Specializarea: Inginerie Electrică Aplicată în Protecția și Managementul Mediului [608688]
Specializarea: Inginerie Electrică Aplicată în Protecția și Managementul Mediului
Craiova
2018
LUCRARE DE DISERTAȚIE
Coordonator ș tiințific: Masterand: [anonimizat].univ.dr.ing. IVANOV Iuri Sergiu Bumbac Nicoleta Aurelia
Specializarea: Inginerie Electrică Aplicată în Protecția și Managementul Mediului
Craiova
2018
Alimentarea din două surse de energie
regene rabilă a unui consumator izolat
Coordonator ș tiințific: Masterand: [anonimizat].univ.dr.ing. IVANOV Iuri Sergiu Bumbac Nicoleta Aurelia
CUPRINS
Introducere …………………………………………………………………………………………………………… ……….1
Capitolul I Importanța valorificării energiilor regenerabile …………….. ………………………. ……..3
1.1 Energii regenerabile ………………………………………………………………………………. ………… ………… 3
1.2 Energia solară ………………………………………………………………………………. ………………………. ……7
1.3 Energia eoliană ………………………………………………………………………………. …………………. ……..12
1.4 Importanța energiilor regenerabile ………………………………………………….. ………………. ………….16
Capitolul II Structura unui sistem fotovoltaic ……………………………………. ………………. …………19
2.1 Alcătuirea unui sistem fotovoltaic ……………………………………. ………………. …………. ……… …….19
2.2 Tipuri uzuale de celule fotovoltaice ……………………………………. ………………. …………. …….. ……22
2.3 Principiul de funcționare al celulelor fotovoltaice ……………………………………. ………………. …..24
2.4 Componentele unui sistem fotovoltaic ……………………………………. ………………. …………. ……….25
Capitolul III Structura unui sistem eolian ………………………………….. ………………… …………. …..34
3.1 Tipuri de turbine eoliene ……………………………………. ………………. …………. ……………………… ….34
3.2 Principiul de funcționare al turbinelor eoliene ……………………………………. ………………. ………..38
3.3 Componentele unei turbi ne eoliene ……………………………………. ………………. …………. ……….. …40
Capitolul IV Studiul consumului energetic a unui consumator izolat ………………………….. ….41
4.1 Estimare consum energetic ……………………………………. ………………. …………. …………………. …..41
4.2 Alegerea sistemului hibrid solar – eolian ……………………………………. ………………. …………. ……42
4.3 Durata de amortizare a instalațiilor solare și eoliene ……………………………………. …………… …..46
Concluzii ……………………………………. ………………. …………. ………………………… ……………………. …..50
Bibliografie ……………………………………. ………………. …………. ………………. …………………………. ……52
1
INTRODUCERE
Lucrarea de față reprezintă un studiu privind eficiența energetică a s urselor regenerabile
de energie , utilizând celulele fotovoltaice și turbinele eoliene pentru alimentarea unui
consumator izolat .
Energia solară repre zintă o sursă de bază a dezvoltării acestui mileniu, fiind o sursă de
energie regenerabilă și ecologică. Energia solară este practic inepuizabilă, estimându -se o durată
a existenței radiației solare de încă aproximativ 4 – 5 miliarde de ani, ea fiind cea m ai curată
formă de energie de pe Pământ .
Utilizarea energiei solare presupune o investiție recuperabilă, având prețuri de cost relativ
scăzute daca ne gândim la faptul că energia solară este complet gratuită. Astfel, în afară de
investiția iniț ială, costurile de exploatare și întreținere sunt relativ reduse.
Valorificarea în sensul general al tehnologiilor solare constă în modul de captare,
convertirea și distribuția energiei solare. Tehnologia solară fotovoltaică cuprinde toate
echipamentele, instalațiile și sistemele fotovoltaice care au capacitatea de a converti energia
Soarelui, adică radiația solară, în curent electric.
Energia eolian ă reprezintă sursa de energie conținută de for ța vântului ce bate pe
suprafa ța pământului. Prin exploatare, energia eoliană poate fi transformat ă în energie mecanic ă
pentru alimentarea unor echipamente cum ar fi morile de vânt care funcționează cu ajutorul
vântului. Dacă se conectează un rotor la un generator electric, turbinele eoliene moderne
transform ă energia eolian ă, care învârte rotorul, în energie electric ă.
Deoarece vâ ntul este o sursa de energie curat ă și interminabil ă, turbinele de v ânt sunt
instalate în țările dezvoltate acolo unde intensitatea v ântului este ridicată și poate permite puterii
eolie ne să fie exploatat ă, pentru suplini rea sursele tradi ționale de energie electric ă. În 1990 a
crescut numărul de turbine instalate datorită îmbunătățirilor făcute asupra rotoarelor și elicelor
ducând la mărirea puterii eoliene cu circa 150%.
Fiind o sursă ecologică și infinită, energia eoliană este o sursă de putere electrică
promițătoare în viitor. Energia generată de vânt este o resursă intermitentă datorită vitezei
vântului care variază în timpul zilei, sezonului sau anilor. În unele zone de pe glob unde acțiunea
vântului este puternică turbinele eoliene acționează în jur de 60% din timpul anului.
2
Cu toate acestea vântul ar putea fi insuficient pentru ca eolienele să funcționeze la
capacitatea lor maximă. Ținând co nt de toate aceste aspecte, tehnologia a putut să -și adapteze
creațiile îmbunătățindu -le și producând și alte echipamente ce folosesc acest tip de energie.
Scopul lucrării este acela de a pune în evidență eficiența surselor regenerabile de energie
și utilizarea energiei solare și eoliene pentru alimentarea unui consumator izolat printr -un sistem
hibrid solar – eolian.
Lucrarea este structurată în patru capitole, introducere, concluzii și 25 referințe
bibliografice.
În Capitolul I se prezintă cele mai utilizate forme de energie regenerabilă și importanța
acestora. Se arată intensitatea radiației solare și este prezentată harta potențialului solar din
România împărțită î n cinci zone de radiație solară cu valori cuprinse între 1200÷13 50 kW/m2/an.
De asemenea, sunt prezentate principalele avantaje și dezavantaje ale energiei provenite de la
soare. Tot în acest capitol este prezentată un alt tip de energie regenerabilă, cea generată de
viteza vântului și se prezintă harta potențialului e olian din România împărțită în cinci zone
eoliene, în funcție de condițiile de mediu și topogeografice. Se arată care sunt principalele
avantaje și dezavantaje ale acestui tip de energie regenerabilă.
În Capitolul II se prezintă structura unui sistem fotovoltaic, descrierea celulei
fotovoltaice, tipuri uzuale de celule fotovoltaice, principiul de funcționare al celulelor și
componentele unui sistem fotovoltaic. Celulele pot fi cu siliciu monocristalin, policristalin și
siliciu în stare amorfă. S istemul fotovoltaic cuprinde celule solare, baterii de acumulatoare,
convertoare statice, invertoare, regulatoare și regulatoare de sarcină.
În Capitolul III se prezintă structura unui sistem eolian, tipurile de turbine eoliene care
sunt clasif icate după mai multe criterii, principiul de funcționare al turbinelor eoliene, rolul
componentelor unei eoliene și principalele părți componente ale turbinei eoliene, fiind alcătuită
din palete, nacela, turn, arborele secundar, generator, frâna mecanică c u disc, cutia de viteze,
axul principal și hub -ul.
În Capitolul IV se prezintă studiul consumului energetic a unui consumator izolat plecând
de la estimarea consumului în funcție de consumatori i electrici, putere și timpul utilizat pe zi,
rezultând un consum de 5,19 kWh/zi . Se alege un si stem hibrid solar -eolian care să producă
energia necesară alimentării unui consumator izolat și se prezintă componența acestui sistem. Se
face un calcul pentru determinarea duratei de amortizare a instalațiil or solare și eoliene.
3
CAPITOLUL I
IMPORTANȚA VALORIFICĂRII ENERGIILOR
REGENERABILE
1.1 Energii regenerabile
Deși în prezent, combustibilii clasici reprezintă cea mai ieftină și la îndemână resursă
energetică, argumente majore au reimpus intere sul economic pentru promovarea resurselor
energetice regenerabile:
necesitatea unei dezvoltări durabile care să prezerve sănătatea umană și mediul;
previzionările privind epuizarea rapidă a resurselor de combustibili clasici;
securitatea în aprovizionare;
necesitatea asigurării unui grad mai mare de independență energetică.
Comunitatea internațională, a stabilit obiectivele, restricțiile și măsurile necesare pentru
promovarea rapidă a sistemelor solare în conformitate cu principiile dezvoltării durabile.
De altfel prin Protocolul de la Kyoto, semnat în 2005, s -a fixat ca țintă pentru 2010
obținerea de energie din surse neconvenționale pentru mai mult de 12% din necesarul total și
producerea a mai mult de 21% din necesarul de energie electrică din surse de energie curate.
Direcțiile de cercetare actuale urmăresc să răspundă măsurilor ce se impun pentru
asigurarea resurselor energetice necesare unei dezvoltări durabile în contextul epuizării rapide a
resurselor convențional e. [1]
Cele mai utilizate forme de energie regenerabilă sunt:
Energia solară Energia geotermală Energia apei Energia vântului Energia biomasei
Fig.1.1 Surse de energie r egenerabile [1]
4
La nivel mondial, energia vântului, energia apei, energia geote rmală sau a biomasei se
utilizează pentru producerea energiei electrice și furnizarea acesteia în rețelele energetice
naționale. În tabelul următor se exemplifică surse le și formele de energie pentru producerea
energiei electrice în vederea furnizării în rețelele energetice naționale.
Tabelul 1.1 Forme de energie național
Energia electrică se poate produce și local, iar în tabelul următor se exemplifică ac easta.
5
Tabelul 1.2 Forme de energie local
Energia solară, energia geotermală și biomasa se utilizează atât pentru încălzirea și
răcirea suprafețelor. În funcție de sursa de energie, în tabelul de mai jos sunt indicate capacitățile
realizat e și țările cu realizări în acest domeniu.
Tabelul 1.3 Forme de energie în funcție de capacitățile realizate
6
În toate țările cu realizări notabile în ceea ce privește energiile regenerabile, un impact
esențial asupra dezvoltării acestui domen iu, a fost repre zentat de adoptar ea unui număr mare de
reglementări legislative stimulative, inclusiv diferite forme de subvenții. La ora actuală, piața
este în continuă dezvoltare, pentru toate tipurile de energii regenerabile.
Domeniul energi ilor regenerabile este într -o adevărată expansiune, influențată pozitiv de
reglementări legislative stimulative. Asemenea reglementări constau de exemplu în
subvenționarea prețului tuturor tipurilor de panouri solare pentru producerea apei calde, sau
achiz iționarea de către compania energetică națională din Germania, țara din Europa cu cea mai
largă preocupare în domeniul energiilor regenerabile, a curentului electric produs cu ajutorul
panourilor fotovoltaice, la un preț mult mai mare decât cel de vânzare a energiei electrice, pe o
durată de până la 25 ani.
