al elicelor

Coeficientul de performanță este dependent de elice dar și de numărul de pale al ei conform figurii 4.7.

Figura 4.7 Coeficientul de performanță

Valoarea maximă a coeficientului de peformanță este cunoscută ca limita Betz având valoarea de 59,3% iar valorile practice sunt cuprinse între 25-45%.

Similar se poate defini coeficientul forței de ridicare(rotire)

ce poate fi reprezentat în functie de .

Din cele prezentate rezultă că puterea de la axul eolienei este dependentă de viteza vântului și coeficientul de performanță conform relatiei :

și a căror reprezentare grafică este redată în figura 4.8 a și b.

Figura 4.8 Puterea in funcție de viteza vântului

d. Modelul matematic al turbinei cu pas fix.

Turbina cu pas fix are rolul de a transforma puterea vântului în putere mecanică. Viteza vântului, densitatea aerului la o elice cu pale fixe nu pot fi controlate, iar din

expresia puterii rezultǎ cǎ singura modalitate de control este a coeficientului de performanță Cp.

Expresia puterii extrase din vânt, Pv, este:

(4.2.2)

unde este densitatea aerului, v este viteza vântului, raza elicei, iar CP este coeficientul de putere ce definește eficiența aerodinamică a turbinei eoliene. El depinde de viteza specifică , care este dată de raportul dintre viteza periferică a palelor și viteza vântului:

(4.2.3)

În sistemele eoliene cu pas fix, pentru calculul puterii la ax avem nevoie de:

raza elicei (R),

densitatea aerului (ρ)

coeficientul de performanță al turbinei (Cp). Coeficientul de performanță (Cp) al unei elice cu pas fix este dependent de λ [2]. Din dependența Cp(λ) prezentată în Figura 4.9, pentru λ dat se poate determina coeficientul de performanță Cp .

Figura 4.9. Variația coeficientului de putere în funcție de viteza specifică

Relația matematică ce poate modela curba coeficientului de performanță pentru sisteme eoliene cu pas fix este:

(4.2.4)

În baza relațiilor de mai sus,se determina cuplul eolian:

Modelul matematic al generatorului sincron cu magneți permanenți

Magneții permanenți permit obținerea unor generatoare sincrone de construcție mai simplă, fără inele colectoare, fără perii, dar și fără înfășurare de excitație rotorică. În acest caz, generatorul sincron are dimensiuni mai reduse, preț de cost mai scăzut și un randament mai ridicat, putând funcționa și în medii explozive sau grizutoase.

Dezvoltarea modelului matematic al sistemului SAI cu MSMPI

În stabilirea ecuațiilor de funcționare ale MSMPI se au in vedere următoarele ipoteze:

fluxurile magnetice de dispersie se neglijează;

nu se consideră saturația magnetică;

se neglijează efectele demagnetizării magnetilor permanenti rotorici.

Modelul matematic al MSMPI constă dintr-un sistem de ecuații diferențiale în referențialul d –q atașat rotorului, care prezintă caracter general atât din punct de vedere funcțional al mașinii, cât și din punct de vedere al reglării acesteia:

(4.2.5)

(4.2.6)

(4.2.7)

(4.2.8)

Cuplul electromagnetic se calculează din derivata coenergiei magnetice :

(4.2.9)

Ecuația de mișcare a rotorului MSMPI este :

. (4.2.10)

Înlocuind fluxurile în ecuațiile de tensiune (4.2.5) si (4.2.6), si explicitând derivatele din ecuațiile (4.2.7) și (4.2.8) de mai sus, se obține modelul matematic al MSMPI, sub forma ecuațiilor de stare:

, (4.2.11)

, (4.2.12)

unde:

– tensiunea statorică de fază;

, – inductanța statorică după axa d, respectiv q;

, – componentele după axele d și q ale curentului statoric;

rezistența înfășurării de fază a indusului ;

numărul de perechi de poli;

– cuplul electromagnetic dezvoltat;

viteza unghiulară electrică a rotorului;

Pentru simularea funcționării MSMPI se utilizează modelul generalizat d-q. Echivalența dintre mașina model și mașina reală trifazată se obține cu ajutorul unei transformări ortogonale, relațiile de transformare fiind:

pentru transformarea de la sistemul a, b, c la sistemul d, q, 0

(4.2.13)

(4.2.14)

(4.2.15)

– pentru transformare de la d, q, 0 la sistemul a, b, c

(4.2.16)

(4.2.17)

. (4.2.18)

4.4. Modelul matematic al invertorului trifazat

Analiza regimului tranzitoriu

Schema de principiu a invertorului trifazat cu sarcină slab inductivă în conexiune stea este dată în figura 4.4.1. Invertorul constă din puntea trifazată cu tiristoarele T1…T6și puntea trifazată cu diodele D1…D6 în montaj antiparalel.

