Proiectarea Sistemului Generator Hibrid

CUPRINS

CAPITOLUL I. ANALIZA SISTEMELOR FOTOVOLTAICE

Necesitatea utilizării energiei solare

Direcții în dezvoltarea energiilor regenerabile pe plan național

Considerații privind radiația solară. Captarea energiei solare

Compoziția spectrală a radiației solare

Captarea radiației solare

Construcția și principiul de funcționare al celuleor fotovoltaice

Caracteristicile celulei fotovoltaice

Parametrii celulelor și modelelor PV

Module fotovoltaice

Funcționarea în sarcimă a modulului PV

CAPITOLUL II. CONFIGURAȚII DE TURBINE EOLINE

Elemente introductive

Potențialul eolian pe plan național

Sistem eolian

Tipuri constructive de turbine eoliene

Configurații de turbine eoliene

Turbina cu viteză fixă

Turbina cu viteză variabilă limitată

Turbina cu viteză variabilă și convertor de putere mai mică decât puterea nominală

Turbina cu viteză variabilă și convertor cu putere egală cu puterea nominală

CAPITOLUL III. PROIECTAREA SISTEMULUI GENERATOR HIBRID

Principii ale sistemelor hibride

Controlul sistemului hibrid

Calculul necesarului de energie pentru o casă

Dimensionarea bancului de acumulatori

Subsistemul fotovoltaic

Subsistemul eolian

Convertoare de curent continuu

Invertor ON-Grid

CAPITOLUL IV. CONCLUZII

CAPITOLUL I

Analiza sistemelor fotovoltaice

Necesitatea utilizării energie solare

Energia solară reprezintă cea mai impresionantă și sigură sursă de energie. Într-un interval de 20 de minute, soarele furnizează echivalentul consumului energetic anual al omenirii. Pe teritoriul româniei, pe o suprafață orizontală de 1 mp, putem capta anual o cantitate de energie cuprinsă între 900 și 1450 kWh, dependentă bineînțeles și de anotimp. Radiația medie zilnică poate să fie de 5 ori mai intensă vara decât iarna. Dar și pe timp de iarnă, în decursul zilei senine, putem capta 4-5 kWh/m2/zi, radiația solară fiind independentă de temperatura mediului ambiant.

Energia solară are câteva mari avantaje:

-este ecologică, se reduc emisiile de CO2 care contribuie la crearea efectului de seră;

-este economică;

-este durabilă.

Direcții în dezvoltarea energiilor regenerabile pe plan național

Printr-o strategie de dezvoltare energetică a României se poate asigura creșterea siguranței în alimentarea cu energie și limitarea importului de resurse energetice, în condițiile unei dezvoltări economice accelerate. Această cerință se poate realiza, pe de o parte, prin implenlentarea unei politici susținute de conservare a energiei, creșterea eficienței energetice care să conducă la decuplarea ritmului de dezvoltare economică de evoluția consumu1 de energie, concomitent cu creșterea gradului de valorificare a surselor regenerabile de energie.

Oportunitatea punerii în practică a unei strategii energetice pentru valorificarea potențialului surselor regenerabile de energie se înscrie în coordonatele dezvoltării energetice a României pe termen lung și oferă cadrul adecvat pentru adoptarea unor decizii referitoare la alternativele energetice și înscrierea în acquis-ul comunitar în domeniu.

Valorificarea potențialului surselor regenerabile de energie conferă premise reale de realizare a unor obiective strategice privind creșterea siguranței în alimentarea cu energie prin diversificarea surselor și diminuarea ponderii importului de resurse energetice, respectiv, de dezvoltare durabilă a sectorului energetic și protejarea mediului inconjurător.

Sursele regenerabile de energie pot contribui la satisfacerea nevoilor curente de încălzire în anumite zone (rurale) defavorizate (ex.: biomasă). Pentru valorificarea potențialului economic al surselor regenerabile de energie, în condiții concurențiale ale pieței de energie, este necesară adoptarea și punerea în practică a unor politici, instrumente și resurse specifice.

Se pot lua în considerare următoarele tipuri de surse regenerabile de energie:

energia solară – utilizată la producerea de căldură prin metode de conversie pasivă sau activă sau la furnizarea de energie electrica prin sisteme fotovoltaice;

energia eoliană – utilizată la producerea de energie electrică cu grupuri aerogeneratoare;

hidroenergia – centrale hidroelectrice cu o putere instalată mai mică sau egală cu 10 MW ("hidroenergia mică" ), respectiv centrale hidro cu o putere instalată mai mare de 10 MW (” hidroenergia mare ”);

biornasă – provine din reziduuri de la exploatări forestiere și agricole, deșeuri din prelucrarea lemnului și alte produse; biogazul este rezultatul fermentării în regim anaerob a dejecțiilor animaliere sau de la stațiile de epurare orașenești;

energia geotermală – energia înmagazinată în depozite și zăcăminte hidrogeoterrnale subterane, exploatabilă cu tehnologii speciale de foraj și extracție.

În România, ponderea surselor regenerabile de energieîin consumul total de resurse primare, în anul 2015 de 11%. Potențialul solar din România este reprezentat de densitatea medie de energie aferentă radiației solare incidente, în plan orizontal, care depaseste 1.000 kWh/m2-an.În Romînia s-au identificat cinci zone geografice, diferențiate în funcție de nivelul fluxului energetic înregistrat, iar regimul distribuției geografice a potențialului energetic solar arată ca mai mul de jumătate din suprafața Romîniei beneficiază de un flux mediu anual de 1.000 kWh/m2-an.

Fig 1.2.1 Potențialul energetic al Rornâniei

Aportul energetic al sistemelor solar-termale la necesarul de caldură și de apă caldă menajeră din Romănia este evaluat la circa 1.500 mii tep, ceea ce reprezintă aproximativ 50% din volumul de apă caldă menajeră sau aproape 15% din necesarul de încălzire curentă.
Sistemele solar-termale active se folosesc, de obicei, pentru prepararea apei calde menajere în locuințe individuale. În condițiile meteo-solare din România, un captator solar termic funcționează,în condiții normale de siguranță și eficiență, pe perioada martie- octombrie, cu randamente ce pot să ajungă până la 90%.

În ceea ce privește utilizarea sistemelor solare pasive, nu este necesar un nivel foarte ridicat al radiației solare, întrucat acestea pot funcționa și în zone geografice mai puțin atractive din punct de vedere al intensității radiației solare (ex.: anumite zone de nord din Transilvania sau din Moldova).

Sistemele solare pasive sunt integrate, de regulă, în "anvelopa" clădirii, iar cea mai mare parte a materialelor de construcție sunt de tip convențional. În condiții normale, costul suplimentar mediu (materiale încorporate într-o construcție nouă) pentru reabilitarea termică a unei clădiri majorează valoarea acesteia până la 20% (la clădiri renovate). Pentm utilizarea energiei solare ca sursă de energie electrică, potențialul exploatabil este ridicat, iar conversia energiei solare în energie electrică se realizează cu instalații fotovoltaice care cuprind module solare, în configurații și de dimensiuni diferite.

Prin crearea unui căi instituțional, legislativ, financiar și informațional se asigură realizarea următoarelor activități:

promovarea surselor regenerabile de energie, cu asigurarea de măsuri de diminuare a perioadei de recuperare a investiției specifice;

asigurarea cachului organizatoric de dezvoltare a investițiilor în condiții de eficiență economică;

instituirea unor structuri specializate, cu experți coordonatori pentru implementarea soluților adoptate;

respectarea standardelor de construcții-montaj, obținerea atestatului de ceitificare și
de management al calității;

extinderea măsurilor de cooperare internațională, transfer tehnologic, schimb de expeiență și cooperare bilaterala pentru realizarea de proiecte de cercetare-dezvoltare și demonstrative;

promovarea campaniei de informare și documentare, în scopul creșterii eficienței în activitatea managerială;

promovarea de acte normative pentru asigurarea protecției mediului (reducerea emisiilor de noxe, a oxizilor de carbon și a altor medii poluante), care susțin producerea de energie din surse regenerabile și atragerea de investitori în domeniu.

Prin programele de măsuri adoptate în acest sens trebuie să se promoveze proiecte
investițională și cu caracter demonstrativ, în vederea asigurării condițiilor optime pentru
dezvoltarea de aplicații pe termen mediu și lung.

Referitor la sistemele solar-termale existente, se propune întocmirea unui program de măsuri în scopul reabilitării acestora (unde este cazul) și facilitarea accesului în circuitul de exploatare curentă a energiei termice. Astfel, printr-un program demonstrativ pe termen mediu și lung se pot realiza aplicații solare fotovoltaice de puteri relativ reduse (de la 500W, până la 5.000W). În plus, se poate avea în vedere elaborarea unui proiect investițional care să sprijine procesul de electrificare rurală din surse regenerabile de energie și surse solare de energie.

1.3. Considerații privind radiația solară. Captarea energiei solare.

Soarele reprezintă sursa de energie a Pământului, singura sursă de energie capabilă să întrețină viața pe Pământ. Soarele reprezintă practic o sursă inepuizabilă de energie, estimându-se o durată a existenței radiației solare de aproximativ 4…5 miliarde de ani. Pentru studiul radiației solare, este important să fie definite câteva mărimi importante.

Constanta solară reprezintă fluxul de energie termică unitară primită de la Soare, măsurată în straturile superioare ale atmosferei terestre, perpendicular pe direcția razelor solare. Valoarea general acceptată pentru constanta solară este de aproximativ 1350 W/m, reprezentand o valoare medie anuală, măsurată cu ajutorul sateliților de cercetare științifică.