România dispune de un potențial insuficient valorificat în domeniul resurselor energetice
regenerabile și având în vedere condițiile climatice favorabile din țara noastră, acestea permit
prom ovarea formelor regenerabile de energie, în scopul economisirii resurselor primare,
ameliorării eficienței ener getice și reducerii poluării. [1 ]
Principalele obiective urmărite la ora actuală se referă la:
îmbunătățirea calității aerului, apei și solului prin reducerea gradului de poluare cauzată
prin arderea lemnului și a combustibililor fosili utilizați pentru producerea energiei
termice folosite pentru încălzire și obținerea de apă caldă menajeră;
stimularea utilizării sistemelor care foloses c sursele de energie regenerabilă, nepoluante;
utilizarea sistemelor care folosesc energie solară pentru prepa rarea apei calde menajere și
în mod particular pentru încălzire;
folosirea sistemelor care utilizează apa geotermală pentru încălzire;
valorificar ea energiei eoli ene pentru funcționarea sistemelor care folosesc surse de
energie regenerabilă;
promovarea rapidă a unor tehnologii inovatoare și rentabile;
creșterea siguranței în alimentarea cu energie;
îmbunătățirea eficienței energetice;
acoperirea tut uror cerințelor de energie ale unui consumator – electricitate, încălzire,
climatizare și apă caldă.
7
1.2 Energia solară
Energia solară este energia radiantă produsă de Soare ca rezultat al reacțiilor de fuziune
nucleară. Ea este transmisă pe Pă mânt prin spațiu în cuante de energie numite fotoni, care
interacționează cu atmosfera și suprafața Pământului .
Figura 1.2 Energia solară [2]
Intensitatea radiației solare la marginea exterioară a atmosferei, când Pământul se află la
distan ța medie de Soare, este numită constantă sol ară, a cărei valoare este de 1, 37*106
ergs/sec/cm2 sau aproximativ 2 cal/min/cm2. Cu toate acestea, intensitatea nu este constant ă; ea
variază cu aproximativ 0, 2 procente în 30 de ani. Intensitatea energiei solar e la suprafața
Pământului este mai mică decât constanta solară, datorită absorbției și difracției energiei solare,
când fotonii interacționează cu atmosfera .
Intensitatea energiei solare în orice punct de pe Pământ depinde într -un mod complicat ,
dar previzibil, de ziua anului, de oră, de latitudinea punctului. Chiar mai mult, cantitatea de
energie solară care poate fi absorbită depinde de orientarea obiectului ce o absoarbe .
Absorbția naturală a energiei solare are loc în atmosferă, în oceane și în plante.
Interacțiunea dintre energia solară, oceane și atmosferă, de exemplu, produce vânt, care de secole
a fost folosit pentru morile de vânt. Utilizările moderne ale energiei eoliene presupun mașini
puternice, ușoare, cu design aerodina mic, rezistente la orice condiții meteo, care atașate la
generatoare produc electricitate pentru uz local, specializat sau ca parte a unei rețele de
distribuție locală sau regională . [2]
8
Aproximativ 30% din energia solară care ajunge la marginea atmosferei este consumată în
circuitul hidrologic, care produce ploi și energia potențială a apei din izvoarele de munte și râuri.
Puterea produsă de aceste ape curgătoare când trec prin turbinele moderne este numită energie
hidroelectrică .
Prin procesul de fotosinteză, energia solară contribuie la creșterea biomasei, care poate fi
folosită drept combustibil in cluzând lemnul și combustibil i fosili ce s-au format din plantele de
mult dispărute. Combustibili ca alcoolul sau metanul pot fi, de asemenea, extrase din
biomasă. De asemenea, oceanele reprezintă o formă naturală de absorbție a energiei. Ca rezultat
al absorbției energiei solare în oceane și curenți oceanici, temperatura variază cu câteva grade. În
anumite locuri, aceste vari ații ve rticale se apropie de 200C pe o distanță de câteva sute de metri .
Când mase mari de apă au temperaturi diferite, principiile termodinamice prevăd că un
circuit de generare a energiei poate fi creat prin luarea de energie de la masa cu temperatu ră mai
mare și transferând o cantitate mai mică de energie celei cu temperatură mai mică. Diferența
între aceste două energii calorice se manifestă ca energie mecanică, putând fi legată la un
generator pentru a produce electricitate . [2]
Captar ea directă a energiei solare presupune mijloace artificiale, numite colectori solari,
care sunt proiectate să capteze energia, uneori prin focalizarea directă a razelor solare. Energia,
odată captată, este folosită în procese termice, fotoelectrice sau fot ovoltaice .
În procesele termice, energia solară este folosită pentru a încălzi un gaz sau un lichid,
care apoi este înmagazinat sau distribuit. În procesele fotovoltaice, energia solară este
transformată direct în energie electrică, fără a fol osi dispozitive mecanice intermediare. În
procesele fotoelectrice, sunt folosite oglinzile sau lentilele care captează razele solare într -un
receptor, unde căldura solară este transferată într -un fluid care pune în funcțiune un sistem de
conversie a energi ei electrice convenționale .
În sens comun, prin surse de energie se înțeleg materialele și tehnologiile folosite pentru
obținerea diferitelor forme de energie necesare dezvoltării societății. Aceste surse trebuie să se
găsească în cantități co respunzătoare și să fie exploatabile convenabil din punct de vedere tehnic,
economic și al unei perspective durabile. [2]
Soarele este o sursa imensă de energie. Aceasta aju nge pe Terra sub forma de radiaț ii
solare, radiaț ii care pot fi captate și transformate î n alte forme de energie: electrică, mecanică sau
termică. Astfel, energia solară își poate gă si utilizarea î n domenii diverse, de la agricultur ă până
9
la cercetare. Primele încercă ri de folo sire ale energiei solare datează încă din secolul trecut. Î n
prezent, aceasta este întâlnita î n foarte multe medii.
O cantitate imensă de energie solară ajunge la suprafața pământului în fiecare zi. Această
energie poate fi captată, și folosit ă sub formă de că ldură în aplicații termo -solare, s au poate fi
transformată direct în electricitate cu ajutorul celulelor fotovoltaice (CF).
Figura 1.3 Panouri fotovoltaice [2]
Pentru a înțelege cum CF și sistemele termo -solare captează energia solară, este
important să înțelegem cum aceasta își urmează cursul de la soare spre Pământ și cum acest flux
se schimbă periodic.
Principalele moduri de utilizare a sa sunt însă urmă toarele:
• producerea de energie termică : încălzirea apei, încă lzirea locuinț elor sau a serelor;
• producerea de energie electrică prin intermediul celulei fotovoltaice. Aceasta este rolul unei
lungi evoluț ii, de la alimentar ea calculatoarelor de buzunar până la centralele solare, ce pot
alimenta cartiere întregi de locuinț e. [2]
Figura 1.4 Energia verde [2]
10
Harta potențialului solar din România
Potențialul energetic al României, care rezultă din cantitatea de energie solară, este
evaluat la 1000 kW/m2 pe an, distribuția geografică a acestui potențial este realizată pe 5 zone,
din care zona zero cu po tențial de peste 1250 kW/m2 pe an, iar zona patru cu potențial sub 950
kW/m2 pe an, Radiația solară cu valori mai mari de 1200 kW/m2 pe an se înregistrează pe o
suprafață mai mare de 50% din suprafața totală a țării. [3]
Potențialul exploatabil prin sisteme fotovoltaice la nivelul țării noastre este apreciat la
cca. 1200 GWh/an.
Figura 1.5 Distribuția radiației solare în România [3]
Avantaje
Energia solară este o resursă regenerabilă în adevăratul sens al cuvântului. Nu va dispăr ea
decât daca soarele va înceta să ardă, caz î n care nu va mai exista deloc viață pe planeta noastră .
Panourile solare nu produc nici o poluare în timpul funcționă rii, spre deo sebire de
reactoarele nucleare și instalațiile termice. Î n timp ce p rimele cauzează probleme legate de
evacuarea deș eurilor nucle are, cele din urma produc fum dăunător și cenușă .
Producția de energie solară de că tre panourile solare sau prin alte mijloace ce utilizează
energia solară este lipsită de zgomot, spr e deosebire de alte metode. [4]
11
Montar ea panourilor solare este facilă și eficientă din punct de vedere al costurilor. Mai
mult, acestea devin utile în situațiile în care rețelele locale nu funcționează, cum ar fi în spaț iu,
spre exemplu.
Spre deosebire de rezervel e de ulei și cărbune, energia solară este disponibilă î n toate
zone le planetei, nefiind concentrată într -o singură parte. Prin urmare, “recoltarea” en ergiei solare
poate fi realizată aproape î n orice loc.
Unităț ile generatoare de energie solare sunt compac te și flexibile ca proiectare, ceea ce
înseamnă că pot fi instalate aproape în orice tip de spațiu, fără a va face griji că trebuie să
construiți locaț ii speciale.
Inițial, panourile solare costa mul t, dar generarea gratuita de energie, de -a lungul anilor,
duce la un c ost global extrem de eficient. Î n plus, p anourile solare presupun mai puțină
mentenanță ș i monitorizare. [4]
Dezavantaje
Costurile iniț iale pentru componente sunt ridicate. A cest lucru face ca instalarea unui
panou pentru captare a energiei solare să coste destul de mult.
Celulele solare funcționează doar î n timpul zile i, iar eficienta lor este redusă pe parcursul
zilelor mohorâte și î nnorate. Din acest motiv, siste mul trebuie să fie dezvoltat și eficient,
beneficiind ș i de un sistem de stocare a energiei.
Poluarea poate cauz a efecte adverse asupra eficienței panourilor solare. Eficiența poate fi
redusă , celulele solare fiind nepotrivite pentru anumite zone.
Deși aproape orice locație primeș te lumina soarelui, nu orice locație este fezabilă pentru
panourile solare.
Crearea unor instalații mari pentru energia solară este costisitoare ș i dificila din punct de
vedere al găsirii locaț iei.
Energia solară nu este o energie concentrată precum combustibilii fosi li. Prin urmare,
utilizarea ei î n cazul automobilelor sau altor f orme mecanizate este dificilă, dacă luăm î n
considerare rezultatul energetic.
Decizia alegerii unui astfe l de sistem depinde de necesitățile și posibilitățile fiecărei
persoane în parte, de locația în care vă aflați ș i mai ales de banii de care dispuneț i. Este o
investiție folositoare, dar și costisitoare și î n niciun caz nu este una care face minuni. [4]
12
1.3 Energia eoliană
Energia eoliană este o sursă de energie regenerabilă generată din puterea vântului . La
sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73904 MW, acestea
producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică. Deși încă o sursă
relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea țărilor, pr oducția energiei eoliene a crescut
practic de cinci ori între 1999 și 2006, ajungându -se ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene
în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca (23%), Spania (8%), Germania
(6%).
Energia eoliană s-a dovedit deja a fi o soluț ie foarte bună la problema energetică
globală. Utilizarea resurselor regenerabile se adresează nu numai producerii de energie, dar, prin
modul partic ular de generare, reformulează și modelul de dezvoltare, prin descentralizare a
surselor. Energia eoliană în special este printre formele de energie regen erabilă care se pretează
aplicaț iilor la scară redusă.
Piața mondială a energiei eoliene continuă să crească anual c u o rată de 32% în ciuda
constrâ ngerilor legate de ofe rta limitată de turbine eoliene. Această dezvoltare arată că industria
globală a energiei bazată pe forța vâ ntului răspunde rapid provocării de a produce nivelul
solicitat și reușește să -și susțină creș terea.