Durata de timp cât un tiristor este în stare de conducție este de T /2 (T este perioada tensiunii de ieșire), ceea ce înseamnă că trei tiristoare sunt simultan în stare de conducție în orice moment. Intervalul de timp cât un grup de trei tiristoare este în stare de conducție se numește tact; o perioadă are șase tacturi.

Programul de comutație a tiristoarelor într-o perioadă este dat în figura 2. La trecerea de la un tact la altul comută tiristoarele de pe aceeași fază, dar din grupuri diferite (tiristorul cu indicele impar cu cel cu indicele par, și invers).

În cazul sarcinii rezistiv – inductive, la blocarea unui tiristor al unei faze intră în conducție una dintre diodele de pe faza respectivă (cea polarizată direct); prin ea se descarcă energia reactivă înmagazinată în inductanța sarcinii, astfel că se menține același sens al curentului prin faza sarcinii. Curentul de descărcare se închide prin celelalte faze, sau prin condensatorul C, sau prin sursa de curent continuu (dacă este posibil). Deoarece este posibilă întoarcerea energiei de la sarcină la sursa de curent continuu, diodele D1…D6 se numesc diode de recuperare. Curentul de descărcare este descrescător și se anulează după un timp tD, numit timp de recuperare, corespunzător conducției diodei. După timpul tD curentul își schimbă sensul prin faza respectivă, se închide prin tiristorul comandat să conducă, și crește în timp.

În cazul sarcinii slab inductive, timpul de recuperare este mai mic decât un tact, tD<T/6. Durata tactului se împarte în două intervale:

în primul interval, 0 ≤ t ≤ tD, sunt în stare de conducție două tiristoare și o diodă (opusă tiristorului blocat);

în al doilea interval, tD≤ t ≤ T / 6, sunt în stare de conducție trei tiristoare.

Fig 4.4.1. Invertor trifazat cu sarcina în conexiune stea

Ecuațiile circuitelor sunt:

(4.4.1)

cu condițiile inițiale:i1(0) = I1, i2(0) = I2, i3(0) = I3.

Tensiunile de linie sunt:

(4.4.2)

Din ecuațiile (4.4.1) se deduc tensiunile de fază:

(4.4.3)

Tensiunile dei linie sunt constante în timp pe durata tactului.

Din rezolvarea sistemului de ecuații (4.4.3), rezultă expresiile curenților absorbiți de sarcină:

(4.4.4)

unde τ = L/R este constanta de timp a sarcinii.

Din conditia i1+ i2+ i3= 0 , rezultă relația:

I1+ I2= I3 (4.4.5)

La momentul de timp t = T / 6 curenții au valorile:

(4.4.6)

Din relațiile (4.4.4) și (4.4.6) se deduc inegalitățile:

(4.4.7)

I2 < I1 < I3

Durata conducției diodei D1 este până ce curentul i1 se anulează:

(4.4.8)

Curentul din circuitul intermediar

(4.4.9)

Tipuri fundamentale de control ale invertorului

Tipurile fundamentale de control pot fi clasificate în două: controlul curentului și controlul tensiunii. Atunci când invertorul este conectat la rețea, rețeaua controlează amplitudinea și frecvența ieșirii invertorului, iar invertorul funcționează în modul de control al curentului.

Din controlul clasic de curent se pot obține și alte metode de control, cum ar fi controlul puterilor active și reactive/controlul tensiunii. Dacă rețeaua în care se injectează puterea nu este disponibilă datorită parametrilor de rețea necorespunzători, invertorul va alimenta autonom sarcina având rolul de furnizare corespunzătoare a tensiunii alternative în amplitudine și frecvența și să nu fie afectat de întreruperea de la rețea. Invertorul va contola în acest caz tensiunea.

Figura 4.3 Schema de forța a invertorului de rețea/autonom

Controlul tensiunii

În acest mod de control se impune o tensiune de referință care se compară cu tensiunea reală. După compensarea erorii de un regulator de tensiune, se vor genera tensiunile prin intermediul tehnicilor de modulație PWM. Cu ajutorul unui circuit de calare pe faza (PLL) se detectează prezența tensiunii de rețea, deși invertorul lucrează autonom, acesta este în continuare sincronizat cu rețeaua.

Figura 4.4 Controlul tensiunii pe o fază

În schemele clasice de control PWM se compară un semnal sinusoidal de referință cu o purtătoare de tip triunghiular, obținându-se semnalul de comandă corespunzator punții de putere cu tranzistoare IGBT.

Factorul de umplere determinat prin aceasta metodă este dat de relația:

(4.4.10)

În care V_ref este teniunea de referință, V_inv este tensiunea de ieșire a invertorului, V_dc este tensiunea din circuitul intermediar și Kv este factorul de amplificare proporțional.

Factorul de umplere D se compară cu o referință triunghiulară pentru a genera impulsurile de comandă PWM în vederea comandării intrării în conducție a tranzistoarelor corespunzătoare punții invertorului trifazat.

Controlul curentului

Controlul curentului este necesar atunci când invertorul este conectat la rețea, acesta funcționând ca o sursă de curent. Diagrama bloc Simulink este reprezentată mai jos.