Atmosfera terestră și suprafața Pământului interacționează cu radiația solară, producând o serie de transformări ale acesteia, așa cum se observă în figura 1.3.1.

Fig. 1.3.1 Schema interacțiunilor dintre energia solară și atmosferă, respectiv suprafața terestră.

Fluxul de energie radiantă solară, care ajunge la suprafața Pământului este mai mic decât constanta solară, deoarece în timp ce traversează atmosfera terestră, cu o grosime de peste 50 lan, intensitatea radiației solare este redusă treptat.

Mecanismele prin care se modifică intensitatea radiației solare, la traversarea atmosferei, sunt absorbția și difuzia. În atmosferă este absorbită aproape total radiația X și o parte din radiația ultravioletă. Vaporii de apă, bioxidul de carbon și alte gaze existente în atmosferă, contribuie la absorbția radiației solare.

Radiația absorbită este în general transformată în căldură, iar radiația difuză astfel obținută este retrimisă în toate direcțiile în atmosferă.

Prin aceste procese, atmosfera se încălzește și produce la randul ei, o radiație cu lumgime de undă mare, denumită radiație atmosferică.

Față de cele două mecanisme de modificare a intensității radiației solare, o parte din radiația solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componente ale sale (moleculele de aer și anumite categorii de nori).

Prin reflectare, o parte din radiația solară este disipată, rnecanisrnul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezintă radiația bolții cerețti. Radiația globală ajunsă de la Soare, pe o suprafață orizontală la nivelul solului într-o zi senină, reprezintă suma dintre radiația directă și radiația difuză.

Radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței receptoare. Radiația solară difuză poate fi considerată aceeași, indiferent de orientarea suprafeței receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferențe. Figura 1.3.2 prezintă proporția dintre radiația difuză și radiația directă, în radiația globală. Este interesant de remarcat că radiația difuză prezintă o pondere mai mare decât radiația directă.

Fig 1.3.2 Raportul dintre radiația difuză și radiația directă

Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul supr procese, atmosfera se încălzește și produce la randul ei, o radiație cu lumgime de undă mare, denumită radiație atmosferică.

Față de cele două mecanisme de modificare a intensității radiației solare, o parte din radiația solară este reflectată de atmosfera terestră, sau de unele componente ale sale (moleculele de aer și anumite categorii de nori).

Prin reflectare, o parte din radiația solară este disipată, rnecanisrnul acestui proces fiind denumit difuzie Rayleigh, iar acest fenomen reprezintă radiația bolții cerețti. Radiația globală ajunsă de la Soare, pe o suprafață orizontală la nivelul solului într-o zi senină, reprezintă suma dintre radiația directă și radiația difuză.

Radiația solară directă depinde de orientarea suprafeței receptoare. Radiația solară difuză poate fi considerată aceeași, indiferent de orientarea suprafeței receptoare, chiar dacă în realitate există mici diferențe. Figura 1.3.2 prezintă proporția dintre radiația difuză și radiația directă, în radiația globală. Este interesant de remarcat că radiația difuză prezintă o pondere mai mare decât radiația directă.

Fig 1.3.2 Raportul dintre radiația difuză și radiația directă

Energia termică unitară primită de la Soare, măsurată la nivelul suprafeței Pămantului, perpendicular pe direcția razelor solare, pentru condițiile în care cerul este perfect senin și lipsit de poluare, în zonele Europei de Vest, Europei Centrale și Europei de Est, în jurul prânzului, poate asigura maxim 1000 W/m . Această valoare reprezintă suma dintre radiația directă și difuză.

Radiația solară este influențată de modificarea permanentă a catorva parametrii impoirtanți cum sunt:

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

unghiul de înclinare a axei Pămantului;

modificarea distanței Pămant – Soare (aproximativ 149 milioane lan pe o traiectorie eliptică, ușor excentrică.) ;

latitudinea geografică.

În figura 1.3.3 este reprezentată variația densității radiației solare în funcție de înălțimea Soarelui, adică unghiul format de direcția razelor solare cu planul orizontal, pentru diferite situații atmosferice.

Fig 1.3.3 Variația radiației solare în funcție de direcția razelor solare pentru diferite situații atmosferice

Potențialul de utilizare a energiei solare în România, este relativ important, așa cum se observă în figurile 1.3.4 și 1.3.5, care reprezintă hărți ale radiației solare globale. Există zone în care fluxul energetic solar anual, ajunge până la 1450…1600k-h/m /an, în zona Litoralului Mării Negre și Dobrogea ca și în majoritatea zonelor sudice. În majoritatea regiunilor țării fluxul solar anual, depășește 1250…1350Wh/m2/an.

Fig. 1.3.4 Harta intensități radiației solare în Europa și România

Fig. 1.3.5 Harta schematică a radiației solare în România(W/m2)

Gradul mediu de însorire, diferă de la o lună la alta și chiar de la o zi la alta, în aceeași localitate și cu atât mai mult de la o localitate la alta.

Evident, radiația solară este distribuită neuniform pe suprafața pământului, poziția geografică și condițiile climatice locale, având o influență deosebită pentru impactul radiației solare asupra suprafeței terestre. Câteva dintre datele statistice referitaore la radiația solară disponibile pentru România sunt prezentate în tabelele 1.3.1 si 1.3.2.

Tabel 1.3.1 Durata medie orară de strălucire a soarelui, la ora 12(11:30,12:30)

Tabel 1.3.2 Sumele medie orare ale duratei de strălucire a soarelui

1.3.1 Compoziția spectrală a radiației solare

Principalele componente ale radiației solare care ajung pe pământ și participația fiecărei componente în radiația globală, din punct de vedere energetic, sunt: radiația ultravioletă (3%), radiația vizibilă (42%), radiația infraroșie (55%).

Fiecărei componente a radiației, îi corespunde câte un domeniu bine definit al lungimilor de undă: radiația ultravioletă (0.28-0.38μm), radiația vizibilă (0.38-0.78μm), radiația infraroșie (0.78-2.5μm).

Contribuția energetică a radiației solare globale, în funcție de lungimea de undă, între 0.3 și 2.5 μm (microni), pentru o suprafață perpendiculară pe acea radiație, este reprezentată calitativ în figura 1.3.1.1.

Fig 1.3.1.1 Distribuția energiei radiației solare, în funcție de lungimea de undă(microni)

Se observă că cea mai mare cantitate de energie termică se regăsește în domeniul radiației infraroșie și nu în domeniul radiației vizibile, ceea ce sugerează ideea că această radiație poate fi captată eficient și în condițiile în care cerul nu este perfect senin. Pentru atingerea acestui obiectiv, au fost realizate panourile solare cu tuburi vidate, iar pentru captarea eficientă a radiației solare, chiar și la temperaturi sub 0 grade C, s-au realizat panouri solare cu tuburi termice. Panourile solare plane, mai simple din punct de vedere constructiv și deci mai ieftine, sunt mai puțin performante, din punct de vedere al capacității de captare a radiației difuze, decât panourile solare cu tuburi vidate, respectiv cu tuburi termice.

1.3.2 Captarea radiației solare

Indiferent de tipul captatorilor solari, este important ca orientarea captatorilor spre soare, să fie cât mai corectă.

Poziția captatorilor solari este diferită prin două unghiuri și anume, unghiul de înclinare față de orizontală, prezentat în figura 1.3.2.1 și notat cu α (alfa), respectiv unghiul azimutului, reprezentând orientarea față de direcția sudului, prezentat în figura 1.3.2.2.

Fig. 1.3.2.1 Unghiul de înclidare a captatorilor față de orizontală(www.viessmann.ro)

Fig. 1.3.2.2 Unghiul azimutului (www.viessmann.ro)

Figura 1.3.2.3 prezintă într-un mod sintetic, influența combinată a celor doi parametrii care definesc orientarea captatorilor solari, asupra gradului de captare a energie solare disponibile. Diagrama a fost trasată pentru Germania, dar concluziile care se pot obține cu ajutorul acestia pot fi extrapolate pentru majoritatea țărilor din Europa, inclusiv pentru România.

Fig. 1.3.2.3 Influența combinată a unghiului de înclinare și a unghiului azimutului asupra gradului de captare a energiei solare disponibile

Unghiul de înclinare optim (după cum se poate observa în figura 1.3.2.3), care permite captarea optimă a radiației solare, este de cca. 15 – 55o iar abaterea de la direcția Sud, poate să fie între ±40o fără a fi afectată capacitatea de captare a energiei solare. Pentru unghiuri de înclinare de 5 – 65o, radiația solară poate fi recuperată în proporție de 90 – 95%.

Valorile prea reduse ale unghiului de înclinare nu sunt recomandate deoarece favorizează murdărirea suprafeței captatorilor, ceea ce atrage după sine înrăutățirea performanțelor optice ale captatorilor. Pentru abateri de la direcția Sud, de +60o, la anumite valori ale unghiului de înclinare, se poate recupera de asemenea 90 – 95% din radiația solară.

Chiar și colectorii montați vertical, cu o abatere de până la +20o fără de direcția Sud, pot recupera 80% din radiația solară, ceea ce sugerează posibilitatea montării acestora pe fațadele clădirilor. Pe exemplul din diagrarmă se observă că în cazul unui unghi de înclinare de 30o și a unei abateri de la direcția Sud de 45o, care corespunde direcției SV, gradul de captare a radiației solare este de 95%.