Vânturile sunt formate din cauză că soarele nu încălzește Pământul uniform, fapt care
creează mișcări de aer. Energia cinetică din vânt poate fi folosită pentru a roti niște turbine, care
sunt capabile de a genera electricitate. Unele turbine pot produce 5 MW, deși aceasta necesită o
viteză a vântului de aproximativ 5,5 m/s, sau 20 de kilometri pe oră. Puține zone pe pământ au
aceste viteze ale vântului, dar vânturi mai puternice se pot găsi la altitudini mai mari și în zone
oceanice.
Energia eoliană este folosită extensiv în ziu a de astăzi, și turbine noi de vânt se
construiesc în toată lumea, energia eoliană fiind sursa de energie cu cea mai rapidă creștere în
ultimii ani. Majoritatea turbinelor produc energie peste 25% din timp, acest procent crescând
iarna, când vânturile sunt mai puternice. [5]
13
Figura 1.6 Energia eoliană [5]
Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai
multă energie decât este consumată acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7% din
suprafață Pămâ ntului (excluzând oceanele) să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că
terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe kilometru pătrat. Aceste cifre nu iau în
considerare îmbunătățirea randamentului turbinelor și a soluțiilor tehnice utiliza te. C onform unui
studiu PHARE, potențialul eolian al Româ niei este de circa 14.000 MW putere instalată,
respectiv 23.000 GWh, producție de energie electrică pe an. [5]
Harta potențialului eolian din România
În Româ nia s -au identificat cinci zon e eoliene, în funcție de condițiile de mediu și
topogeografice, luând în considerare nivelul potenț ialului energetic al resurselor de acest tip la
înălțimea medie de 50 metri și peste. Din rezultatele măsurătorilor î nregistrate reiese c ă România
se încadre ază î ntr-un climat co ntinental temperat, cu un potențial energetic ridicat, în special în
zona litoralului și de coastă (climat blând), precum și în zone alpine cu platouri și vă i montane
(climat sever).
Evaluă ri prelimi nare privind zona litora lului Mării Negre, inclusiv în zona off-shore ,
demonstrează că poten țialul eol ian amenajabil pe termen scurt ș i me diu este ridicat, cu
posibilități de obținere a unei cantități de energie apreciabilă . Se apreciază că potenț ialul
energetic anual al vâ nturil or în România se cifrează î n jurul valorii de 23 TWh. [6]
14
Figura 1.7 Harta potențialului eolian [6]
Avantaje
În contextul actual, caracterizat de creșterea alarmantă a poluării cauzate de producerea
energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea
dependenței de acești combustibili.
Energia eoliană s -a dovedit deja a fi o soluție foarte bună la problema energetică globală.
Utilizarea resu rselor regenerabile se adresează nu numai producerii de e nergie, dar prin modul
particular de generare reformulează ș i modelul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor.
Energia eoliană î n special este printre formele de energie regenerabilă care se pretează
aplicațiilor la scară redusă . [5]
Princip alul avantaj al energiei eoliene este emisia zero de substanțe poluante și gaze cu
efect de seră, datorită faptului că nu se ard combustibili. Nu se produc deșeuri. Producerea de
energie eoliană nu implică producerea nici a unui fel de deșeuri.
15
Costuri reduse pe unitate de energie produsă. Costul energiei electrice produse în
centralele eoliene moderne a scăzut substanțial în ultimii ani, ajungând în S.U.A. să fie chiar mai
mici decât în cazul energiei generate din combustibili, chiar dacă nu se iau în considerare
externalitățile negative inerente utilizării combustibililor clasici.
În 2004, prețul energiei eoliene ajunsese deja la o cincime față de cel din anii 80, iar
previziunile sunt de continuare a scăderii acestora, deoarece se pun în funcțiune tot mai multe
unități eoliene cu putere instalată de mai mulți megawați.
Costuri reduse de scoatere din funcțiune. Spre de osebire de centralele nucleare, de
exemplu, unde costurile de scoatere din funcțiune pot fi de câteva ori mai mari decât costurile
centralei, în cazul generatoarelor eoliene, costurile de scoatere din funcțiune, la capătul perioadei
normale de funcționare, sunt minime, acestea putând fi integral reciclate. [5]
Dezavantaje
La început, un important dezava ntaj al producției de energie eoliană a fost prețul destul
de mare de producere a energiei și fiabilitatea relativ redusă a turbinelor. În ultimii ani, însă,
prețul de producție pe unitate de energie electrică a scăzut drastic, ajungând până la cifre de
ordinul 3 -4 eurocenți pe kilowatt oră, prin îmbunătățirea parametrilor tehnici ai turbinelor.
Un alt dezavantaj este și “poluarea vizuală” – adică, au o apariție neplăcută – și de
asemenea produc “poluare sonoră” (sunt prea gălăgioase). Alții sus țin că turbinele afectează
mediul și ecosistemele din împrejurimi, omorând păsări și necesitând terenuri mari virane pentru
instalarea lor.
Argumente împotriva acestora sunt că turbinele moderne de vânt au o apariție atractivă
stilizată, că mașini le omoară mai multe păsări pe an decât turbinele și că alte surse de energie,
precum generarea de electricitate folosind cărbunele, sunt cu mult mai dăunătoare pentru mediu,
deoarece creează poluare și duc la efectul de seră.
Un dezavantaj practic este variația în viteza vântului. Multe locuri pe Pământ nu pot
produce destulă electricitate folosind puterea eoliană, și din această cauză energia eoliană nu este
viabilă în orice locație. [5]
16
1.4 Importanța energiilor regenerabile
Energia regenerabilă provine din resurse naturale care se reînnoiesc în mod constant în
intervale de timp relativ scurte. În prezent funcționarea economiei mondiale se bazează în cea
mai mare parte pe energia provenită din resurse neregenerabile (cărbune, petrol, gaze naturale).
Factori precum emisiile de gaze de seră care favorizeaz ă încălzirea globală (figura 1.8 ), poluarea,
ploile acide, toate datorate utilizării acestor resurse convenționale, dar și semnalele de alarmă
care atrag atenția asupra faptului că pet rolul – principala sursă de combustibili pentru transport –
este pe cale de a se epuiza, au declanșat un proces de investiții semnificative la nivel global
pentru a pune în valoare resurs ele regenerabile de energie. [7 ]
Conform ultimelor rapoa rte, acestea au contribuit cu aproximativ 22% la producția de
energie electrică și au reprezentat 19% din consumul total de ene rgie la nivel global (figura 1.9 ).
Figura 1.8 Emisii anuale de gaze de seră (CO 2, metan, N 2O) ca urmare a exploatării resurse lor
convenționale de energie [7]
O presiune suplimentară asupra dezvoltării sectorului de energii regenerabile este
adăugată și de creșterea continuă, prefigurată, a necesarului de energie datorită expansiunii
economiei mondiale precum și ca ur mare a creșterii c ontinue a populației. Figura 1.10 arată
tendința de dezvoltare a energiei electrice din surse regenerabile, prognozată până în anul 2030.
17
Figura 1.9 Repartizarea consumului global de energie, pe tipuri de surse [7]
Figura 1.10 Istoric ul și tendința de dezvoltare a energiei electrice din surse regenerabile până în
anul 2030 (în mld. kWhs) [7]
Sursele regenerabile sunt utilizate pentru a genera energie electrică, căldura, dar și pentru
producția de combustibili pentru tran sport. În cele ce urmează sunt prezentate câteva exemple de
conversie a resurselor/energiilor regenerabile în combustibili sau energii cu utilitate practică, cu
precizarea că, datorită intensificării cercetărilor în acest domeniu, există diverse alte siste me
aflate la nivel de laborator sau în stații pilot demonstrative, cu șanse reale de preluare pe piață în
viitorul aprop iat. [7 ]
18
Radiația solară poate fi folosită pentru producerea în mod direct de energie electrică cu
ajutorul panourilor fotov oltaice, sau indirect prin utilizarea căldurii generate (căldura → apă →
vapori → turbină → generator; motoare Stirling). De asemenea, radiația solară este folosită pe
scară relativ largă pentru producerea de apă caldă menajeră sau chiar industrială.
Turbinele eoliene cu ax vertical sau orizontal transformă energia cinetică a curenților de
aer în mișcare (denumită energie eoliană) în energie electrică. În unele cazuri energia eoliană
este folosită pen tru pomparea apei din puțuri. [7 ]
Cea mai comună utilizare a unei energii naturale regenerabile, fără a avea un caracter de
noutate, o constituie energia cinetică a apelor curgătoare, care este transformată în energie
electrică prin acționarea unor sisteme turbină -generator electric. Mai nou, sisteme similare
valorifică energia mareică produsă de deplasarea apelor oceanice datorită mareelor, dar există și
tehnologii aflate momentan în stadiul de cercetare sau demonstrare, care valorifică energia
valurilor transformând -o în energie electric ă.
În unele zone geografice cum ar fi Islanda, energia termică generată și stocată în
interiorul Pământului se află în apropierea suprafeței, ceea ce permite captarea acesteia și
convertirea în energie electrică sau utilizarea ca su rsă de încăl zire rezidențială, pentru procese
industriale, pentru desalinizarea apei sau în agricultură. Este cunoscută sub denumirea de ene rgie
geotermală. [7 ]
Biomasa este reprezentată de materialele organice recente, de origine vegetală sau
animală și este disponibilă sub formă de produse agricole, forestiere, diverse tipuri de deșeuri și
reziduuri. Datorită abundenței acesteia, biomasa capătă o pondere care este din ce în ce mai
însemnată atât pentru producerea de energie termică (în general prin arder ea directă sau
gazeificarea unor materiale de natură vegetală), electrică, cât și pentru producerea de
biocombustibili ecologici (biodiesel, bioetanol, biogaz, biobutan, bio -hidrogen). Deși arderea sau
conversia biomasei generează CO 2, procesul este consid erat neutru din punct de vedere al emisiei
de gaze de seră datorită faptului că aceeași cantitate de CO 2 a fost absorbită de plante din
atmosferă pe parcursul ci clului de viață al acestora. [7 ]
Se poate considera că cercetările în acest domeni u sunt încă în faza incipientă și vor
continua în vederea optimizării tehnologiilor de conversie, reducerii costurilor de producție a
energiilor și combustibililor regenerabili, creșterii factorului de sustenabilitate, precum și
identificării și eliminării riscurilor potențiale asociate implementării acestora pe scară largă.
19
CAPITOLUL II
STRUCTURA UNUI SISTEM FOTOVOLTAIC
2.1 Alcătuirea unui sistem fotovoltaic
Celulele sau panourile fotovoltaice nu reprezintă singurele componente ce alcătuiesc u n
sistem fotovoltaic. Pentru a alimenta continuu consumatorii cu energie electrică, majoritatea
sistemelor fotovoltaice au în structură acumulatoare de energie electrică.
Modulul fotovoltaic poate fi reprezentat de un generator de curent cont inuu (c.c.), dar de
cele mai multe ori consumatorul de energie poate fi și de curent alternativ (c.a) .
Energia electrică fotovoltaică prezintă un caracter variabil datorită următorilor factori:
alternanța zi – noapte, cer senin – cer acoperit; aceștia pot provoca variația într -o gamă mare a
fluxului de energie și a tensiunii generate de modulul fotovoltaic .
Condiționarea fluxului de energie se face folosind convertoare electronice care pot fi de
curent continuu – curent continuu (c .c/c.c) care au rolul de a monitoriza procesul de
încărcare/descărcare a acumulatorilor și convertoare de curent continuu – curent alternativ
(c.c/c.a) care transformă curentul continuu în curent alternativ.