Figura 4.5 Diagrama bloc Simulink pentru controlul curentului

Pe baza curentului de referință (I_ref), prin măsurarea curentului de sarcină se obține eroarea de current care trebuie compensată de regulatorul de curent (prin parametrul Ki). Aceasta eroare se multiplică cu frecvența de comutație fsw și valoarea inductivității de sarcină, raportându-se la dublul tensiunii din circuitul intermediar de current continuu în vederea obținerii factorului de umplere D corespunzător. Valoarea finală a factorului de umplere se obține prin adăugarea raportului dintre V_inv tensiunea de iesire a invertorului și tensiunea din circuitul intermediar V_dc la component dedusă mai sus, rezultând formula finală D:

(4.4.11)

Factorul de umplere D se compară cu o referință triunghiulară pentru a genera impulsurile de comandă PWM în vederea comandării intrării în conducție a tranzistoarelor corespunzătoare punții invertorului trifazat (Pulse1_V si Pulse2_V).

Controlul puterii

Pe baza mărimilor de referință impuse de utilizator în modul de funcționare ca sursă de curent a invertorului trifazat se poate dezvolta controlul puterii active și reactive. Schema de reglare va furniza curentul de referință I_ref. Schema Simulink utilizată este reprezentată mai departe:

Figura 4.6 Reglarea puterii pentru invertorul trifazat

Referința de curent se poate determina pe baza mărimilor de referință ale puterilor activă P_ref si reactivă Q_ref (relația 4.4.12)

(4.4.12)

în care:

(Vinv)rms reprezintă valoarea efectivă a tensiunii de ieșire;

|I_ref|rms reprezintă valoarea efectivă a curentului de referință.

În vederea definirii vectorului curent de referință este necesară determinarea fazei de referință θ_ref a curentului I_ref :

(4.4.13)

PSIM este conceput special pentru electronica de putere și de controlul mașinilor electrice, întrucât programele bazate pe PSPICE sunt proiectate pentru circuite generale de electronică. Principalele diferențe sunt viteza de simulare si probleme de convergenta. PSIM este mult mai rapid și nu are nicio problema de convergenta. În plus, PSIM include multe blocuri a electronicii de putere și din acționările electrice. Acest lucru il face sa fie foarte accesibil si ușor de configurat pentru realizarea unui circuit in vederea simularii.

În plus, o caracteristică unică a PSIM este că oferă modulul de control digital pentru efectuarea analizei sistemului discret, și blocuri DLL externe care permit utilizatorului să-si incarce propriul cod in limbaj C, lucrând împreună cu PSIM prin intermediul unei biblioteci dinamice (DLL). De asemenea, cu PSIM este posibil să se efectueze co-simulare cu Matlab / Simulink.

Concluzii

Turbinele eoliene mici joacă un rol important în proiectele din afara rețelei, în locații vânturoase unde asigură o energie economica de alimentare, de când soluțiile alternative cum ar fi generatoarele diesel au un cost al combustibilului ridicat când sunt folosite continuu pentru alimentarea cu energie. Acest lucru se poate aplica și instalațiilor conectate la rețea, în ciuda faptului ca prețul producției lor pe kWh este de obicei mai mare decât în cazul turbinelor eoliene mari.

Standarde IEC acceptate international relevante pentru industria turbinelor eoliene mici există deja, dar nu sunt folosite mult în practică. Este nevoie de ceva efort pentru a dezvolta standardele existente, pentru a crește folosirea lor. De exemplu, Standardul IEC 61400-2 „Cerințele de design pentru turbinele eoliene de mică putere”, care se aplică turbinelor eoliene cu un câmp al rotorului mai mic de 200 m2 și care generează o tensiume de 1000 V este dificil și greu de aplicat. Există o intenție de a include măsurarile sunetului în sistemul de clasificare a standardelor, ceea ce este laudabil, dar procedura de test este imperfectă.

Toate componentele turbinelor eoliene mici – pale, generatoare, sisteme de reglaj ș.a.m.d- ar putea fi îmbunătățite.

Noi designuri pentru integrarea în mediul urban trebuie să fie eficiente și estetice. Trebuie de asemenea să fie foarte robuste și silentioase.

Piața pentru turbine eoliene de mică putere este promițătoare. Numărul producătorilor de acest tip de turbine este în creștere peste tot în lume.

Bibliografie

S. Dănăilă, Curs de aerodinamica, Universitatea “Politehnica”, București, 2010

O. Holme, Aerodynamic Design of Horizontal Axis Wind Generators, Workshop Proceedings, 1976

Mihai Tiberiu Lateș, Sisteme eoliene, Universitatea “Transilvania” din Brașov, 2012

www.esolar.ro/sfaturi-utile

Edmond Maican – “Sisteme de energii regenerabile” Editura Printech, Bucuresti, 2015

www.wikipedia.org

www.ewea.org

T. Ambros, I. Sobor – “Surse regenerabile de energie”, Chisinau, 1999.