În concluzie orientarea captatorilor solari fără de orizontală și fără de Sud, nu este o problemă atăt de sensibilă, cum ar putea să pară la prima vedere.

Construcția și principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice

Celula fotovoltaică este un dispozitiv electronic, format din două sau mai multe straturi de material semiconductor. Funcționarea celulelor se datorează purtătorilor de sarcină minoritari. Pe suprafața materialului semiconductor, de obicei siliciu cristalin sau policristalin, prin diverse metode tehnologice se formează straturi cu o grosime cuprinsă între 0,001 și 0,2 mm, care conțin impurități pentru a obține joncțiunea pn. Această structură e similară cu a unei diode. Când stratul de siliciu este expus la lumină se va produce o „agitație” a electronilor din material și va fi generat un curent electric.

În figura 1.4.1 este prezentată schema constructivă simplificată a unei celule fotovoltaice.

Fig. 1.4.1 Schema constructivă simplificată a unei celule fotovoltaice

Principiul de funcționarea al celulelor fotovoltaice se bazează pe efectul fotovoltaic. Efectul fotovoltaic reprezintă procesul de transformare a energiei solare în energie electrică, mai precis a radiațiilor solare în curent continuu.

Fig. 1.4.2 Explicativă privind apariția curentului electric

Radiația solară poate fi echivalată cu un flux de fotoni care au energia Wf =hv ,unde h este constanta lui Planck, iar ν este frecvența radiației.

Dacă energia fotonului este suficient de mare, atunci în urma coliziunii fotonului cu un atom electronul din banda de valență va trece în banda de conducție, devenind liber, generând, totodată, un gol în rețeaua cristalului. Astfel, sub acțiunea fotonilor are loc generarea de perechi electroni-goluri. Acest efect se mai numește efectfotovoltaic interior. În figura 1.4.1 din stânga fotonul A are o frecvență mai mică și deci o energie mai mică, fotonul B are o frecvență mai mare și corespunzător o energie mai mare (unda electromagnetică cu frecvență mică pătrunde în material la adâncimi mai mari și invers).

Purtătorii de sarcină noi apăruți sunt supuși acțiunii câmpului electric al joncțiunii p-n caracterizat printr-un anumit potențial de barieră U0 și care în dependență de tipul semiconductorului folosit este de ordinul 0,2 – 0,7 V. Aici sarcina spațială a joncțiunii va avea rolul de separator de sarcini libere – perechi electroni-goluri. Electronii vor fi dirijați spre zona n, golurile spre zona p a celulei. Acesta este motivul pentru care sub influența luminii zona p se încarcă pozitiv, zona n se încarcă negativ, ceea ce conduce la apariția unui curent electric prin joncțiune, determinat de conversia fotovoltaică a radiației solare. Acest curent, circulând prin joncțiune dinspre zona n spre zona p (figura 1.4.1 din stânga) duce la o cădere de tensiune U pe sarcina externă R, conectată la contactele din spate și contactul-grilă de la suprafață (figura 1.4.1 din dreapta). Tensiunea U în raport cu joncțiunea p-n acționează în sens direct și, la rândul său, va determina prin joncțiune curentul diodei Id de sens opus curentului fotovoltaic Is:

unde: I0 – este intensitatea curentului de saturație;

k – constanta lui Boltzmann;

T – temperatura absolută;

e – sarcina electronului.

1.5. Caracteristicile celulei fotovoltaice

Caracteristicile principale ale celulei PV sunt caracteristica amper-volt I(U) sau volt-amper U(I) și caracteristica de putere P(U). Curentul în circuitul exterior I se determină ca diferența dintre curentul fotovoltaic Is și curentul diodei Id:

Ecuației îi corespunde schema echivalentă simplificată a celulei PV, reprezentată în figura 1.5.1 a. Dacă se ține seama de rezistența Ri de scurgeri prin izolația celulei PV și de Rs a elementelor conectate în serie, se poate întocmi o schemă echivalentă completă a celulei PV (figura 1.5.1 b). Cu tehnologiile moderne se obțin celule cu Ri și Rs aproximativ 0, încât schema echivalentă simplificată este satisfăcătoare.

Puterea electrică cedată sarcinii R a unei celule PV este:

Fig.1.5.1 Scheme echivalente ale celulei PV a) simplificată b) completă

c) caracteristicile celulei

1.6. Parametrii celulelor și modulelor PV

Producătorii de celule și module PV indică în cartea tehnică a produsului parametrii ridicați în condiții standard:

radiația solară globală pe suprafața celulei, G=1000 W/m2;

temperatura celulei, TC= 25 0C;

masa convențională de aer, AM=1,5.

În mod obligatoriu în cartea tehnică se prezintă:

curentul de scurt circuit, Isc;

tensiunea de mers în gol, U0;

puterea maximală sau critică, Pc;

tensiunea și curentul în punctul critic, UM și IM.

Pe lângă acești parametri pot fi indicați suplimentar:

factorul de umplere (Fill Factor), FF,

randamentul celulei sau modulului PV,

temperatura normală de funcționare a celulei NOCT,

coeficienții de variație a tensiunii de mers în gol și a curentului de scurt circuit cu temperatura.

Curentul de scurt circuit se obține la scurcircuitarea bornelor sarcinii R din figura 1.5.1. Pe caracteristica I-U acesta-i punctul cu coordonatele U=0, I=Isc. Pentru U=0, obținem Isc = Is.

Puterea furnizată este egală cu zero. Tensiunea de mers în gol corespunde punctului de pe caracteristica I-U cu coordonatele I=0, U=U0. Puterea debitată în acest punct este egală cu zero.

Factorul de umplere este măsura calității celulei PV. Cu cât este mai mică rezistența internă a celulei PV cu atât FF este mai mare. De obicei FF > 0,7.

Randamentul celulei sau modulului PV se determină cu raportul puterii generate de celula sau modulul PV în punctul optimal de funcționare M la o temperatură specificată către puterea radiației solare.

În condiții de laborator s-au obținut celule din siliciu cristalin cu un randament de 13-25 % în dependență de suprafața celulei, iar în condiții de fabrică 12-14 %. Randamentul celulei din siliciu policristalin este de 17-20 % în condiții de laborator și 11-13 % în condiții de fabrică.

Celulele comercializate din siliciu amorf posedă un randament cuprins între 7 și 11 % , iar în condiții de laborator 16 %. Limita teoretică a randamentului din siliciu cristalin este de 37%, celui din siliciu amorf 28 % .

Temperatura normală de funcționare a celulei corespunde temperaturii celulei PV la

funcționare în gol, la temperatura mediului de 20 ◦C, radiația globală de 800 W/m2 și viteza vântului mai mică de 1 m/s. Pentru celule uzuale NOCT se situează între 42 și 46 ◦C. Dacă cunoaștem NOCT putem determina temperatura celulei TC în alte condiții de funcționare caracterizate de temperatura mediului TA și radiația globală G.

1.7. Module fotovoltaice

Celulele fotovoltaice de construcție modernă produc energie electrică de putere ce nu depășește 1.5 – 2 Watt la tensiuni de 0.5 – 0.6 V. Pentru a obține tensiuni și puteri necesare consumatorului celulele PV se conectează în serie și/sau în paralel.

Cea mai mică instalație electrică formată din celule PV interconectate în serie și/sau în paralel, încapsulate pentru a obține o rezistență mecanică mai mare și a proteja celulele împotriva mediului se numește modul fotovoltaic.

Un număr de module PV asamblate mecanic ca o unitate mai mare și conectate electric, se numește panou sau câmp de module.

Fig. 1.7.1

La proiectarea modulelor PV se ia în considerație folosirea frecventă a modulelor PV pentru încărcarea acumulatoarelor electrice, tensiunea cărora este de 12 – 12,5 V. Astfel, în condiții de radiație standard, tensiunea UM trebuie să fie 16-18 V iar tensiunea de mers în gol 20-22,5 V. O singură celulă generează în gol circa 0,6 V și trebuie să conectăm în serie 33-36 celule pentru a obține tensiunea necesară. Puterea modulului va varia între 50 și 100 W.

Fig. 1.7.2 Construcția modulului PV (a) și încapsularea celulei (b), 1-suport, 2-găuri pentru asamblare, 3-cutie de borne

Construcția modulului PV (figura 1.7.2 a) este, de obicei, dreptunghiulară, suportul se confecționează din aluminiu anodizat și separat de structura laminată a celulelor cu căptușeală, care nu permite pătrunderea umezelii. Celulele PV sunt protejate de acțiunea condițiilor nefavorabile, care pot interveni pe parcursul exploatării: ploaie, grindină, zăpadă, praf etc., de un sistem ce constă dintr-un strat de sticlă și minimum din două straturi (din față și din spate) din etilen vinil acetat EVA sau polivinil butirol PVB (figura 1.7.2 b).

Pentru a obține tensiunea și puterea necesară consumatorului de energie electrică modulele PV pot fi conectate în serie, paralel sau serieparalel (figura 1.7.3 a, b, c). La conectarea în serie a două module PV identice, curentul debitat consumatorului rămâne același, iar tensiunea crește de două ori. În figura 1.7.3 a modulele PV1 și PV2 conectate în serie încarcă bateria de acumulatoare GB. Punctul de funcționare a sistemului module PV-GB este punctul de intersecție M a caracteristicilor respective: a două module conectate în serie și a bateriei de acumulatoare.