Sistemul fotovoltaic se poate supra dimensiona, de aceea se folosește o sursă auxiliară de
energie, fie un grup electrogen, fie un generator eolian sau chiar rețeaua electrică publică.
Toate componentele sistemului trebuie să fie interconectate, dimensionate și specificate
pentru funcționarea într -un sistem unic care se numește sistem fotovoltaic . În figura 2.1 este
reprezentată structura unui sistem fotovoltaic.
Principalele componente din structura sistemului fotovoltaic sunt:
• modulul, panoul și câmpul de module (generatorul fotovoltaic);
• bateria de acumulatoare;
• subsistemul pentru condiționarea energiei electrice (elemente de măsurare, monitorizare și
protecție );
• sursa a uxiliară de energie sau un grup electrogen (back -up generator), funcționând cu benzină
sau motorină. În acest caz, sistemul fotovoltaic se mai numește sistem fotovoltaic hibrid . [8]
20
Figura 2.1 Structura unui sistem fotovoltaic [8]
Sistemul fotovolt aic hibrid poate fi un sistem autonom sau un sistem conectat la rețea
care poate conține alte surse de energie electric ă. Acest sistem hibrid este alcătuit dintr -un
generator electric acționat de un motor cu ardere internă de tip Diesel și dintr -un redresor pentru
încărcarea acumulatorilor.
Figura 2.2 Sistem fotovoltaic hibrid [9]
Acest generator electric poate să producă atât curent continu u cât și curent alternativ,
rolul său este de a asigura puterea electrică atât în perioadele de vârf ale sarcinii cât și în
perioadele în care radiația solară nu este suficient de intensă.
21
Generatorul Diesel pornește atunci când bateriile sunt aproape de a se descărca, el asigură
necesitățile consum atorilor și reîncărcarea bateriilor. [9]
Sistemele fotovoltaice se împart în două categorii principale:
– conec tate la rețea ( grid-connected ) funcționând în paralel cu rețeaua electrică publică;
– sisteme fotovoltaice autonome ( stand -alone photovoltaic system ). [8]
Sistemele fotovoltaice conectate la rețea pot fi împărțite în:
– sisteme fotovoltaice unde rețeaua electrică publică are rol ul de sursă auxiliară de energie (grid
back -up);
– sisteme fotovoltaice unde excesul de energie fotovoltaică este furnizat direct în rețea (grid
interactive photovoltaic system);
– centrale electrice fotovoltaice (multi MW photovoltaic system ), furnizând toată energia produsă
în rețea.
Sistemul fotovoltaic conectat la rețea funcționează în paralel cu unitatea care generează
energie electrică în rețea ua publică de distribuție a energiei . Astfel surplusul de en ergie electrică
produs de modulele fotovoltaice este debitat în rețea. Astfel pe timpul nopții sau atunci când
radiația solară este insuficientă consumatorul consumă energie electrică direct din rețea și în
acest caz nu se mai utilizează bateriile.
Utilizând panourile fotovoltaice sistemul pentru producerea de energie de curent
alternativ permite folosirea directă a energiei din sistem, dar și furnizarea în rețeaua publică de
alimentare cu energie electrică (figura 2.3). [9]
Figura 2.3 Sistem fotovoltaic conectat la rețeaua de curent alternativ [9]
22
2.2 Tipuri uzuale de celule fotovoltaice
Siliciul este materialul cel mai utilizat la fabricarea celulelor fotovoltaice în domeniul
industrial. Dacă este supus proceselor tehnologice ind ustriale rezultă siliciul metalurgic având o
puritate de 98%, iar dacă este supus unei etape de purificare chimică se obține siliciu sub formă
lichidă, de calitate electronică. Pentru obținerea materialelor de tip P și de tip N are loc doparea
siliciului. Celulele fotovoltaice trebuie să funcționeze între 2 – 3 ani producând energia necesară
procesului său de fabricație. [10]
Celule cu siliciu monocristalin
Atunci când are loc răcirea, siliciul cristalizează, formând un singur cristal. Acesta se taie
în fâșii subțiri pe care se aplică celelalte straturi componente ale unei celule fotovoltaice.
Culoarea celulelor este albastru uniform.
Cel mai important avantaj al acestora este randamentul foarte bun.
Ca dezavantaje ave m: costul ridicat de producție și randament scăzut atunci când
iluminarea este slabă. [10]
Celule cu siliciu policristalin
În urma cristalizării se formează mai multe cristale care se decupează în fâșii și rezultă
celule compuse din mai multe cristale având culoarea albastră.
Avantaje: randamentul bun al celulelor și preț de producție mai scăzut.
Dezavantaj: randamentul scăzut în cazul unei iluminări slabe.
Aceste celule cu siliciu policristalin sunt cele mai folosite la nivel industrial, pentru
realizarea de panouri fotovoltaice, având un raport calitate -preț foarte bun. [10]
Celule cu siliciu în stare amorfă
În cazul siliciului amorf nu are loc cristalizarea, acesta se depune pe o foaie de s ticlă.
Culoarea sa are tentă de gri.
Avantaje: randament bun în cazul unei iluminări slabe și costul scăzut de producție.
Dezavantaje: randament scăzut în cazul intensităților mari ale radiației solare și
degradarea materialului înt r-un timp de funcționare relativ scurt. [10]
23
Figura 2.4 Celule cu siliciu (monocristalin, policristalin și amorf) [10]
Celule tandem
Celule tandem sunt realizate prin asocierea celulelor monocristalin e, policristalin e și
amorf e sub form ă de straturi. Astfel are loc absorbția unui spectru mai larg al radiației
electromagnetice pentru producerea de energie electrică. În acest caz are loc ameliorarea
randamentului de conversie față de o celulă simplă. În acest caz costul de producție este m ai
ridicat. [10]
Celule cu film subțire
Tehnologia cu film subțire are ca scop reducerea cantității de material folosită la
realizarea celulelor fotovoltaice și în acest fel conduce la scăderea randamentului de conversie.
Din punct de vedere al costurilor reduse de fabricație și al greutății reduse a panoului acest tip de
celule este des utilizat. Din această categorie fac parte celulele CdTe, CIGS și GaAs. [10]
Celule din polimeri
Celulele din această categorie sunt realizate di n polimeri organici reprezentând cea mai
nouă tehnologie fotovoltaică. Celulele sunt realizate din film de 10 nm, polifenilen -vinil și
fulerene de carbon. [10]
24
2.3 Principiul d e funcționare al celulelor fotovoltaice
Schema funcționării instalației fotovoltaice este reprezentată în figura 2.5 .
Figura 2.5 Principiul de funcționare a instalației fotovoltaice [11]
Utilizând un regulator de încărcare a acumula torilor (controller) radiația solară captată de
celulele fotovoltaice este convertită în curent continuu. În continuare are loc eliberarea de
purtători de sarcină pozitivi și negativi într -un corp solid (principiul efectului fotoelectric),
această eliberar e se produce în urma acțiunii radiației solare. [11]
Curentul electric continuu obținut are tensiuni relativ mici (12 V ÷ 48 V) în funcție de
montarea panourilor în serie sau în paralel, când se dorește mărirea tensiunii panourile se
cuplează î n serie, iar pentru obținerea unui amperaj mare panourile se cuplează în paralel.
Energia de curent continuu este înmagazinată în acumulatori de mare capacitate care
rezistă la un număr mare de cicluri de încărcare/descărcare și stochează ener gia pentru a fi
folosită atunci când radiația solară nu există (2 – 3 zile ploioase sau înnorate). În continuare se
pot alimenta consumatorii de curent continuu care funcționează la aceste tensiuni (radio, CD
player, TV, becuri economice). [11]
Pe lângă acest circuit mai există un circuit care prin utilizarea unui invertor de tensiune
sinusoidal transformă curentul continuu de tensiune mică (12 / 24 / 48 V) în curent alternativ de
220 V la frecvența de 50 Hz, aceasta este tensiunea la care funcț ionează majoritatea
echipamentelor elect ronice, casnice și electrocasnice prezente într -o locuință. [11]
25
2.4 Componentele unui sistem fotovoltaic
Componentele unui sistem foto voltaic depind de aplicațiile folosite: locuințe izolate sau
locuinț e aflate în apropierea rețelei, se poate utiliza doar baterii sau doar energia solară și se mai
pot utiliza și convertoare statice de putere.
Un sistem foto voltaic cuprinde:
– Celulele solare ;
– Baterii de acumulatoare ;
– Regulatoare;
– Regulatoare de sarcină ;
– Convertoare statice ;
– Invertoare;
– Alte componente .
A. Celulele solare nu pot fi asimilate cu un generator clasic de energ ie electrică de curent
continuu, deoarece celula fotovoltaică nu este sursă de tensiune și curent constantă. Randamentul
conversiei energiei solare în energie electrică este scăzut (sub 12%). Spre exemplu, dacă într -o
zonă cu expunerea nominală de 1000 W/m2, avem nevoie de 12 m2 de panouri fotovoltaice
pentru furnizarea de 1 kWv , aceasta determină un cost ridicat al wattului -vârf. [9]
B. Bateriile de acumulatoare
Pentru buna funcționare a sistemelor autonome se folosesc baterii de acumulatoare pentru
asigurarea stocării energiei. Aceste elemente de stocare a energiei reprezintă 13 – 15% din
investiția inițială, având o durată de exploatare de 20 de ani.
Bateriile sunt utilizate atunci când nu există alt aport de energie acumulând exc esul de
energie produs de sistemul fotovoltaic. Bateriile se descarcă rapid și acestea pot produce mai
mult curent ca sursă de încărcare. Pentru obținerea celui mai bun echilibru al capacității de
stocare se utilizează bateriile cu plumb -acid, acestea fiin d baterii comune și utilizate în sistemele
autonome de putere . [9]
Bateriile de acumulatoare de tipul plumb -acid se împart în două categorii:
• Baterii cu electrolit lichid;
• Baterii cu electrolit stabilizat.
26
a) Baterii cu electrolit lichid
Aceste baterii sunt formate dintr -un recipient unde se alterne ază plăci pozitive și
negative, care sunt separate de distanție re izolante. Recipientul este închis cu un dop evitând
corodarea internă și scurgerea electrolitului.
Avantaj : Construcție simplă, deci ieftine.
Dezavantaj : Bateriile tre buie să fie păstrate și utilizate în poziție orizontală, altfel există
posibilitatea ca electrolitul să se scurgă prin orificiul de egalizare a presiunii din dop, plăcile
rămânând nescufundate în electrolit. [12]
b) Baterii cu electrolit stabilizat
În cazul acestor baterii, electrolitul numai este lichid, ci sub formă de gel. Acestea se mai
numesc baterii cu recombinare a gazului.
Avantaje : nu necesită întreținere, pe toată durata de viață, asigură etanșeitate totală, deci
nu există degajări de gaze.
Dezavantaj : Produsul folosit este mai tehnic (gelul), deci sunt mai scumpe.