Diodele VD1 și VD2, numite diode de ocolire sau by-pass se conectează în paralel cu fiecare modul sau cu un grup de module conectate în paralel (figura 1.7.3 a). În regim de funcționare normală diodele VD1 și VD2 nu consumă energie. Ele limitează încălzirea celulelor PV și nu permite micșorarea intensității curentului dacă un modul din circuitul consecutiv este mai puțin performant sau este umbrit. Evident tensiunea circuitului în serie se va micșora.

Dioda VD2, numită anti-retur se conectează în serie cu sarcina. Această diodă evită situația, când modulul PV poate deveni receptor, dacă tensiunea generată va fi mai mică decât a acumulatorului. Este evident că ea introduce o cădere de tensiune de circa 0,5V și corespunzător pierderi de energie. În figura 1.7.3 b se prezintă conectarea în paralel a două module identice. Tensiunea generată rămâne aceiași, iar curentul crește de două ori. Punctul de funcționare al sistemului module PV- rezistența R este punctul de intersecție M a caracteristicilor amper-volt ale modulelor și consumatorului – I = (1/R)·U.

Diodele anti–retur VD11 și VD12 nu permit ca un modul sau un grup de module unite în paralel să treacă în regim de receptor, atunci, când nu sunt identice sau când sunt umbrite.

În schema din figura 1.7.3 c modulele PV1-PV2, PV3-PV4 și PV5-PV6 sunt unite în serie, darîntre ele – în paralel. Astfel, se obține majorarea de două ori a tensiunii și de trei ori a curentului. Evident, puterea instalației crește de șase ori. Diodele VD1-VD6 sunt diode de ocolire, iar VD12,VD34, VD56 anti–retur. Parametrii unui modul PV sunt determinați de parametrii celulelor din care este confecționat.

Fig. 1.7.3 Interconexiunea modulelor PV a) serie b) paralel c) serie-paralel

Funcționarea în sarcină a modulului PV

Modulul PV, are cele mai bune performanțe în punctul M (figura 1.8.1) unde puterea debitată pe sarcină este maximală. Variația radiației globale și a temperaturii provoacă modificarea caracteristicii I-U a modulului PV. Diferiți consumatori posedă diferite caracteristici I-U. Punctul de funcționare a subsistemului modul PV – sarcină (punctul de intersecție a caracteristicilor I-U ale modulului și sarcinii) nu va coincide cu punctul M.

Fig.1.8.1 Caracteristicile I – U ale modulului PV și diferiți consumatori

În figura 1.8.1 sunt prezentate caracteristicile I-U a trei din cei mai răspândiți consumatori: rezistor, motor de c.c. cu magneți permanenți și un acumulator. Se prezintă și caracteristica unui consumator ideal pentru care punctul de funcționare întotdeauna coincide cu punctual optimal M.

Caracteristicile I-U se descriu cu următoarele expresii analitice:

– Rezistor:

– Motor de curent continuu.:

– Acumulator:

unde: U – este tensiunea modulului PV;

k – constanta motorului;

Φ – fluxul de excitație;

Ω – viteza de rotație;

Ri – rezistența indusului;

E0 – tensiunea la mers în gol a acumulatorului;

Rint – rezistența interioară a acumulatorului.

La pornirea motorului de c.c. curentul absorbit de la modul este maximal și este aproape de cel de scurtcircuit. Deși tensiunea pe indus este minimală, pornirea are loc datorită cuplului creat de produsul kΦIsc.

Dacă U = E0 acumulatorul este încărcat și nu va consuma curent, în caz contrar curentul de încărcare va crește odată cu creșterea radiației globale, respectiv cu tensiunea. Odată cu creșterea curentului de încărcare crește căderea de tensiune IRint.

Din figura 1.8.1 se constată că sarcina de tip rezistor sau motor de c.c. nu va funcționa în punctul optimal la variația radiației. Va trebui să modificăm caracteristica I-U a modulului PV sau a sarcinii pentru a urmări punctul de funcționare optimală. În acest scop se folosesc convertoare electronice c.c./c.c. numite MPPT (din engleză Maximum Power Point Tracker). MPPT se conectează între modulul PV și sarcină și el modifică tensiunea la ieșire astfel ca să se asigure urmărirea punctului optimal de funcționare.

Fig.1.8.2. Explicativa privind urmărirea punctului de putere maximală: a) –

folosind tehnologia MPPT; b) – prin modificarea caracteristicii sarcinii

În figura 1.8.2 sunt puse în evidență două cazuri de urmărire a punctului maximal folosind tehnologia MPPT (figura 1.8.2 a) și prin modificarea sarcinii (figura 1.8.2 b). În primul caz avem două sarcini cu caracteristici I-U diferite, care pentru simplitate se admit liniare. Pentru ambele sarcini constatăm o deviere esențială a punctelor de funcționare A, B și D, C de la punctele optimale M1 și M2. În aceleași coordonate sunt trasate hiperbolele I=Pmax1/U și I=Pmax2/U. În orice punct al hiperbolelor menționate, puterea Pmax1 sau Pmax2 sunt mărimi constante și respective egale cu puterea maximală debitată în punctul M1 sau M2.

Fie că subsistemul modul PV sarcina 1 funcționează în punctul B în condiții de radiație globală egală cu G1. Pentru a obține de la modul o putere maximală ar trebui să modificăm caracteristica I-U a sarcinii astfel ca să se intersecteze în punctul M1. Același rezultat poate fi obținut dacă micșorăm tensiunea și mărim curentul în comparație cu punctul M1 deplasându-ne pe hiperbolă în punctul Bmax. Analog procedăm dacă se micșorează radiația de la G1 la G2.

În cazul sarcinii 2 pentru a urmări punctul maximal va trebui să procedăm invers – să majorăm tensiunea și să micșorăm curentul (compară punctul Cmax cu C sau Dmax cu D). Convertorul electronic MPPT trebuie să modifice tensiunea și curentul, astfel, ca la ieșire produsul acestora să fie constant și egal cu puterea maximală generată de modulul PV expus radiației globale G. În unele cazuri specifice urmărirea punctului de putere maximală poate fi realizat prin modificarea caracteristicii I-U a sarcinii, așa cum este ilustrat în figura 1.8.2 b. Pentru radiația solară maximală și egală cu G1 subsistemul modul PV- sarcina R1 va funcționa în punctul M1, în acest caz contactele K1 și K2 sunt închise. La o valoare medie a radiației solare egală cu G2, contactul K2 se deschide, caracteristica sarcinii I-V se modifică și subsistemul va funcționa în punctul M2. Dacă radiația solară continuă să se micșoreze, se deschide contactul K1 și subsistemul va funcționa în punctul M3.

Subsistemul modul PV acumulator nu necesitatea utilizarea tehnologiei MPPT, deoarece, dacă deplasăm caracteristica I-V spre dreapta ea va fi aproape de cea ideală. În schimb, acumulatorul necesită o supraveghere automată a gradului de încărcare și descărcare pentru a evita deteriorarea acestuia.

Decizia proiectantului de-a utiliza sau nu tehnologia MPPT se va face în rezultatul calculului economic. Trebuie să luăm în considerație costul convertorului MPPT, pierderile de energie în MPPT (randamentul convertoarelor moderne c.c./c.c. este de 90-95 %), respectiv câștigul de putere la funcționarea subsistemului MPPT în regim optimal. Conform datelor disponibile, urmărirea punctului de putere maximală în sistemele PV de pompare, ridică debitul cu minimum 20 %.

CAPITOLUL II

2.1 Elemente introductive

Oamenii folosesc energia eoliana de mii de ani. Morile de vânt au fost folosite pentru irigare și morărit încă din secolul al VII –lea î.Hr. Și astăzi mii de mori de vânt sunt folosite pe diferite continente pentru producerea energiei mecanice în scopul acționării mecanismelor de mică putere (utilizate la pomparea apei, pomparea petrolului).

Încercări de a obține energie electrică din energia vântului datează de peste o sută de ani. Criza petrolului din anul 1973 dă startul unei adevărate dezvoltării a acestei tehnologii. Datorită costului ridicat al petrolului, guvernele țărilor dezvoltate au fost nevoite să aloce resurse financiare substanțiale pentru programe de cercetare și dezvoltare.

Astăzi, pe lângă costul petrolului, s-a adăugat un al doilea stimulent, tendința producerii de energie electrică nonpoluantă („verde") fără sau cu mici emisii de oxid de carbon.

Începând cu Protocolul de la Kyoto referitor la reducerea poluării, sistemele eoliene cunosc o importantă dezvoltare și utilizare. În 1997, 161 de țări au semnat un acord prin care se impunea ca până în anul 2012 să se reducă gazele cu efect de seră cu 5,2% față de nivelul din 1990. În anul 2007 a fost semnat de către țările membre ale Uniunii Europene un document cadru care își propune atingerea obiectivului de 20% aport a energiei regenerabile în cadrul energiei totale utilizate de către fiecare stat membru UE, până în anul 2020. Prin obiectivul impus se deschid noi orizonturi în vederea utilizării pe scară largă a sistemelor eoliene.

2.2 Potențialul eolian pe plan național

Pe teritoriul României, regimul vântului este determinat atât de particularitățile circulației generale a atmosferei, cât și de particularitățile suprafeței active. Se pune în evidență rolul de baraj orografic al Carpaților, care determină anumite particularități regionale ale vântului.

Viteza medie anuală este direct influențată de orografie și de stratificarea termică a aerului. În zona montană sunt caracteristice viteze medii anuale care scad cu altitudinea de la 8 – 10 m/s pe înălțimile carpatice (2000-2500 m) până la 6 m/s în zonele cu altitudini de 1800 – 2000 m. Pe versanții adăpostiți vitezele anuale scad la 2-3 m/s, iar în depresiunile intramontane acestea sunt de 1-2 m/s. În interiorul arcului carpatic, vitezele medii anuale oscilează între 2 – 3 m/s, iar în exteriorul Carpaților, în Moldova, acestea sunt de 4 – 5 m/s, mediile anuale cele mai mari remarcându-se în partea de est a țării, în Câmpia Siretului inferior (5 – 6 m/s), pe litoralul Mării Negre (6 – 7 m/s), în Dobrogea și Bărăgan (4 – 5 m/s).

Este evident faptul că zonele cele mai bune pentru amplasarea unor turbine eoliene în România sunt cele cu vitezele medii, cele mai mari, respectiv litoralul Mării Negre, Delta Dunării, Câmpia Siretului inferior și Podișul Moldovenesc.

Fig. 2.2.1. Harta potențialului eolian în România

2.3 Sistem eolian

Principalele componente ale unui sistem eolian sunt prezentate în figura 2.3.1.

Fig. 2.3.1. Turbină eoliană cu viteză variabilă și convertor cu puterea egală cu puterea nominală (Turbină de tip D).

Palele sau captorul de energie au rolul de a capta energia vântului și de a o transfera rotorului turbinei. De obicei ele sunt realizate dintr-un amestec de fibre de sticlă și materiale compozite.

Puterea obținută este funcție de diametrul palelor. De exemplu pentru a obține o putere de 10kW turbina necesită pentru suprafața descrisă de pale un diametru de 7m. Profilul aerodinamic al palelor influențiază în mod direct randamentul turbinei și cuplul dorit în funcționare. Cuplul de pornire va fi cu atât mai mare cu cât palele sunt mai late.

În prezent sistemul cu trei pale este cel mai utilizat sistem eolian, deoarece asigură limitarea vibrațiilor, a zgomotului și a oboselii rotorului, față de sistemele monopală sau bipală. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bipală față de cel mono-pală, iar creșterea este de 3% între sistemul cu trei pale față de două pale. În plus, este un compromis bun între cost și viteza de rotație a captorului eolian și avantaje din punct de vedere estetic pentru sistemul cu trei pale, față de cel cu două pale.

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

Controlul activ, prin motoare hidraulice, numit și "pitch control" asigură modificarea unghiului de incidență a palelor pentru a valorifica la maximum vântul instantaneu și pentru a limita puterea în cazul în care vântul depășește viteza nominală. În general, sistemul rotește palele în jurul propriilor axe (mișcare de pivotare), cu câteva grade, în funcție de viteza vântului, astfel încât palele să fie poziționate în permanență sub un unghi optim în raport cu viteza vântului și să se poată obține în orice moment puterea maximă.

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

Ultimul tip de control, control activ cu deblocare aerodinamică, sau "active stall", este utilizat pentru eolienele de foarte mare putere și vizează utilizarea avantajelor controlului pasiv și al celui activ în controlul mai precis al conversiei vântului în energie electrică.

Arborele primar este arborele rotorului turbinei eoliene( mai este numit și arborele lent datorită vitezei de rotație de ordinul a 20 – 40 rot/min). Prin intermediul multiplicatorului, arborele primar transmite mișcarea, arborelui secundar.

Multiplicatorul mecanic de viteză permite transformarea puterii mecanice, caracterizată prin cuplu mare și viteză mică, în putere de viteză mai ridicată, dar cuplu mai mic.

Există mai multe tipuri de multiplicatoare. Dintre acestea amintim multiplicatorul cu una sau mai multe trepte de roți dințate care permite transformarea mișcării mecanice de la 19-30 rot/min la 1500 rot/min( axele de rotație ale roților dințate sunt fixe în raport cu carcasa) și multiplicatorul cu sistem planetar care permite obținerea unor rapoarte de transmisie mari, într-un volum mic ( axele roților numite sateliți nu sunt fixe față de carcasă, ci se rotesc față de celelalte roți).

Arborele secundar antrenează generatorul electric, sincron sau asincron, ce are una sau două perechi de poli. El este echipat cu o frână mecanică cu disc, care limitează viteza de rotație în cazul unui vânt violent.

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

Generatorul sincron sau mașina sincronă (MS) se poate utiliza în cazul antrenării directe, respectiv legătura mecanică dintre arborele turbinei eoliene și cel al generatorului se realizează direct, fără utilizarea unui multiplicator. În consecință, generatorul este conectat la rețea prin intermediul unui convertor static. Dacă generatorul este cu magneți permanenți, el poate funcționa în mod autonom, neavând nevoie de excitație.

Excitația unei mașini sincrone se poate realiza în două variante: excitație electrică si excitație cu magneți permanenți. În cazul excitației electrice bobinele circuitului de excitație (situate pe rotor) sunt alimentate în curent continuu, prin intermediul unui sistem de perii și inele colectoare fixate pe arborele generatorului. Alimentarea se poate face prin intermediul unui redresor, ce transformă energia de curent alternativ a rețelei, în curent continuu. În cazul excitației cu magneți permanenți (MSMP) sursa câmpului de excitație o constituie magneții permanenți situați pe rotor, fiind astfel independentă de rețea. Acest tip de mașină are tendința de a fi din ce în ce mai utilizată de către constructorii de eoliene, deoarece ea funcționează autonom, iar construcția în ansamblu, este mai simplă.

Mașina asincronă (MAS) este frecvent utilizată , deoarece ea poate suporta ușoare variații de viteză, ceea ce constituie un avantaj major pentru aplicațiile eoliene, în cazul cărora viteza vântului poate evolua rapid. Acestea determină solicitări mecanice importante, care sunt mai reduse în cazul utilizării unui generator asincron, decât în cazul generatorului sincron, care funcționează în mod normal, la viteză fixă

Din punct de vedere contructiv, mașinile asincrone se realizează în două variante.O primă variantă ar fi cu rotor bobinat. Înfășurările rotorice, conectate în stea, sunt legate la un sistem de inele și perii ce asigură accesul la înfășurări, pentru conectarea unui convertor static în cazul comenzii prin rotor (mașina asincronă dublu alimentată – MADA). Cea de a doua varianta ar fi cu rotorul în scurtcircuit. Rotorul este construit din bare ce sunt scurtcircuitate la capete prin intermediul unor inele înfășurările rotorice ne fiind accesibile din exterior.

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

Atât multiplicatorul de viteză cât și generatorul sunt prevăzuți cu sisteme de răcire. Acestea sunt constituite din radiatoare de apă sau ulei și ventilatoare. Răcirea cu ulei este utilizată pentru multiplicatoare.

Dispozitivele de măsurare a vântului folosite de regulă sunt girueta (pentru evaluarea direcției) și anemometrul (pentru măsurarea vitezei). Informațiile obținute sunt transmise sistemului numeric de comandă, care va realizeaza reglajele în mod automat.

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

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

2.4 Tipuri constructive de turbine eoliene

În funcție de puterea dezvoltată la viteza de calcul a vântului ( de obicei cuprinsă între 11 și 15 m/s) turbinele eoliene pot fi clasificate în patru grupe mari. Microturbinele acoperă puterile cuprinse între 0,05 și 3,0 kW. Turbinele de putere mică au puteri cuprinse între 3 și 30 kW, iar cele de putere medie între 30 – 1.000 kW.

Atât microturbinele, cât și turbinele de putere mică sunt proiectate pentru a funcționa în regim autonom și alimentează cu energie electrică consumatorii dispersați teritorial și neconectați la rețelele electrice publice. În acest scop, turbinele sunt dotate cu acumulatoare de energie electrică și dispozitive de condiționare a energiei: regulatoare și convertoare de frecvență.

Tendința actuală este majorarea puterii per unitate, majoritatea absolută a turbinelor funcționează în paralel cu rețeaua electrică publică, dându-se prioritate turbinelor cu puterea mai mare de 1 MW.

Majoritatea absolută a turbinelor comercializate sunt cu axă orizontală. Axa de rotație a turbinei coincide cu direcția vântului și este paralelă cu suprafața solului.

Fig. 2.2.1. Turbine eoliene cu axa de rotație orizontală și un singur rotor: a) – cu o pală;

b) – cu două pale; c) – cu trei pale; d) – cu mai multe pale.

În figura 2.2.1. sunt prezentate tipuri constructive de turbine cu axa de rotație orizontală, cu un singur rotor și numere diferite de pale.

Fig. 2.2.2. Turbine eoliene cu axa de rotație orizontală: e) – cu trei rotoare; f) – cu două rotoare ce se rotesc în direcții diferite; g) – cu rotor în fața turnului și giruetă (up-wind); h) – cu rotor în spatele turnului cu autoreglare (down-wind).

În figura 2.2.2. sunt prezentate diverse tipuri constructive de turbine cu axa de rotație orizontală, cu mai multe rotoare (e și f) și cu un singur rotor și dispozitive de autoreglare pe direcția vântului.

În cazul turbinelor cu axă verticală, direcția vântului este perpendiculară pe axa de rotație și, respectiv, perpendiculară pe suprafața solului (fig. 2.2.3.).

Fig. 2.2.3. Turbine eoliene cu axa de rotație orizontală: i) Savonius; j) Darrieus;k) Evence;

l) combinată Darrieus – Savonius.

Deși turbinele cu axa verticală au pierdut competiția, inginerii revin iarăși și iarăși la această schemă constructivă.