Acest tip de baterii sunt utilizate atunci când nu care există un decalaj între perioadele
când este cerută energie și perioadele de însorite. Pentru o alegere corectă a tipului de baterie
trebuie să se țină cont de puterea medie zilnică și de timpul necesar de stocare. [12]
Figura 2.6 Caracteristicile generatoarelor fotoelectrice și a bateriei [12]
În figura 2.6 este evidențiată caracteristica bateriilor care se adaptează foarte bine la
generatoarele fotoelectrice, pentru că funcționează la tensiune cvasi -constantă. Dacă se
dimensionează bateria punctul de funcționare este plasat în punctul de putere maximă, deoarece
tensiunea Upmax se modifică în funcție de iluminare ( Upmax este tensiunea corespunzătoare puterii
maxime ). [12]
27
C. Regulatorul
Regulatorul sau controlerul de încărcare (charge controller) are rolul de a stabiliza
tensiunea de curent continuu ob ținută la ieșirea panourilor fotovoltaice. Acest regulator asigură
controlul tensiunii și al curentului de încărcare a acumulatorilor precum și al tensiunii de
alimentare a consumatorilor care funcționează în curent continuu.
Regulatorul solar înd eplinește și alte funcții precum:
– alimentare a consumatori lor de curent continuu;
– detectare a automată a tensiunii bateriei;
– protecție la conecta re polaritate inversă;
– protecție la descărcare excesivă și la supraîncă rcarea bateriei;
– deconectare a sarcinii în funcție de starea de încărcare a bateriei;
– reconectare automată a sarcinii;
– compensare a automată în funcție de temperatură;
– comutare a automată pentru iluminat pe timp ul nopții . [9]
Regulatorul se folosește pentru a alimenta direct consumatori i de curent continuu, sau
funcționând în paralel cu un invertor de baterii pentru a alimenta consumatorii de curent
alternativ și astfel se formează sisteme le fotovoltaice de tip magistrală de curent continuu.
Acest regulator se utilizează numai în cazul sistemelor fotovoltaice neconectate la sistemul
energetic național și sunt indicate pentru puteri mici de ordinal zecilor de wați până la câțiva
kilowați. Se disting două clase mari de regulatoare solare:
– regulatoare clasice de tip PWM (cu modulație în im puls);
– regulatoare MPPT (cu urmărirea punctului de putere maximă).
Regulatoarele PWM sunt utilizate în sisteme de putere mică și randament ul lor este cu
circa 15 – 30% mai mic decât cel al regulatoarelor MPPT. [9]
Figura 2.7 Explicativă privin d zona de operare a regulatoarelor [9]
28
În figura 2.7 este prezentată diagrama curent -tensiune a unui panou fotovoltaic și
diagrama de putere unde se figurează punctul de putere maximă (P mppt) și cu galben se figurează
zona de lucru a unui regul ator clasic PWM. [9]
D. Regulatoarele de sarcină
În sistemele foto voltaice se folosesc mai multe tipuri de regulatoare care controlează
fluxul de energie asigurând supravegherea și siguranța instalației. Acest e regulatoare trebuie să
protejeze bateria de supraîncărcare (solară) și de descărcare (consumatori).
Există trei categorii principale de regulatoare:
a) Regulatoare serie
– conține un întreruptor static între generatorul fotovoltaic și bateria de
acumulatoare, pentru întreruperea încărcării.
Figura 2.8 Schema d e principiu a regulatorului serie
Întreruptorul de încărcare este montat în serie cu bateria și se deschide atunci când bateria
este încărcată.
Avantaj : tensiunea aplicată la bornele întreruptorului este mică.
Dezavantaj f ață de regulatoarele de tip paralel: întreruptorul static determină o cădere
de tensiune suplimentară între panouri și baterie. [12]
29
b) Regulatoare paralel
– care la finalul încărcării bateriei de acumulatoare are loc scurtcircuitarea
generatorul fotovoltaic.
Figura 2.9 Schema de principiu a regulatorului paralel [12]
Panourile solare sunt conectate direct la baterii pe durata încărcării, pe această durată
panourile sunt scurtcircuitate. Dioda de separare are rolul de a asigura blocarea curentului
nocturn care poate să apară între panou și baterie. Această diodă este prevăzută în schemă, pentru
a nu scurtcircuita bateria când întreruptorul se închide. Întreruptorul static care se folosește poate
fi un tranzistor MOSFET.
Dezavantaje :
– Apar probleme de protecție la supratensiuni atunci când î ntrer uptorul este solicitat d e întreaga
tensiune a panoului solar;
– Solicitarea termică a întreruptorului static poate fi importantă la valori mari ale curentului.
c) Regulatoare ce urmăresc punctul de putere maximă (MPPT – Maximum Power Point
Tracking ) permit extragerea din panourile solare a maximului de putere și recuperează maximul
de energie, indiferent de condițiile mediului ambiant (temperatură și iluminare).
Pentru deducerea puterii extrase din panou se măsoară, în permanență, tensiunea și
curentul . Puterea se compară cu valorile anterioare ale acesteia și se observă dacă tensiunea la
bornele panoului este crescută sau redusă.
Avantaj : Funcționarea are loc într -o plajă foarte largă de temperaturi și asigură
recuperarea excesului de energie pe durata iernii.
Dezavantaj : Investiția devine rentabilă în urma analizei pierderilor induse de regulatorul
MPPT și de convertoarele de curent continuu – curent continuu. [ 12]
30
E. Convertoarele statice se utilizează pentru a adapta puterea generată la necesitățile sarcinii.
Convertoarele sta tice se împart în: convertoare de curent continuu – curent continuu, care
adaptează tensiunea de c urent continuu furnizată de către panourile foto voltaice la necesitățile
sarcinii și convertoare de curent continuu – curent alternativ, care transformă energ ia de c urent
continuu în energie de curent alternativ, pentru alimentarea sarcinilor.
Convertoare de curent continuu – curent continuu (c.c. – c.c.)
Aceste convertoare se mai numesc și variatoare de tensiune continuă – VTC care
transformă o tensiune continuă (care poate fi bateria), tot în tensiune continuă, dar cu valoarea
medie diferită, pentru a alimenta sarcini de curent continuu.
Există două tipuri de astfel de VTC:
– ridicător ;
– coborâtor .
VTC ridicător
Figura 2.10 Schema de principiu a unui VTC ridicător
Atunci când întreruptorul este închis are loc înmagazinare a bobinei cu energie de la
baterie. Când întreruptorul este deschis, tensiunea de autoinducție a bobinei și cu sursa determină
apariția unor supratensiuni care sunt transferate condensatorului și sarcinii.
Dioda (de separare) are rolul de a opr i descărcarea condensatorului pe intervalele când
întreruptorul este închis . Reducerea pulsațiilor se face cu ajutorul condensatorului care filtrează
tensiunea continuă la ieșire.
Randamentul acestor convertoare este de 70%, iar pentru converto are mai performante se
poate atinge 85 – 90%.
31
VTC coborâtor
Figura 2.11 Schema de principiu a unui VTC coborâtor
În cazul acesta t ensiunea la ieșire este mai mică decât cea a bateriei, se utilizează pentru a
alimenta sarcini cu tensiune a mai mică decât cea a bateriei. Atunci când întreruptorul este închis,
bateria debitează curent sarcinii, ce parcurge bobina. Când întreruptorul este deschis, energia
înmagazinată în bobină, asigurând menținerea nenulă a curentului care se va înch ide pe aceste
intervale, prin intermediul diodei (numită și diodă "de nul").
Randamentul acestor convertoare este de 80 – 90%. [12 ]
F. Invertorul
Invertorul transformă energia de curent continuu care este generată de modulele
fotov oltaice sau este stocată în acumulatoare, în energie de curent alternativ având o frecvență
prestabilită.
Invertoarele de baterii sunt , în general, unidirecționale asigurând conversia energiei de
curent continuu de la bornele acumulatorilor în energie de curent alternativ pentru alimentarea
consumatorilor.
Cerințele tehnice care se cer unui invertor dintr -un sistem fotovoltaic autonom sunt
următoarele:
capacitatea de suprasarcină este de circa 30 % , asigurând pornirea motoarelo r;
stabilitate bună a tensiunii de curent alternativ la ieșire;
randamentul maxim pentru o largă variație a sarcinii este mai mare de 90%;
consum propriu minim de energie;
comutația este autonomă fără asistență din partea unei rețele publice.
32
Exista trei categorii mari de invertoare de baterii:
– invertoare de baterii clasice;
– invertoare de baterii cu regulator încorporat;
– invertoare de baterii cu sincronizare la rețeaua electrică.
Sistemele autonome folosesc trei tipuri de invertoar e în funcție de forma undei tensiunii
la ieșire: undă dreptunghiulară, în trepte sau sinusoidală.
Invertorul cu undă dreptunghiulară are o schemă simplă și un cost scăzut .
Invertorul cu undă în trepte are o distorsiune armonică mai mică și se recomandă pentru
majoritatea motoarelor. Distorsiunea armonică a tensiunii la ieșire este pronunțată, astfel are loc
supraîncălzirea motoarelor. Acest invertor se recomandă în sisteme fotovoltaice de mică putere
folosite pentru iluminare, încă lzire la tensiuni diferite de cea de curent continuu , de asemenea
intră în componența convertoarelor de curent continuu – curent continuu și al acționări lor
electromagnetice.
Invertorul cu undă sinusoidală filtrează maj oritatea armonicilor, a vând un factor de
distorsiune mai mic de 5% și se utilizează pentru aliment area oricărui consumator de curent
alternativ , poate fi folosit și în circuitul interfeței modulului fotovoltaic – rețea electrică publică.
Această undă sinusoidală m odificată nu este la fel ca cea de la sistemul energetic
național. Invertoarele cu această undă modificată reprezintă o alegere bună pentru sisteme
fotovoltaice de dimensiuni mai mici. [9]
Figura 2.12 Formele de undă ale invertoarelor [9]
33
În figura 2.12 sunt reprezentate următoarele forme de undă:
a) forma de undă la intrarea invertorului 12 V c.c;
b) forma de undă dreptunghiulară de la ieșire invertorului;
c) forma de undă sinusoidală modificată;
d) forma de undă sinusoidală pură.
G. Alte component e
În această categorie intră elementele conexe, dar fără care sistemul este indispensabil
pentru buna funcționare a panourilor fotovoltaice, dintre aceste elemente conexe se numără
protecțiile contra descărcărilor atmosferice, disjunctoare le și siguranțe le fuzibile.
Panourile solare sunt echipamente costisitoare și de aceea ele trebuie sa fie protejate
pentru evita rea deteriorării lor. Principalele pericole care se pot produce sunt :
• Perturbații induse de comutațiile elementelor d in componența convertoarelor statice de putere.
Pentru aceste pe rturbații se pot utiliza filtre pentru eliminarea armonicilor.
• Funcționarea sarcinii: panourile se deteriorează repede atunci când absorb putere electrică.
Pentru a evita acest fenomen s e pot utiliza diode care să împiedice circulația curentului în sensul
nedorit.
• Descărcări atmosferice. [12]
34
CAPITOL UL III
STRUCTURA UNUI SISTEM EOLIAN
3.1 Tipuri de turbine eoliene
Turbinele eoliene pot fi clasificate după mai multe c riterii:
După direcția de orientare a axei:
– Turbine cu axă orizontală (cele mai răspândite) având axa paralelă cu direcția vântului;
– Turbine cu axă verticală (aflate în stadiu de cercetare) având axa perpendiculară pe direcția
vântului. [13]
Turbine cu axa verticală
Figura 3.1 Turbină cu axa verticală [14]
La acest tip de turbine (fig ura 3.1) axa este verticală, generatorul ș i toate componentele
mai sofisticate fi ind plasate la bază, ușurând astfel instalarea și mentenanță. Î n loc de turn a cest
tip de turbine folosesc fire de susț inere, rotorul fi ind poziționat aproape de pământ.
Aceste turbine su nt tot timpul aliniate cu direcția vâ ntului a stfel nu este necesara nici o
ajustare în cazul în care vântul își schimbă direcția; dar p oziționarea l or aproape de sol unde
viteza vântului este mai redusă, le scade eficienț a.
35
De asemenea un dezavantaj este și faptul că acest tip de turbine nu pornesc singure,
majoritatea folosind generatorul pe post de motor pentru a porni. În prezent sunt în dezvoltare
câteva tipuri de turbine vertic ale care sunt mult mai eficiente . [14]
Turbine cu axa orizontală
Figura 3.2 Turbină cu axa orizontală [14]
La turbinele din figura 3.2 rotorul ș i generatorul de curent sunt poziționate î n vârful
turnului ș i trebuie aliniate pe direcția vâ ntului . Pentru acest a majoritatea folosesc senzori ș i
servomoto are pentru a se alinia pe direcția vâ ntului. Cele mai mu lte turbinelor cu axa orizontală
au și o cutie de viteze care transformă mișcarea de rotație lenta a palelor într -una mai rapidă,
necesară pentru a crește eficienț a generatorului de curent.
Rotor ul turbinei poate fi plasat în faț a sau spatele tur nului. La turbinele cu rotorul în față
palele sunt depărtate de turn și ușor î nclin ate. De asemen ea palele sunt și rezistente pentru a nu fi
îndoite și împinse în turn. Turbinele cu rotorul î n spatele turnul ui au avantajul că palele elicei se
pot îndoi, reducând suprafața ce se opune vâ ntului la viteze mari, iar datorită construcției,
orientarea pe direcția vâ ntului se face automat.
Datorit ă turbulentelor aerodinamice din spatele turnului la majoritatea turbinelor cu axa
orizontală rotorul turbinei este poziționat în față . [14]
36
După puterea electrică furnizată :
– Turbine de putere redusă (sub 100 kW) utilizate în principal pentru uz casnic, agricol ;
– Turbine de putere mare (peste 100 kW) utilizate pentru furnizarea energiei electrice în
sistemele energetice naționale. [13]
În figura 3.3 este prezentată o turbin ă eoliană de putere mică, iar în figura 3.4, una de
putere mare.
Figura 3.3 Turbină eoliană de putere redusă [13]
Figura 3 .4 Turbină eoliană de putere mare [13]
37
După modul de amplasare a paletelor:
– În contra vântu lui (vântul întâlnește întâi paletele și apoi nacela) – “upwind ”;
– În direcția vântului (vântul întâlnește întâi nacela și apoi paletele) – “downwind ”.
După numărul de palete
– Cu două palete;
– Cu trei palete (cele mai răspândite).
În fig ura 3 .5 este prezentată o turbină cu două palete, de tip “ upwind ”.
Figura 3 .5. Turbină “ upwind ” cu două palete [13]
După locul de amplasare :
– Amplasare terestră;
– Amplasare marină. [13]
În figura 3 .6 sunt prezentate câteva turbine eoliene marine.
Figura 3 .6. Turbine eoliene marine [13]
38
3.2 Principiul de funcționare al turbinelor eoliene
Energia eoliană, sau energia vântului, poate fi considerată o formă de energie solară,
deoarece vântul este produs în principal de încălzirea neuniformă a atmosferei terestre, de către
Soare. Alți factori care contribuie la producerea vântului sunt neregularitățile scoarței terestre și
mișcarea de rotație a Pământului în jurul axei proprii.
Conversia energiei eoliene în energie mec anică și apoi în energie electrică, poate fi
realizată cu ajutorul turbinelor eoliene. Într -o manieră simplificată, se poate spune că principiul
de funcționare al turbinelor eoliene este cel al unui ventilator inversat. În loc să producă vânt cu
ajutorul e nergiei electrice, așa cum se întâmplă în ventilator, turbina eoliană utilizează vântul
pentru a produce energie electrică. Astfel, vântul antrenează în rotație paletele, care sunt fixate
pe arborele turbinei. Energia mecanică obținută prin rotația arborel ui, este convertită în energie
electrică de către un generator de curent electric. [15]
Din punct de vedere istoric, prima utilizare a energiei vântului datează de peste 5000 ani,
când egiptenii utilizau deja energia eoliană pentru deplasarea c orăbiilor. De asemenea, cu 2000
ani î.e.n., în Babilon funcționau deja primele mori de vânt. Se pare că lumea occidentală a
descoperit mult mai târziu forța vântului, primele referiri scrise la mașini care utili zau energia
vântului datează abi a din secolul 12, fiind vorba de echipamente pentru măcinarea grânelor. [15]
Sistemul eolian se bazează pe un principiu simplu. Vântul pune în mișcare palele care la
rândul lor acționează generatorul electric. Sistemul mecanic are în componență și un
multi plicator de viteză care acționează direct axul central al generatorului electric.
Curentul electric obținut este, fie transmis spre înmagazinare î n bate rii și folosit apoi cu
ajutorul unui invertor DC -AC în cazul turbinelor de mică capacitate, fie livrat direct rețelei de
curent alternativ ( AC) spre distribuitori. [14]
Eolienele sunt construite în zone cu vânt puternic, fiind controlate de computere care
rotesc paletele acționate de vânt. Mișcarea de rotație este apoi convertită în electricitate.
Rolul componentelor unei turbine eoliene este urm ătorul:
Palete : Unghiul paletelor turbinei poate fi modificat, pentru a se adapta vitezei și direcției
vântului.
Cabluri : Electricitatea generată de turbine este transmisă prin ca bluri subterane.
Cutia de viteze : Este acționată de către axul turbinei și controlează viteza generatorului.
39
Axul turbinei : Vântul rotește paletele, ceea ce determină rotirea axului turbinei. Viteza de
rotație a acestuia variază în funcție de viteza vântul ui.
Generatorul : Acesta transformă mișcarea de rotație în energie electrică.
Nacela : Nacela (partea ce cuprinde componentele instalației) poate pivota, pentru a menține
paletele pe direcția vântului. Unghiul paletelor se reglează automat.
Turnul : În turn s e află palele, motorul și cablurile electrice prin care curentul ajunge sub
pământ. [16]
Figura 3.7 Componentele turbinei eoliene [16]
40
3.3 Componentele unei turbi ne eoliene
În figura 3.8 , sunt prezentate principalele părți componente ale une i turbine eoliene.
Figura 3.8 Principalele părți componente ale unei turbine eoliene [17]
1. Paletele 2. Nacela 3. Turnul turbinei
4. Arborele secundar 5. Generator 6. Frâna mecanică cu disc
7. Cutia de viteze 8. Axul principal 9. Hub-ul
Nacela (2) – conține componen tele cheie ale turbinei, incluzând cutia de viteze și
generatorul ele ctric. În faț a nacelei este ro torul turbinei cu paletele (1) ș i hub-ul (9) cuplat la axul
princ ipal (8). Cutia de viteze (7) mărește viteza de rotație de aproximativ 50 de ori față de viteza
redusă a rotorului cu palete. Instalația este echipată cu o frână mecanică cu disc (6), care poate fi
folosită în cazuri de urgență . Gener atorul turbinelor de vâ nt (5) cone ctat printr -un ax de mare
viteză, convertește energia mecanică în energie electrică. El diferă față de generatoarele
obișnuite, deoarece trebuie să l ucreze cu o sursă de energie primară care furnizează o putere
mecanică fluctuantă . [17]
Pe scară largă , la turbinele de 100 -500 kW, tensiunea generată este de 690 V c.a. trifazat,
fiind necesar un transformator ridică tor de tensiune de 10 sau 30 kV, p entru a putea fi conectat la
rețeaua națională de medie tensiune. Turbinele pot fi co nstruite atât cu generatoare sincrone cât
și asincrone ș i cu dif erite tipuri de conectare la rețea: direct sau indirect. Turnul turbinei (3)
susține nacela și roto rul. Î n general este avantajos un turn înalt deoarece vâ ntul e mai puternic. O
turbina de 600 kW are turnul de 40 -60 m. [17]
41
CAPITOLUL IV
STUDIUL CONSUMULUI ENERGETIC A UNUI
CONSUMATOR IZOLAT
4.1 Estimare consum energetic
Dimensionarea unui si stem permanent de energie electrică folosind energie sol ară sau
eoliană presupune cunoaș terea pr ecisă a parametrilor de intrare . [18]
În continuare se prezintă posibilitatea de alimentare cu energie electrică și eoliană a unei
case izolate din zona Craiovei, folosind panouri fotovoltaice și turbine eoliene ca sursă de
energie regenerabilă.
Astfel, se consideră un consumator izolat în orașul Craiova. În funcție de consumatorii
electrici utilizați se calculează necesarul de energie electrică și te rmică. Se estimează energia
electrică medie lunară și se determină energia electrică necesară.
Determinarea necesarului de energie se face în funcț ie de natura consumatorilor:
Tabelul 4.1 Estimare consum în funcție de consumatori
Consumator Putere [W] Cant itate bucăți Timp [h/zi] Energie [kWh/luna]
1. Bec economic 13 10 2 7.80
2. Mixer 300 1 0.05 0.45
3. Uscător 1000 1 0.1 3.00
4. Fier de călcat 1000 1 0.2 6.00
5. Aragaz electric mare 2100 1 1 63.00
6. Frigider economic 200 1 2.05 12.30
7. Aspirator manual 100 1 0.3 0.90
8. Mașina de spă lat 250 1 1.63 12.23
9. TV color 25” 150 3 2.5 33.75
10. Home cinema 500 1 0.2 3.00
11. Imprimanta jet 35 1 0.1 0.11
12. Laptop 100 1 2 6.00
13. Telefoane 1 4 1 0.12
14. Hota 250 1 0.5 3.75
15. Centrala 110 1 1 3.30
TOTAL 155.70
42
Ținând cont că pe lună avem un consum de 155.70 kW h rezultă consumul de 5.19
kWh/zi. Consumul energetic anual este de 1868.4 kWh.
După ce aceste valori au fost determinate, se trece la dimensionarea sistemului cu aj utorul
unui soft specializat care modelează mai multe variante constructive.
4.2 Alegerea sistemului hibrid solar – eolian
Sistemele hibride sunt sisteme ce combină mai multe tipuri de generatoare de energie
electrică.
Cele ma i fol osite sisteme ce realizează un ansamblu hibrid sunt sistemele solare ș i
sistemele eoliene.
Figura 4.1 Sistemul hibrid solar – eolian [19]
Majoritatea sistemelor hibr ide sunt sisteme off-grid, adică nu sunt conectate la rețea,
având acumulator i în alc ătuirea lor.
Aceste sisteme sunt folosite î n zon e izolate unde conectarea la rețeaua electrică este
imposibilă sau foarte scumpă .
Un sistem hibrid eolian -solar cuprinde urmă toarele componente principale:
turbina eolian ă, con troler eolian, panouri fotovoltaice, controller/ charger solar,
acumulatori, invertor. [20]
43
Panourile fotovoltaice transformă radiația solară în energie electrică . Un n umăr de
panouri fotovoltaice conectate în serie sau în paralel care produc energie î n curent continuu.
Turbina eolian ă transformă energia mecanică a vântului în energie electrică. Aceasta
este instalată în vârful unui stâ lp.
Controller -ul hibrid este cel c e comanda acumulatorii, îi încarcă și descarcă în siguranță .
Acumulatorii înmagazinează energie produsă pentru a fi consumată ulterior. Poate fi o
singură baterie sau mai multe conectate împreună. Alegerea capacităț ii acumulatorii este o
decizie foarte imp ortanta deoarece aceștia trebuie să as igure furnizarea constantă de electricitate.
Invertorul transformă curentul continuu de la panouri î n curent alternativ .
Consumatori: aparatele electrice din clădire alimentate la invertor (CA) sau la
acumulatori (CC).
Sistemele hibride fotovoltaice ș i eoliene sunt acele sisteme de producere a energiei
electrice d in surse regenerabile care funcționează atât cu panouri fotovoltaice, cât ș i cu ajutorul
unei turbine eoliene. [20]
Astfel d e sisteme hibride fotovol taice ș i eoliene sunt recomandate pentru asigurarea
necesarului electric dintr -o unita te de cazare turistica, locuință, pensiune, școala sau unitate
medicală .
Figura 4.2 Conectarea sistemului hibrid [24 ]
44
Sistemele hibride fotovoltaice ș i eoliene includ, de asemen ea, invertoare, regulatoare de
încărcare ș i acumulatori solari pentru stocarea energiei electrice produse peste necesarul de
consum.
Sistemele hibride fotovoltaice ș i eoliene sunt ideale pentru a fi fo losite și la sistemel e de
irigaț ii ale terenurilor agricole. [20]
Ținând cont de toate aceste informații s -a ales un sistem hibrid de 5 kW ( eoliana 2 kW și
fotovoltaic 3 kW).
Descriere sistem hibrid:
1. Turbina eoliană este cu ax orizontal 2 kW, cu 3 pa le cu diametrul de 3,8 m.
Generator trifazic cu magneți permanenț i cu Neobiu – debitează 48 V trifazic.
Pornește la o viteza a vâ ntului de 3 m/s, cu înfrânare până la oprire în funcție de setă rile
controlerului MPPT la viteza vâ ntului mai mare de 15 m/s.
2. Controlerul eolian MPPT -TGWS
Rectifică curentul produs de generatorul eolian de la 48 V trifazic la 48 V DC.
Concomitent controlează în limite foarte stricte încă rcarea acumulatorilor, prevenind
suprasarcinile.
La v iteze mai mari de 15 m/s, sau când tensiunea î n acumulatori ajun ge la valoarea
setată, sau câ nd intensitatea c urentului atinge valoarea setată, controlerul înfrânează turbina
pentru a evita supraturarea, prin descă rcarea surplusului de energie la un grup de rezistențe
interne, cu răcire forțată.
Afișează pe un dis play LCD informații despre starea bateriilor, încărcarea lor cât
și funcț iile de stare. [21]
Permite setarea valorii de încă rcare, chiar de la tensiunea de 15 V produsă de generatorul
eolian .
3. Acumulatorii sunt de tip staț ionar GEL – solar (pentru aplicații î n solar și eolian) cu gel, deep
cycle și capacitatea de 200 Ah, 12V.
4. Panourile fotovoltaice sunt de tip policristalin cu P pic=250 W cu dimensiunile: 980 x 1760
mm, cu 6 diode by -pass, de protecție (rol: împiedică descă rcarea acumulatorilor pe timp de
noapte) .
5. Controller solar 3 KW ( 60 A -TGSM ) tehnologie MPPT (ultima generație) cu afiș aj pe
display LCD (tensiune panouri, curent panouri, încărcare bate rii).
45
6. Invertor sinusoidă pură WB. Transformă tensiunea de 48 V DC din acumulatori în tensiune
alternativă sinusoidă pură 220 V AC/50 Hz. Opț ional: ATS ( switch automat de cuplare la rețea)
în cazul epuiză rii energiei din acumulatori .
7. Stâ lp din OL d140 mm x 4.5m din 2 =tronsoane cu flanș e. Ancoraje din sufa multifilara de
otel 8 mm; blocuri beton pentru ancoraje .
8. Cadru panouri :
– din cornier laminat 50×5 0 si Tv. rectangulara 50x50x2 (sau Al pentru montaj pe șarpantă ).
9. Cabluri : Cupru lițat cu secțiu nea de 6, 10 și 16 mmp; papuci ș i conectori . [21]
Sistemul s -a dovedit, în ultimii 2 ani, a fi soluția optimă de alimentare a unei gospodarii.
Componență sistem:
1. Turbina eoliana 2/2,5 KW / 48 V DC .
2. Controler g enerator eolian 48 V AC trif./48 V DC.
3. Banc acumulatori specializaț i GEL, 2 x 4 buc 12 V/200 A .
4. Panouri fotovoltaice SUNRY: 12 buc x 250 W .
5. Contro ler solar MPPT TGSM 48V/60 A .
6. Invertor WB 4 KW – 48 V DC/220 V AC/50Hz sinus pur .
7. Stâlp 9 m cu ancoraje ș i blocuri de ancorare .
8. Structura cadru panouri 3 b uc. de 8 mp. (4×2 m).
9. Cabluri ș i conexiuni electrice . [21]
Figura 4.3 Componență sistem [25]
46
4.3 Durata de amortizare a instalațiilor solare și eoliene
În acest subcapitol se prezintă algoritmul de calcul al perioadei de amortizare a costu rilor
de producție în funcție de consumul anual al unei locuințe.
Stabilirea duratei de amortizare a instalațiilor solare și eoliene pentru alimentarea unei
locuințe izolate cu un consum mediu zilnic de E zi= 5.19 kWh/zi și puterea maximă P max=2 kW
din zona II de radiație solară .
Calculul pentru instalația fotovoltaică:
Se pleacă de la necesarul de consum de energie electrică a unei microlocații E zi.
Se ia în considerare iluminarea energetică medie anuală corespunzătoare zonei II,
Es=1300 kWh/m2.
S-au al es panouri de tip fotovoltaic 250 W model SUNRY având randamentul de 16 %,
Pmod =250 W și costul unui modul (preț = 230 EUR).
Se calculează suprafața maximă a sistemului fotovoltaic:
𝑆𝑚=365∙𝐸𝑧𝑖
𝐸𝑠∙𝜂=365∙5,19 𝑘𝑊ℎ
1300 𝑘𝑊ℎ/𝑚2∙0,16=1894 ,35
208=9,10 𝑚2.
Se calculează numărul de module:
𝑁=𝑆𝑚
𝑆𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙=𝑆𝑚
𝑁𝑐𝑒𝑙∙𝑆𝑐𝑒𝑙=9,10
6∙12∙156∙156∙10−6=5,20. Număr module = 6.
𝑆𝑐𝑒𝑙 – Suprafața unei celu le fotovoltaice monocristaline = 156 x 156 x 10-6
𝑁𝑐𝑒𝑙 – numărul de celule al unui panou= 6 x 12
Suprafața sistemului voltaic format:
𝑆𝑠𝑖𝑠 𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑡=𝑆𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙 ∙𝑁=6∙12∙156∙156∙10−6∙6=105 ,13 𝑚2.
Se calculează puterea sistemului fotovoltaic: 𝑃=𝑁∙𝑃𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙=6∙250 =1500 𝑊,
Se alege o baterie de acumulatori: 𝑈𝑏𝑎𝑡=12 𝑉, 𝐶𝑎𝑝=200 𝐴ℎ.
Se calculează numărul de baterii cu formula:
𝑁𝑏𝑎𝑡=𝑛𝑧𝑖𝑙𝑒=𝐸𝑧𝑖
𝑈𝑏𝑎𝑡∙𝐶𝑎𝑝=1∙5190 𝑊ℎ
12 𝑉∙200 𝐴ℎ=2.16, 𝑁𝑏𝑎𝑡=3,
unde: 𝑛𝑧𝑖𝑙𝑒 este numărul de zile de autonomie (fără soare).
47
Regulator de încărcare (preț = 60,6 EUR ) se utilizează în sisteme fotovoltaice,
coordonând funcțiile panourilor fotovoltaice, a bateriilor și sarcinilor. Regulatorul conține câteva
funcții de protecție, astfel încât întreg sistemul să opereze eficient ș i sigur .
Acest tip de controler de încărcare poate fi folosit împreună cu toate tipurile de panouri
fotovoltaice și diferite tipuri de baterii. Unitatea de control a acestuia generează un factor de
umplere variabil 0 -100%, rezultând o încărcare eficientă a bateriei. [22]
Componenta energetic ă de depozitare a sistemelor de a limentare cu energie alternativă este
bancul de baterii fără întreținere și de mare capacitate, fabricate după tehnologii cu GEL sau
AGM. Acestea asigura o eficacitate ridicată permanentă și conservă capacitățile funcț ionale pe
parcursul întregului ciclu de viață. Sist emele bazate pe tehnologii AGM ș i GE L au proprietăți
speciale, care sunt foarte importate pentru a asigura o locuință cu energie din surse regenerabile.
Bateriile Sunlight AGM sunt baterii acide cu plumb reîncărcabile cu valva regulatoare
VRLA care utilizează plă ci de mare densitate ș i separator din fibra de stic lă (AGM) ce re duce
evaporarea electrolitului ș i asigură o funcț ionare excelentă î n diverse medii ( preț = 256
EUR/buc. ). [22]
Se alege un invertor VICTRONICS de 3000 VA (preț = 1910 EUR ) în funcție de puterea
maximă 2 kW a unui consumator alimentat de instalație.
Special conceput p entru preluarea energiei produs ă de către panourile solare și încărcarea
bateriei pentru înmagazinarea acesteia invertorul de tensiune cu funcție de UPS, TN 3000 este un
puternic instrume nt de transformare a energiei solare și redistribuire in locuința. Invertorul TN
3000 este special conceput pentru acest procedeu de transformare a energiei solare înglobând
multiple funcții și protecții cu timp de răspuns ultrarapid ș i eficient scăzâ nd în acest fel rata
deterioră rii în timp ale electronicelor folosite prin intermediul unui invertor clasic. [22]
Caracteristici tehnice:
– Tensiune i ntrare: 10 – 15V DC ;
– Tensiune ieș ire: 110 V AC ;
– Frecvenț a: 60 Hz;
– Putere constantă : 3000 W;
– Vârfu ri putere: 6000 W;
– Randament eficiență : 91% ;
– Temperatura de lucru: 50+/ – 50C. [22]
48
Costul total este:
𝐶=𝐶𝑃𝑉+𝐶𝑅𝐸𝐺+𝐶𝑏𝑎𝑡+𝐶𝑖𝑛𝑣+𝐶𝑎𝑢𝑥+𝐶𝑚𝑎𝑛𝑜𝑝
𝐶=6∙230 +60,6+3∙256 +1910 +250 +100 =4408 𝐸𝑈𝑅.
Amortizare a instalației se face în:
𝑁𝑎𝑛𝑖=𝐶
𝐸𝑠∙𝜂∙𝑆𝑚∙𝑐=4408 𝐸𝑈𝑅
1300 𝑘𝑊ℎ/𝑚2∙0,16∙105 ,13 𝑚2∙0,14 𝐸𝑢𝑟/𝑘𝑊ℎ=1,4 ani
𝐍𝐚𝐧𝐢 ≈𝟏 𝐚𝐧 ș𝐢 𝟒 𝐥𝐮𝐧𝐢
Calculul pentru instalația eoliană:
Viteza medie multianuală este o caracteristică principală și globală a unui amplasament
aeroenergetic. În figura 1.7 din subcapitolul 1.3 este reprezentată harta vântului pentru România,
ce se referă la vitezele medii multianuale în spațiul la care se face referire, viteza medie anuală
fiind de 4,5 – 5 m/s , iar puterea medie dezvoltată de vânt este 100 – 150 W/m2.
Știind că E an=1498 kWh este energia produsă în me die de o turbină eoliană de 1 kW pe
timp de un an la o viteză medie a vântului de 5 m/s, pentru locuință este necesara o singură
turbină cu puterea de 2 kW , deoarece energia consumată în decursul unei zile este de 5,19
kWh/zi , iar pe p arcursul unui an se consumă 1894,35 kWh. [22]
Încadrarea captatoarelor eoliene în graficul de variație a puterii furnizate în fu ncție de
viteza vântului , necesită dotarea acestora cu mijloace de control a puterii transmisă de la rotorul
eolian la generatorul electric.
Pentru captatoarele de mare putere, echipate cu rotoare elice, viteza minimă a vântului
(viteza de demarare) este de 5-6 m/s, viteza nominală este de cca. 12 -13 m/s, iar viteza maximă a
vântului este de 20 -25 m/s.
Pentru obținerea maximului de putere posibil pentru viteze ale vântului mai mici decât
viteza nominală, ca și limitarea puterii în cazul depășirii vitezei nominale, controlul puterii se
realizează prin două procedee: modificarea pasului elicei și utilizarea fenomenului de blocare
(stall). [22]
49
Se aleg turbine de tip WFD2KW cu următorii parametrii: [23]
Tabelul 4.2 Parametrii turbinei eoli ene
Model WFD2KW
Putere nominală 2 kW la viteza vântului 11 m/s
Putere maximă 2.5 k W
Opțiuni de tensiune 48 V, 96 V, 120 V, 240 V
Viteza vântului 3 m/s
Viteza nominală a vântului 11 m/s
Viteza vântului de supraviețuire 40 m/s
Viteza de tăiere a vânt ului 13 m/sec
Kilowați pe lună 324 kWh/lună /medie 5.4 m/s
Protecție la viteză superioară Încărcare automată și încărcare cu încărcătură
Cutie de viteze Nici unul, unitate directă
Interval de temperatură -30°C ~ 60°C
Diametrul rotorului 3.2 m
Suprafa ța de zăpadă 11.33 m2
Viteza rotorului la putere de 2,5 kW 450 rpm
Numărul de pale 3
Materialul palelor Fibra din sticlă armată
Forța maximă laterală 760 Newton
Generator Magnet permanent de neodim
Zgomot Maxim 5 -8 dBA deasupra fundalului
Greutate m aximă (kg) 140
În tabelul 4.3 se prezintă costul instalației eoliene cu o singură turbină. [22]
Tabelul 4.3 Costul instalației eoliene
Generator de vânt 460 $
Accesorii (opțional) 60 $
Încărcătorul 110$
Sârmă turnată de 6 m 110 $
invertor de rețea 130 $
2 baterii 900 $
Instalare 200 $
Total 1970 $
Amortizarea investiției în cazul vitezei medii anuale a vântului de 5 m/s este:
𝑁𝑎𝑛𝑖=𝐶
𝐸𝑎𝑛∙𝑐=1∙1970 $
1894 ,35 𝑘𝑊ℎ∙0,2$/kWh=5,2 ani. 𝐍𝐚𝐧𝐢≈𝟓 𝐚𝐧𝐢 ș𝐢 𝟐 𝐥𝐮𝐧𝐢
50
CONCLUZII
Această lucrare de disertație a avut în vedere aspecte legate de conversia energiei solare
și eoliene în vederea alimentării unui consumator izolat.
Interesul pentru sursele de energie regenerabilă a fost accentuat odată cu schimbările
climatice și cu epuizarea resurselor de combustibili fosili. O direcție importantă de cercetare și
dezvoltare pe plan global o constituie conversia fotovoltaică. Pentru aceasta se folosesc sisteme
speciale de orientar e a panourilor fotovoltaice și elemente optice speciale pentru concentrarea
radiației solare pe suprafața fotovoltaică. Mărirea gradului de utilizare a radiației solare
disponibile conduce la optimizarea eficienței conversiei fotovoltaice.
O altă direcție importantă de cercetare și de dezvol tare o constituie energia eoliană care
s-a dovedit a fi o soluție foarte bună la problema energetică globală. Această utilizare a
resurselor regenerabile nu se adresează numai producerii de energie, dar, pr in modul de generare
particular, se reformulează și modul de dezvoltare, prin descentralizarea surselor. Dintre formele
de energie care se pretează aplicațiilor la scară redusă se numără energia eoliană.
Potențialul solar la nivelul României es te substanțial împărțindu -se în V zone în funcție
de radiația solară. Nivelul intensității radiației solare ajungând la valori mai mari de 1350
kWh/m2/an, cea mai mică valoare fiind de 1200 kWh/m2/an.
Potențialul eolian la nivelul României este împărțită în V zone în funcție de condițiile de
mediu și topogeografice , luând în considerare potențialul energetic al resurselor de acest tip la
înălțimea de 50 m. Se apreciază că potențialul energetic anual al vânturilor în România se
cifrează în jurul valorii de 23 TWh.
Celule fotovoltaice sunt realizate din siliciu cu puritatea de 98%, existând mai multe
tipuri uzuale. Celule cu siliciu monocristalin cu un randament foarte bun, celule cu siliciu
policristalin folosite la nivel industrial și au un raport calitate -preț foarte bun și celule cu siliciu
în stare amorfă cu un randament bun în cazul unei iluminării slabe. Celule tandem unde costul de
producție este mai ridicat. Celule cu film subțire sunt des utilizate și din această categorie fa c
parte celulele CdTe, CIGS și GaAs.
51
Turbinele eoliene sunt clasificate după mai multe criterii în funcție de orientarea axei:
turbine cu axa verticală și orizontală, după puterea electrică furnizată: de putere redusă (sub 100
kW) și de puter e mare (peste 100 kW), după modul de amplasare a paletelor: în contra și în
direcția vântului, după numărul de palete: cu două și trei palete, după locul de amplasare: terestră
și marină. Cele mai răspândite turbine eoliene sunt cele cu trei palete.
Alimentarea cu energie electrică și termică a unei locuințe aflată într -o zonă izolată
folosind în exclusivitate surse regenerabile de energie poate constitui o soluție fezabilă tehnic și
economic în condițiile în care această locuință se află amplasa tă într -o zonă cu un potențial solar
și eolian bun. În acest sens s -a estimat consumul în funcție de consumatorii electrici utilizați și a
rezultat un consum de 155.70 kW h/lună. Alegerea sistemului s -a făcut ținând cont de acest
consum și astf el s-a ales s istemul hibrid de 5 kW alcătuit dint -o celulă fotovoltaică de 3 kW și o
turbină eoliană de 2 kW. În concluzie, amortizarea acestui sistem hibrid se face între 1 – 5 ani
dacă se ține cont d e puterea sistemului hibrid și de prețul acestora .
Principa lele avantaje ale utilizării panourilor fotovoltaice care se desprind din această
lucrare sunt:
– nu contaminează mediul, investiție cu funcționare îndelungată, durabilitate îndelungată, costuri
zero cât timp este soare indiferent de anotimp, durata de via ță este de circa 25 de ani;
– consum foarte redus de energie pentru încălzire și, prin urmare, scăderea cheltuielilor;
– emisii reduse de noxe, asigurând protecția mediului înconjurător;
Principalele avantaje ale utilizării turbinelor eoliene care se desprind din această lucrare
sunt:
– emisia zero de substanțe poluante și gaze cu efect de seră;
– nu se produc deșeuri;
– costuri reduse pe unitate de energie produsă;
– energia eoliană este disponibilă pe toată suprafața pământului;
– nu emit sub stanțe nocive în timpul funcționării.
Concluziile și rezultatele obținute în c adrul acestei lucrări de disertație recomandă
utilizarea energiilor regenerabile , și implicit, continuarea cercetării și dezvoltării acestora.
52
BIBLIOGRAFIE
[1] Ener gii regenerabile, http://climatherm.ro/energii -regenerabile/
[2] Energia solară, http://www.academia.edu/7515791/Energia_Solara_Proiect_DD
[3] Harta solară a României, http://www.ecoenergo.ro/harta_s olara_a_romaniei.html
[4] Avantaje si dezavantaje ale energiei solare, http://beauty.oja.ro/ecologie/avantaje -si-dezavantaje –
ale-energiei -solare.html
[5] Energia eoliană, http://ames.ro/energia -eoliana/
[6] Harta potențialului energetic eolian din România, http://free -energy -monitor.com/index.
php/energy/harta_potential_eolian
[7] Sisteme de energii regenerabile , http://isb.pub.ro/docs/Energii_regenerabile.pdf
[8] Sisteme fotovoltaice, http://mircea gogu.ro/pdf/Curs%20Conversia%20neconvențională %
20a%20energiei%20 electrice/sisteme_fotovoltaice.pdf
[9] Studiul structurii unui sistem fotovoltaic, https://suleacosti.files.wordpress.com/…/ l8-studiul –
structurii -unui-sistem -fotovoltaic
[10] Creșterea productivității energetice a panourilor fotovolta ice, http://instal.ut cb.ro /site/teza_
doctorat_Ionuț _Căluianu.pdf
[11] Modul de funcționare a instalațiilor fotovoltaice , http://www.energieverde.go.ro
/functionare .html
[12] Componentele unui sistem fotoelectric, http://ie.ucv.ro/elee/ro/realisations/Energies
Renouvelables/FiliereSolaire/PanneauxPhotovoltaiques/Principes/ Composants.htm#regulateurs
[13] Clasificarea turbinelor eoliene, http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/6_2.pdf
[14] Energia eoliană, itee.elth.pub.ro/~rizeamar/ENERGIA%20EOLIANA.doc
[15] Conversia energiei eoliene în energie electrică , http://www.termo.utcluj.ro/regenerabile/
6_1.pdf
[16] Energia eoliană , http://informatiitehnice.com/tehnologia -energiei/energia -eoliana/
[17] Principii de funcționare ș i realizare a centralelor eoliene , http://www.scritub.com/tehnica –
mecanica/PRINCIPII -DE-FUNCTIONARE -SI-RE244231 4312.php
53
[18] Estimare costu ri sistem complet – energie electrică , http://www.sistemeeco.ro/calcul_
180kw_luna.html
[19] Sisteme hibride eoliene -solare, http://scheme -electrice.com/sisteme -hibride -eoliene -solare/
[20] Sisteme hibrid, http://productie -eoliene.ro/service/sisteme -hibrid /
[21] Sistem hibrid 5kW, https://e -panouri.eu/product/sistem -hibrid -5kw/
[22] Eficienț a energiilor regenerabile comparaț ii, http://asociatiaprofesorilor.ro/docs/articole%20
revista/2014/eficienta%20energiilor%20re gene rabile%20comparatii.pdf
[23] 2 KW Off Grid Wind Generator , http://www.yueniao.com/WFD2KW.html
[24] Sistem turbina eoliana – energie electrica produsa ecologic, https://www.bizoo.ro/firma/
ecovolt/vanzare/996558/sistem -turbina -eoliana -energie -electrica -produsă -ecologic
[25] Sistem eolian – fotovoltaic , http://www.clubafaceri.ro/24540/sistem -eolian –fotovoltaic –
44%2C5 -kwh_zi -1656110.html
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Specializarea: Inginerie Electrică Aplicată în Protecția și Managementul Mediului [608688] (ID: 608688)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.