Generatorul, multiplicatorul și alte componente funcționale pot fi amplasate pe suprafața solului, nu sunt necesare gondola și turnul masiv. Turbina nu necesită un mecanism special de urmărire a direcției vântului.

Dezavantajele acestor turbine predomină în comparație cu avantajele.Viteza vântului în stratul limitrof cu suprafața solului este mică. Se fac economii la construcția turnului, dar se pierde din puterea dezvoltată de turbină. Factorul de conversie a energiei vântului în energie mecanică este mai mic. Unele tipuri, ca de exemplu turbina Darrieus sau Evence, nu asigură demararea, fiind necesar un motor auxiliar care pornește turbina sau o turbină mică tip Savonius. Turbinele de mare putere necesită cabluri de suport, care măresc considerabil suprafața ocupată a terenului.

O caracteristică esențială a turbinelor cu axă orizontală constituie numărul de pale. Ele pot fi cu una, două, trei sau mai multe pale (vezi fig. 2.2.1. a-d). Cu cât turbina are mai multe pale, cu atât este mai mare aria solidă a suprafeței măturată de rotor. În teoria turbinelor eoliene numărul de pale este considerat cu factorul de soliditate, care reprezintă raportul dintre aria tuturor palelor și aria baleiată de rotor. Este evident că turbinele cu 1-3 pale au un factor de soliditate mai mic decât turbinele cu 12 sau 18 pale. Cu cât este mai mare factorul de soliditate (rotor cu multe pale), cu atât este mai mică viteza de rotație a turbinei, iar cuplul dezvoltat va fi mai mare și invers. Din această cauză, turbinele cu puține pale sunt utilizate pentru generarea energiei electrice, iar cele cu pale multe, pentru pomparea apei, acționarea ferăstraielor, concasoarelor, valțurilor de măcinat etc, altfel spus, a mașinilor, care necesită viteze mici de rotație și cupluri mari la pornire.

2.5 Configurații de turbine eoliene

Cele mai utilizate configurații pentru turbinele eoliene se clasifică după capacitatea de control al vitezei și după metoda de reglare a puterii folosită de turbina respectivă. Dacă se considera metoda de control al vitezei ca fiind criteriul de clasificare, se pot prezenta patru tipuri de turbine dintre cele mai utilizate. Aceste configurații se pot însă clasifica și după modul de control al puterii furnizate.

2.5.1. Turbina cu viteză fixă

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

Turbina cu viteză fixă este în prezent prevăzută cu sisteme de frânare aerodinamică activă (stall control) chiar dacă s-au proiectat și sisteme de turbine cu viteză fixă și reglarea unghiului de atac.

Fig. 2.5.1.1. Turbină eoliană de tip A – cu viteză fixă (conceptul danez).

Generatorul asincron cu rotorul în scurtcircuit este conectat la rețea prin intermediul unui transformator. Datorită fluctuațiilor de tensiune, generatorul asincron absoarbe putere reactivă de la rețea. Din acest motiv, configurația prezentată utilizează o baterie de condensatoare cu rolul de compensator de energie reactivă.

Conectarea la rețea se realizează prin intermediul unui soft-starter, cu rolul de a preveni șocurile de curent în cazul în care condițiile de cuplare în paralel a celor două surse de energie electrică (generator asincron și rețea) nu sunt îndeplinite.

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

2.5.2 Turbina cu viteză variabilă limitată

Fig. 2.5.2.1. Turbină eoliană de tip B cu viteză variabilă limitată.

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

2.5.3 Turbina cu viteză variabilă și convertor de putere mai mică decât puterea nominală

Turbina cu viteză variabilă și convertor de putere mai mică decât puterea nominală are la bază un generator asincron cu rotorul bobinat în regim de dublă alimentare.

Fig. 2.5.3.1. Turbină eoliană de tip C – cu viteză variabilă și convertor de putere mai mică decât puterea nominală.

Aborele generatorului asincron în regim de dublă alimentare este cuplat la arborele turbinei prin intermediul multiplicatorului.

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

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

2.5.4 Turbina cu viteză variabilă și convertor cu putere egală cu puterea nominală

Turbina cu viteză variabilă și convertor cu putere egală cu puterea nominală mai poartă de numirea de „turbină cu acționare directă”, datorită faptului că nu necesită în mod esențial un multiplicator. La arborele turbinei se poate conecta un generator sincron multipolar de viteză mică, cu rotorul bobinat și cu inele, care are aceeași viteză cu viteza de rotație a turbinei și care transformă energia mecanică în energie electrică.

Fig. 2.5.4.1. Turbină eoliană de tip D – cu viteză variabilă și convertor cu puterea egală cu puterea nominală.

Generatorul sincron poate fi excitat electric (dacă are rotorul bobinat) sau poate fi excitat cu magneți permanenți în cazul generatorului sincron cu magneți permananți. Se mai poate folosi ca generator electric și un generator asincron în regim de dublă alimentare.

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

CAPITOLUL III

Proiectarea sistemului generator hibrid

3.1 Principii ale sistemelor hibride

Sistemele generatoare individuale sunt de obicei folosite pentru a alimenta arii izolate sau locații conectate la o rețea slabă. Ele combină câteva module generatoare, de obicei asimilând diferite surse de energie refolosibilă. Aplicațiile acestor topologii hibride reduce probabilitatea deficiențelor de energie și încorporând și stocarea de energie ne permite să eliminăm generatorul diesel de rezervă (de obicei necesar în sistemele generatoare bazate pe o singură sursă de energie reciclabilă). În acest context, multe sisteme hibride combină frecvent surse de energie solară și eoliană cu un banc de acumulatori cu plumb sau mai nou cu gel (pentru a depăși perioadele cu generare insuficientă).

Fig. 3.1.1. Sistem generator hibrid

Topologia sistemului hibrid luat în considerare în lucrare de față este înfățișată în figura 3.1.1

Modulul generator eolian este format dintr-o elice, un generator sincron cu magneți permanenți, un redresor și un convertor de dc – dc pentru interfațarea generatorului cu rețeaua de curent continuu. Convertorul comandă tensiunea la terminalele motorului, indirect controlând punctul de operare al turbinei eoliene și în consecință și generarea de putere.

Modulul solar e compus din panouri PV conectate la rețeaua de curent continuu printr-un convertor dc/dc. Similar sistemului eolian, convertorul controlează punctul de funcționare al panourilor PV. Rețeau de curent continuu colectează energia generată de ambele module și o transportă până la sarcină și dacă e necasar până la bancul de acumulatorii. Tensiunea sa este impusă de bancul de acumulatorii care conține acumulatorii cu plumb conectati într-o rețea serie/paralel. Sarcina poate fi una de curent alternativ sau de curent continuu. În cazul analizat, se presupune a fi o sarcină de curent alternativ, așadar este necesar un invertor de tensiune.

Costul bancului de acumulatorii joacă un rol fundamental în costul total al sistemului. Acesta este un motiv important de a folosi bateria cu atenție, cu obiectivul extinderii vieții acesteia. Mulți producători de baterii cu plumb recomandă anumite cicluri de reîncărcare pentru recuperarea a 100% din capacitatea de încărcare și de asemenea pentru protejarea bateriei împotriva deshidratării. Ciclul recomandat de reîncărcare conține o perioadă de refacere și o perioadă de întreținere, ambele realizate cu diferite valori de curent constant. Așadar este necesar ca referință de curent a bancului de baterii să respectăm ciclul de reîncărcare specificat.

3.2 Controlul sistemului hibrid

Capacitatea sistemului hibrid de a satisface cererea de putere depinde de condițiile atmosferice. Aceste condiții precum și bancul de acumulatoare vor defini diferite moduri de operare ale sistemului.

Modurile de operare sunt determinate de balanța energiei dintre totalul generat (eolian și solar) și totalul de cerere (sarcina și puterea necesară pentru reîncărcarea bancului de acumulatori).

Un algoritm cuprinzător al controlului de supraveghere este esențial pentru a conduce eficient operarea subsistemelor generatoare potrivit acestor moduri.

Pentru conceperea sistemului de control de supraveghere s-a decis ca principalul rol de generator va fi în sarcina subsitemului eolian în timp ce subsitemul fotovoltaic va avea un rol complementar.

Sistemul hibrid are trei moduri de functionare:

•Modul 1: turbina eoliana funcționeaza cu reglare de putere iar panourile fotovoltaice sunt inactive. Subsitemul eolian trebuie să suporte cererea totală în timp ce subsitemul solar esteinactiv iar bancul de acumulatori stochează energie urmînd ciclul de reîncărcare. Această situație este menținută până când cererea totală de putere depășește puterea eoliană maximă disponibilă. Peste această limită se va comuta pe modul 2.

•Modul 2: turbina eoliană funcționează urmărind maximul de putere iar subsitemul fotovoltaic completează necesarul de energie, fiind într-o buclă de reglare a puterii. Subsitemul solar este setat să urmeze o referință de putere. Referința de putere corespunde puterii necesare pentru a completa generarea eoliană și împreună satisfăcând cererea totală de putere. Ar trebui de remarcat că în modurile 1 și 2, bancul de acumulatoare nu este necesar pentru furnizarea de putere către sarcină. În acest mod bancul de acumulatoare cere curent de mentenanță sau de încărcare, devine o parte a cererii totale. O dată ce limita de generare maximă a sistemului hibrid este atinsă sau depășită de cererea totală de putere, sistemul comută în modul 3 de operare.

•Modul 3: ambele surse de energie regenerabilă urmăresc maximul de putere. Suplimentar pentru a satisface pe deplin cererea de energie, bancul de acumulatori este capabil sa inverseze cursul de energie acționând ca furnizor de energie. Operarea în acest mod poate fi menținută atât timp cât energia disponibilă în bancul de acumulatori este suficientă pentru a completa subsistemele. Dacă limita este depășită, sarcina trebuie deconectată pentru reîncărcarea bateriilor și evitarea pagubelor. Această situație va fi foarte improbabilă datorită faptului că modulele sistemului vor fi dimensionate pentru a reduce astfel de situașii la minimum.

3.3 Calculul necesarului de energie pentru o casă

Pentru determinarea puterii electrice ce trebuie produsă de sistemul eolian și sistemul fotovoltaic este recomandată înlocuirea tuturor consumatorilor tradiționali, cu alții identici dar mult mai eficienți din punct de vedere al consumului de energie. Primul pas trebuie făcut prin determinarea consumului și a consumatorilor.

Pentru fiecare consumator de curent continuu și alternativ se determină puterea nominală și orele de utilizare zilnică. Consumul de energie electrică, Wc, se determină ca produsul puterii nominale la numărul de ore:

Unde:

n –numărul de consumatori de curent continuu;

m – numărul de consumatori de curent alternativ;

Pni, Pnj – puterea nominală a consumatorilor de curent continuu și curent alternativ;

ti, tj – durata de funcționare a consumatorilor;

ηR, ηCF – randamentul regulatorului de încărcare – descărcare a acumulatorului și a convertorului de frecvență.

Pentru calcule prealabile ηR = 0,95-0,98, ηCF =0,85 – 0,95. Puterile nominale ale utilajului electrotehnic sunt specificate în cartea tehnică. Totodată, ele pot fi puse la dispoziția proiectantului de firma producătoare de utilaje respective. Valorile duratelor de funcționare în zi a utilajelor se decurg din necesitățile declarate ale beneficiarului sau se determină din datele statistice.Pentru o casă, necesarul de energie este între 250kWh/lună și 300kWh/lună.

Puterea Pnj a consumatorului i, pentru unii consumatori casnici este prezentată în tabelul 3.2.1

Tabel 3.2.1 Consumatori casnici

În tabelul 3.2.2 se prezintă o aplicație pentru calculul necesarului de energie.

Tabel 3.2.2 Necesarului de energie

3.4 Dimensionarea bancului de acumulatori

Bancul de acumulatori servește pentru stocarea energie produsă de sistemul hibirid. Stocarea energiei este necesară atunci când există decalajul în timp între cererea de energie și aportul energetic al sistemului eolian – fotovoltaic.

Viteza proceselor electrochimice care au loc în acumulatoare depinde de mărimea curentului de încărcare și respectiv de descărcare. Un acumulator descărcat admite un curent de încărcare mai mare la prima etapă, apoi odată cu creșterea gradului de încărcare curentul trebuie să fie micșorat. Variația optimală a curentului pe durata de încărcare trebuie să fie invers proporțională cu gradul de încărcare.

În dispozitivele uzuale alimentate de la rețea se realizează următoarele trei metode de încărcare a acumulatoarelor: încărcarea cu curent constant pe întreaga perioadă de încărcare, încărcarea la o tensiune constantă a sursei de alimentare șimetoda combinată de încărcare în care la prima etapă încărcarea se realizează cu curent constant, iar la etapa a doua – cu tensiune constantă.

Există în practică două tipuri consacrate de acumulatori pe bază de Pb-acid. Aceștia sunt fie cu electrolit lichid și necesită întreținere , fie în tehnolgie GEL/AGM care nu necesită mentenanță.

Se recomandă utilizarea bateriilor de 12 V pentru un necesar de energie mai mic de 150 kWh/lună, 24 V sau 48 V pentru un necesar de energie între 150 kWh/lună și 700 kWh/lună și baterii de 48 V pentru un necesar de energie mai mare de 700 kWh/lună. Valori ridicate ale tensiunii se aleg în cazul conectării cu cabluri lungi, pentru a reduce pierderile.

Capacitatea acumulatoarelor se determină cu formula:

Unde:

n – numărul de zile în care nu bate vântul și nu este soare;

kD –coeficientul de descărcare a acumulatorului (0.5 pentru bateriile utilizate la automobile, 0.8 pentru bateriile din sistemele fotovoltaice, 1 pentru bateriile Nichel Cadmiu);

Ucc – tensiunea la bornele bancului de acumulatori.

Numărul de acumulatoare conectate în serie:

unde Uac – tensiunea nominală a acumulatorului, de obicei egală cu 12 V.

În cazul sistemului hibrid din lucrarea de față capacitatea bancului de acumulatori necesară în cazul în care sistemul hibrid nu e capabil să producă energie timp de 2 zile rezultă din calculul de mai jos.

Capacitatea acumulatoarelor:

Ah

Numărul de acumulatoare conectate în serie:

Vom alege pentru sistemul nostru 33 de acumulatori cu gel de 12V și capacitatea standard de 150 Ah, care se vor conecta în serie.

3.5 Subsistemul fotovoltaic

Pentru a calcula cantitatea de energie electrică necesară a fi produsă de modulul PV putem utiliza următoarea formulă:

Wh

unde factoruli k ia în considerație incertitudinea datelor meteorologice, pierderile în cabluri, abaterea punctului de funcționare a subsistemului modul PV – sarcina de la cel optimal, etc. Valoarea factorului k pentru sistemele PV cu baterii de acumulatoare este cuprinsă între 0,75 și 0,85.

În continuare se va calucla puterea critică a modulului PV cu formula:

W

unde Gβ este radiația solară globală diurnă incidentă pe suprafața panoului PV. Gβ este numeric egal cu numărul de ore pe zi de radiație solară standard egală cu 1000 W/m2 și se notează HRS.

În dependență de puterea Pc alegem puterea unui modul PV și numărul de module conectate în serie:

unde: Ucc – este tensiunea nominală a consumatoarelor de curent continuu, Umpv – tensiunea nominală a unui modul PV ( de obicei se consideră 12 V).

Pentru a determina numărul de module PV conectate în paralel se calculează curentul mediu al sarcinii pe parcursul unei săptămâni:

Curentul panoului PV:

Numărul de module PV conectate în paralel va fi:

unde Isc este curentul de scurt circuit a unui modul PV și se consideră aproximativ egal cu curentul în punctul M.

Vom alege pentru sistemul nostru module PV model STP180S-24/Adb+ monocristalin cu puterea critică de 180 W, curentul de scurt circuit Isc = 5,29 A, tensiunea de mers în gol U0 = 44,8 V, curentul în punctul maximal IM = 5A, tensiunea în punctul maximal UM = 36 V.

Curentul mediu consumat de sarcină pe perioada a 2 zile va fi:

A

A

Numărul de module PV conectate în paralel va fi:

Numărul de module PV conectate în serie va fi:

În concluzie vom avea nevoie de 11 panouri fotovoltaice de 180W. Acestea se vor conecta în serie.

3.6 Subsistemul eolian

Un calcul aproximativ poate ce indică energia lunară produsă de o turbină:

unde: Wl [kWh] reprezintă energia produsă de turbină într-o lună; D [m] – diametrul rotorului; vm [m/s] – viteza medie a vântului.

Energia vântului este în fapt, energia cinetică recuperabilă a aerului, ce traversează suprafața S. Puterea asociată acestei energii cinetice este:

v =viteza vântului [m/s];

ρ = 1,25 kg/m³, densitatea aerului,

S= suprafața [m²] acoperită de palele turbinei,

Cp = coeficientul de putere (0,59 – limita Bentz – este maximul teoretic posibil, 0,35 este considerat corect pentru o proiectare bună) determinat de aerodinamica palelor.

Această putere nu poate fi recuperată în totalitate, deoarece o parte este necesară pentru evacuarea aerului care a efectuat lucru mecanic asupra palelor turbinei. Se introduce coeficientul de putere (de performanță) al turbine Cp, rezultând puterea mecanică la arborele turbinei.

Problema ecuației puterii vântului este că estimează folosirea întregii puteri a vântului. Totuși deoarece o circulație de vânt trebuie menținută prin rotor este imposibil să fie extrasă toată energia din vânt. În final există o limită a energiei care poate fi extrasă din vânt. Conform legii lui Betz numai 59% din energia cinetică a vântului poate fi convertită în energie mecanică folosind o turbină eoliană. În realitate o turbină eoliană bine proiectată poate convertii doar 35% din energia cinetică a vântului.

Astfel este necesar să fie introduse acestea și alte ineficiențe în formula puterii vântului.

unde:

Ng – eficiența generatorului (80% sau chiar mai mult pentru un generator cu magneți permanenți sau generator sincron conectat la rețea)

Nb – eficiența cutiei de viteze (poate ajunge până la 95% funcție de calitate)

Coeficientul Cp caracterizează randamentul turbinei eoliene. Pentru o eoliană reală, Cp este cel mult 0,3 ÷ 0,4. El poate fi exprimat și ca:

Centrala eoliană va fi amplasată într-o zonă deluroasă, la o altitudine de peste 800 m față de nivelul mării, unde vântul bate aproximativ 4000 de ore pe an și viteza medie anuală este între 3,5 m/s și 8 m/s. La valoarea nominală a vitezei vântului de 7 m/s avem Cp=0,35 coeficientul de utilizare a energiei eoliene. Pentru a alege turbina vom calcula mai întâi diametru rotorului.

Pe lângă viteza vântului și diametrul rotorului vom ține cont și de energia totală necesară a fi furnizată:

kWh/lună = 7103,16 kWh/an

Vom alege pentru sistemul nostru o turbină eolienă Aeolos-H de 3kW cu diametru rotorului de 4,8 m, suprafața acoperită de palele turbinei de 15,2[m²], tensiunea de ieșire cuprinsă între 220V și 240 Vcc, generator cu magneți permanenți trifazat cu eficiența de 0,96 și viteză a vântului de 2,5m/s pentru pornire. La o viteză a vântului de 7 m/s puterea generatorului este de 1100 W conform manualului tehnic și produce 9636kWh/an sau 26,3kWh raportat la o zi ,ceea ce este suficient pentru sistemul propus.

3.7 Convertoare de curent continuu

Adaptorul de sarcină sau blocul de urmărire a punctului maximal de putere atât pentru sistemul fotovoltaic cât și pentru sistemul eolian se realizează pe baza convertorului de curent continuu – curent continuu.

Fig 3.7.1 Diagrama de comandă a unui convertor de curent continuu – curent continuu cu urmărire

În figura 3.7.1 este prezentată o diagramă de comandă a unui convertor de curent continuu – curent continuu cu urmărire, acesta conține o referință de tensiune ce furnizează o tensiune foarte bine stabilizată notată Vref. Traductorul de reacție cel mai adesea un divizor rezistiv, furnizează o tensiune proporțională cu tensiunea stabilizată de ieșire Vout, deci o tensiune kVout.

Amplificatorul de eroare este un amplificator operațional prevăzut cu rețea de reacție care asigură un reglaj PID. Generatorul în dinte de fierăstrău furnizează o tensiune în rampă ce fixează frecvența de lucru a convertorulu. Rampa dintelui variază între un nivel minim și un nivel maxim. Blocul modulator al impulsurilor în durată MID (de cele mai multe ori notat PWM) este un comparator ce are două intrări, la una din intrări se aplică tensiunea de la ieșirea amplificatorului de eroare iar la cealaltă tensiunea de la oscilatorul dinte de fierăstrău. Cu semnalul de la ieșirea blocului MID se va comanda dispozitivul de putere din convertorul de curent continuu.

Din forma de undă se poate observa că dacă dintr-o oarecare cauză Vout scade, kVout va scade și ea, Va crește, factorul de umplere D crește ceea ce va duce la creșterea Vout. Comanda după Vin are rolul de a modifica Vout în funcție de Vin astfel încât sarcinile amplficatorului de eroare să fie mult ușurate.

Drept convertoare de curent continuu – curent continuu pentru subsistemele din lucrarea de față se pot folosi convertoare buck-boost sau flyback.

Acest tip de convertoare se pot obținute prin conectarea în cascadă a două convertoare, unul de tip buck și unul de tip boost. În regim staționar pot rezulta tensiuni la ieșire mai mari sau mai mici decât tensiunea de alimentare de la intrare. Prin conectarea în cascadă a celor două structuri rezultă convertorul fin figura 3.7.2.

Fig 3.7.2 Schema convertorului buck – boost

Atunci când comutatorul electronic ,tranzistorul Q este închis, sursa de alimentare V1, determină creșterea energiei electromagnetice înmagazinate în inductanță, dioda fiind blocată. Când comutatorul se deschide energia din bobină este cedată rezistenței de sarcină. Se consideră că valoarea capacității de filtraj este suficient de mare pentru a putea considera constantă tensiunea la bornele sale.

Funcționarea circuitului se poate analiza separat pe două intervale, t (0, dT) și t (dT, T).

Fig 3.7.3 Circuitele echivalente ale convertorului mixt si formele de undă

Pe primul intervalul de timp (0, dT) observăm că tranzistorul Q este saturat iar dioda D este blocată deoarece este polarizată invers, circuitul echivalent fiind cel din figura 3.7.3.a. Pe baza sa se pot scrie relațiile:

Pe cel de-al doilea interval de timp tranzistorul Q va fi blocat iar dioda D va intra în conducție fiind polarizată direct. Curentul menținut prin inductanța L se va închide prin circuitul de sarcină și dioda D formându-se circuitul echivalent din fig 3.7.3.b. Pe baza sa se pot scrie relațiile:

Pe baza relațiilor de mai sus au fost reprezentate formele de undă ce descriu funcționarea acestui tip de convertor din figura 3.7.3.c.

Fig. 3.7.4 Caracteristica de reglaj

Din caracteristica de reglaj a convertorului se poate observa că dacă d< 0.5 tensiunea de la ieșirea convertorului este mai mare decât tensiunea de la intrare iar dacă d > 0.5 atunci tensiunea de la ieșire este mai mică decât cea de la intrare.

3.8 Invertor ON-Grid

Invertorul reprezintă dispozitivul folosit pentru a produce tensiune alternativă din tensiune continuă. Scopul este acela de a efectua aceste conversii cât mai eficient posibil, astfel încât cea mai mare parte a tensiunii continue să fie transformată în tensiune alternativă, fără pierderi termice și de comutație prea mari.

În dependență de cerințele impuse de sarcină privind forma undei de tensiune, factorul de suprasarcină, randament sunt disponibile diferite tipuri de invertoare, parametrii cărora sunt prezentați în tabelul 3.8.1.

Tabel 3.8.1. Parametrii de performanță a principalelor tipuri ce invertoare

La alegerea invertorului este important să cunoaștem caracteristica randamentului ca funcție de sarcină. Randamentul indicat corespunde funcționării invertorului la o sarcină de 75-100 % din puterea nominală. Motoarele electrice necesită un curent de pornire cu mult mai mare decât cel nominal. Este important ca factorul de suprasarcină a invertorului să corespundă acestei necesități.

Pentru a micșora pierderile de energie în motoarele asincrone alimentate de la rețeaua de curent continuu este necesar ca forma curentului să fie sinusoidală. Variația frecvenței trebuie să fie însoțită de variația proporțională a tensiunii. Aceste funcții pot fi realizate cu ajutorul invertorului cu modularea impulsurilor în durată M.I.D.(sau Pulse Width Modulation – PWM).

În scopul obținerii la ieșirea invertorului a unei forme de undă a tensiunii cât mai sinusoidală, se compară un semnal de referință, uref sinusoidal cu un semnal purtător, up triunghiular. În figura 3.8.2.a este prezentată schema monofazată a invertorului cu tranzistoare IGBT cu modularea impulsurilor în durată și diagramele de tensiune. Punctele de intersecție ale semnalelor uref și up1 sunt folosite pentru impunerea momentelor de comutație ale tranzistoarelor Q1 și Q2, iar a semnalelor uref și up2 – pentru impunerea momentelor de comutație ale tranzistoarelor Q3 și Q4.

Fig 3.8.2 Schema invertorului monofazat (a) și formele de undă (b)

Algoritmul de comandă este următor:

• Dacă uref > up1, tranzistorul Q1 – saturat iar Q2 – blocat;

• Dacă uref < up1, tranzistorul Q1 – blocat iar Q2 – saturat;

• Dacă uref > up2, tranzistorul Q3 – blocat iar Q4 – saturat;

• Dacă uref < up2, tranzistorul Q3 – saturat iar Q4 – blocat.

Frecvența fp a semnalului purtător stabilește frecvența de comutație a tranzistoarelor Q1 – Q4, iar semnalul de referință uref, de frecvență fr egală cu frecvența dorită, este utilizat pentru modularea duratei de conducție. Frecvența fp este mai mare decât frecvență fr și poate atinge valori de până la 20 kHz. În figura 3.8.2.b frecvență fp este de trei ori mai mare decât fr. Dacă tranzistoarele Q1-Q4 sunt comandate în conformitate cu algoritmul de mai sus, atunci în punctele a și b în raport cu punctul mediu O se vor genera trenuri de pulsuri de diferite durate (vezi diagramele uOa și uOb). Diferența uOa – uOb este egală cu tensiunea pe sarcină. Fundamentala uf este aproape de forma sinusoidală, iar în cazul sarcinii activ – inductive și curentul va fi sinusoidal.

Avantajele principale ale invertorului cu modularea impulsurilor în durată sunt: posibilitatea de reglare prin comanda invertorului atât a frecvenței cât și a amplitudinii tensiunii la ieșire, armonicile de frecvență joasă sunt eliminate din forma de undă a tensiunii la ieșirea invertorului, încorporarea în invertorul PWM a tehnologiei de urmărire a punctului de putere maximală asigură funcționarea sistemului în regim optimal.

CAPITOLUL IV

Concluzii

In contextul actual, caracterizat de cresterea alarmanta a poluarii cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce in ce mai importanta reducerea dependentei de acesti combustibili.

Energia eoliana s-a dovedit deja a fi o solutie foarte buna la problema energetica globala. Utilizarea resurselor regenerabile se adreseaza nu numai producerii de energie, dar prin modul particular de generare reformuleaza si modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor. Energia eoliana in special este printre formele de energie regenerabila care se preteaza aplicatiilor la scara redusa.

Principalul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substante poluante si gaze cu efect de sera, datorita faptului ca nu se ard combustibili.

Nu se produc deseuri. Producerea de energie eoliana nu implica producerea nici a unui fel de deseuri.

Costuri reduse pe unitate de energie produsa. Costul energiei electrice produse in centralele eoliene moderne a scazut substantial in ultimii ani.

Costuri reduse de scoatere din functiune. Spre deosebire de centralele nucleare, de exemplu, unde costurile de scoatere din functiune pot fi de câteva ori mai mare decât costurile centralei, in cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din functiune, la capatul perioadei normale de functionare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate.