Utilizarea Sistemelor de Stocare a Energiei Prin Pomparea Apei Pentru Energie Eoliana

Introducere

Trăim într-o epocă de schimbări rapide și accelerate. În lumea de azi, totul este în transformare continuă. Noile tehnologii ne transformă felul de a trăi, de la calculatorul personal la telefonul mobil, la Internet, la frigiderul fără condens, la serviciile prin satelit ș.a.m.d. În deceniile anterioare, sistemele energetice au fost modelate de un anumit tip de forțe tehnologice, politice, economice etc., care modelează lumea de astăzi în modurile cunoscute. Nu putem să nu amintim aici, în prezentarea considerațiilor privind restricțiile prezente și viitoare în dezvoltarea energeticii, aspectele legate de pericolul grav de supraîncălzire a biosferei.

Creșterea consumului mondial de energie electrică, ce era la sfârșitul secolului trecut de cca. 7% pe an, va deveni în următoarele decenii de nesuportat. Căldura disipată în mediul ambiant pentru fiecare kWh de energie electrică produsă este de cca. 2,5 kWh energie termică. Această cantitate de căldură traversează biosfera (hidrosfera și atmosfera) și, parțial, este radiată în rezervorul infinit al spațiului, dar căldura disipată poate deveni o sarcină termică greu de suportat pentru biosferă. Este de așteptat ca, și în energetică, să apară același tip de salturi tehnologice ca cele din electronică, telecomunicații, biotehnologii și alte domenii. Realizări recente în domeniul așa-ziselor „energii reînnoibile” transformă energia solară și energia eoliană în opțiuni viabile din punct de vedere economic.

Energia electrică este un produs invizibil, omniprezent disponibil și în cele mai multe cazuri, la un preț redus. În prezent, consumul de energie este estimat undeva la 12 % din toată energia prelucrată de umanitate, însă, în următorii ani, va avea loc o creștere semnificativă estimată la 34 %, în contextul în care combustibilii fosili se diminuează pe zi ce trece, lăsând loc producerii de energie regenerabilă.

Nanotehnologia oferă, pentru prima dată, instrumentele necesare pentru a dezvolta noi industrii bazate pe costuri eficiente și rentabile economic, astfel contribuind serios la o creștere economică durabilă.

Dată fiind situația actuală la nivel global privind epuizarea combustibililor fosili corelată cu creșterea alarmantă a nivelului de poluare, încercăm să promovăm producearea energiei electrice din surse regenerabile, cât și stocarea energiei tot prin alternative „curate”. Lumea secolului XXI se confruntă cu o situație tot mai acută cu efecte ireversibile asupra planetei pe plan fizic, ecologic, social si economic. Aceasta este cauzată de setea de energie existentă la nivel gobal, corelată cu creșterea nivelului de poluare, precum și preconizarea epuizării resurselor de combustibili fosili. În acest context sunt promovate tot mai intens sursele regenerabile de energie. Pe plan mondial și național sunt dezvoltate strategii în scopul creșterii ratei de producere a energiei din aceste surse.

www.iee.tugraz.at

Figura nr.1: Planificare, proiectare și monitorizare asupra construcților din Europa Continentală

Referitor la România, 38% din energie ar trebui să fie produsă din surse „verzi” până în anul 2020. Bruxelles-ul a stabilit pentru țara noastră ținte intermediare, iar daca România eșuează în atingerea a două asemenea ținte consecutiv, strategia națională va trebui revizuită. Această conjuctură a favorizat creșterea nivelului de producere a energiei eoliene. Datele privind situația implementării sistemelor de producere a energiei electrice din surse regenerabile în România până în anul 2010 era în concordanță cu cerințele impuse, astfel 20,2 TWh din energia electrică provenea din surse regenerabile, 74% din energie era produsă prin hidrocentrale, 22% era energie provenită din resursele eoliene, 4% din biomasă și un procent foarte mic provenea din energie solară.

http://beta.anre.ro/

Figura nr. 2 :Structura de producție a sistemului energetic național pe tipuri de resurse

Energia eoliană este o sursă de energie inepuizabilă și nu este poluantă, iar în unele zone este „abundentă”, acest lucru fiind fructificat cu precădere în țări ca Danemarca, unde, din consumul anual de energie electrică, 15% provine din conversia energiei eoliene. Progresele recente care au fost realizate pentru obținerea acestui tip de energie au condus la costuri reduse (0,05 US dolar / kWh), comparabile cu cele ale unei termocentrale, dar cu o eficiență mult mai mare.

Prețul energiei electrice produse de o turbină de vânt a scăzut în ultimii 20 de ani cu 90%. Turbinele de vânt de ultimă generație au o eficiență de până la 98%, pentru un coeficient de putere al turbinei de 35–45%.

Stocarea eficientă a energiei devine unul dintre cele mai spectaculoase și sensibile domenii de activitate și inițiativă, dezvoltarea procedeelor, echipamentelor și tehnologiilor de conversie și stocare fiind o condiție exclusivă pentru utilizarea competitivă a tuturor surselor reînnoibile de energie (solară, eoliană, maree etc.).

Necesitatea conceperii și realizării unor noi sisteme performante pentru „stocarea energiei” este impusă de discrepanța evidentă dintre momentul și locul producerii energiei și momentul și locul consumării acesteia. În țările în care încălzirea electrică este larg răspândită, solicitarea centralelor electrice în timpul iernii este de două ori mai mare decât vara, iar în țări cu clima toridă, unde climatizarea este utilizată frecvent, vârful de consum înregistrat vara este maxim în cursul unui an.

Este evident că funcționarea centralelor electrice la capacitate mare și constantă depinde de cuplarea acestora la sisteme de stocare.

Există cel puțin câteva motive pentru care este necesar să stocăm energia electrică. Printre altele, pot fi menționate următoarele cauze:

• creșterea cererii de energie electrică în cazul supraproducției,

• generarea rapidă ân cazul unei cereri de vârf rapide,

• optimizarea utilizării surselor de energie regenerabilă primare,

• realizarea postulatului privind compensarea energiei disponibile local.

Dezvoltarea și implementarea a noi dispozitive de stocare a energiei electrice are un impact mare asupra economiei sectorului energiilor regenerabile și eficienței energetice. Principalele motive pentru care sistemele de stocare au un impact pozitiv asupra pieței energiilor curate sunt arătate în figura de mai jos:

În urma studiului amplu realizat din informații recente privind piața energiilor regenerabile din Europa, se poate afirma că, datorită noilor politici adoptate la nivel European, în următoarea perioadă ne vom confrunta cu o avalanșă de investiții pe piața energiilor regenerabile.

Sprijinul sectorului energiilor curate a fost adus la un nivel ridicat în aproape toate statele UE, însă îmbunătățirea eficienței energetice în transport și industrie a fost lăsată în urmă. Investițiile din următorii 10 ani în sectorul energiei vor acoperi însă și creșterea eficienței energetice la nivel mondial și adaptarea sistemelor de transport și distribuție a energiei electrice la noile tehnologii (rețele inteligente).

Deși de-a lungul timpului tehnologiile de energii regenerabile au fost testate și implementate pe scară largă, ele reprezintă în continuare un domeniu de cercetare deschis iar unele dintre dezavantajele acestor tehnologii, precum cele care apar în rețelele locale și izolate, pot fi evitate prin utilizarea sistemelor de stocare a energiei.

Cele mai importante beneficii aduse de sistemele de stocare a energiei sunt reprezentate de îmbunătățirea flexibilității pentru operatorii de rețea, pot crește securitatea energetică națională și reduce impactul negativ asupra mediului.

Clasificarea sistemelor de stocare a energiei electrice

Sistemele de stocare a energiei electrice se clasifică în două mari categorii:

Sistemele de stocare pe termen scurt a energiei electrice;

Sistemele de stocare pe termen lung a energiei electrice.

Clasificarea sistemelor de stocare este prezentată în figura de mai jos:

Figura nr. 3:Clasificarea sistemelor de stocare a energiei electrice

Sistemele de stocare a energiei electrice pe termen lung

Stocarea hidro a energiei electrice (Pumped hydro storage -PHS)

Stocarea termică (Thermal energy storage -TES)

Stocarea prin comprimarea aerului (Compressed air energy storage – CAES)

Stocarea cu aer comprimat la scară mică (Small-scale compressed air energy storage -SSCAES)

Stocarea energiei folosind bateriile (FBES)

Stocarea energiei în celule de combustie cu hidrogen (Fuel cells – Hydrogen energy storage, FC-HES)

Stocarea chimică (Chemical storage – CS)

Sistem dinamic de stocare a energiei. Volantul

Sistemele de stocare pe termen scurt

Supercondensatorii

Stocarea energiei în supraconductoare magnetice (Superconducting magnetic energy storage, SMES)

Supercondensatorii

În urma numeroaselor sale avantaje, supercondensatorul constituie practic o provocare pentru bateriile electrochimice. În aplicațiile care utilizează bateriile, un supercondensator în paralel cu o baterie, conduce la îmbunătățirea performanțelor în funcționare. Pornirea motoarelor cu combustie internă la temperaturi scăzute este ușurată de utilizarea supercondensatorilor. La autovehiculele electrice hibride eficiența utilizării energiei crește prin utilizarea de supercondensatori care recuperează energia din timpul frânării. În sistemele electrice de putere bazate pe surse regenerabile cum ar fi energia fotovoltaică sau eoliană, utilizarea supercondensatorilor este benefică. Practic, supercondensatorii pot satisface vârfurile de putere, pe care bateriile nu le pot genera, atunci când e nevoie [TEH].

Câteva dintre aplicațiile supercondensatorilor sunt:

Compensarea căderilor de tensiune pentru rețele de distribuție slabe

Păstrarea energiei pentru ascensoare

Alimentări neîntrerupte cu energie

Automobilul electric

http://www.zacksprotos.it/condensatori.htm

Figura nr. 4: Supercondensatori

Supercondensatorii sunt folosiți cu succes în aplicații de putere precum soluții de back-up pentru rețelele electrice locale și izolate, ca surse portabile de energie datorită dimensiunilor reduse, în industria automobilelor electrice și hibride datorită funcționării într-un interval larg de temperatură etc.

Stocarea energiei prin comprimarea aerului

Stocarea energiei sub forma energiei potențiale a aerului comprimat se bazează pe utilizarea

energiei din perioadele de alimentare în exces pentru a comprima aerul într-o cavitate subterană. Aerul comprimat, ca mediu energetic, este extrem de flexibil dar nu tocmai ieftin. Folosirea acestuia este rentabilă doar dacă echipamentele pentru producție, tratament și distribuție sunt perfect armonizate între ele.

http://webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2011/rom/ForcosAndreea.pdf

Figura nr. 5: Stocarea energiei eoliene în energia potențială a aerului comprimat

Aplicațiile energiei eoliene

Cantitatea de energie electrică produsă de o instalație eoliană depinde de tipul și de dimensiunile turbinei și de amplasamentul instalației. Figura .. prezintă curba caracteristică ce reprezintă puterea tipică la ieșire în raport cu viteza vântului. La viteze joase nu se produce energie electrică. De la aproximativ 3 m/s în sus turbina funcționează și la aproximativ 12-13 m/s turbina furnizează puterea maximă. La o viteză a vântului de peste 25 m/s turbinele au fost proiectate ca să se blocheze într-un mod controlat pentru a se evita supraîncărcarea și avarierea instalației turbinei sau a construcției. Ultimele realizări sunt echipate cu dispozitiv de control al unghiului de înclinare care modifică unghiul palei rotorului în condiții de vreme nefavorabile. Rezultatul constă în faptul că puterea poate fi generată chiar în condiții de vreme rea. În timpul furtunilor puternice este totuși necesar să se blocheze turbina.

O turbină medie amplasată ideal poate produce o energie electrică de cca 850 kWh pe metru pătrat de arie a rotorului. O altă regulă simplă pentru estimarea energiei eoliene produsă de o turbină eoliană este aceea că, pe un amplasament mediu eolian, energia la ieșire este echivalentă cu cea produsă în cca 2000 de ore de sarcină plină, iar în zonele cu vânt intens cca. 3000 de ore. De exemplu, o turbină eoliană produce 3•106 kWh, ceea ce corespunde unei puteri de 1500 kW pentru 2000 ore de funcționare.

http://www.sier.ro/Articolul_8_3_2.pdf

Figura nr.6 : Caracteristicile tipice ale turbinei; puterea la ieșire în funcție de viteza vântului.

Stocarea energiei sub forma energiei chimice

Stocarea energiei sub forma energiei chimice are loc în bateriile electrochimice și reprezintă cea mai răspândită formă de stocare a energiei electrice. Plaja de putere a acestor sisteme este foarte întinsă (de la câțiva W până la câțiva MW).

Stocarea energiei în sisteme inerțiale cu roată volantă

Sistemele inerțiale cu roată volantă servesc la nivelarea puterii de intrare și de ieșire a unui

dispozitiv mecanic de rotire (o turbină). Sunt dispozitive de stocare în care se stochează energie cinetică prin accelerarea foarte rapidă a unui rotor, ideale pentru utilizarea în cazul rețelelor mici sau nelegate la sistemul național pentru netezirea vânturilor intermitente de energie produsă. Timpul de stocare este scurt.

Capitolul 2

Stocarea energiei electrice prin pomparea apei

Energia electrică provenită din surse regenerabile (eoliană, solară, energia valurilor, etc.) are un mare dezavantaj : nu poate fi stocată. Ea trebuie consumată atunci când este produsă. Și cum vântul nu bate când vrem noi, soarele nu arde când vrem noi, valurile nu sunt înalte când vrem noi.

Stocarea energiei electrice în energia potențială a apei constă în utilizarea surplusului de energie al surselor intermitente pentru pomparea apei dintr-un bazin inferior într-unul superior. Când este nevoie de energie, de exemplu în perioadele de vârf de sarcină, apa este eliberată și are loc producere de energie pe cale hidroelectrică

Centralele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj reprezintă o metodă de stocare a energiei electrice pe perioadele de consum redus (de gol de sarcină) ce apar în general pe timpul nopții. O astfel de centrală hidroelectrică poate fi comparată cu o baterie ce poate acumula cantități uriașe de energie (de ordinul GWh).

Energia hidrolelectrică – cea mai ieftină formă de energie regenerabilă –  este o altă formă a energiei solare. Soarele încălzește Pământul, apa se evaporă, vaporii de apă se ridică acumulând energie potențială formând nori ce condensează în munți -> precipitații. Acestea sunt strânse în lacuri de acumulare – energie potențială – care se transformă în energie electrică atunci când este nevoie prin intermediul turbinelor din hidrocentrale.

https://online.tugraz.at

Figura nr.7:Stocarea energiei electrice prin pomparea apei

Stocarea energiei electrice de orice natură prin pompare apei este cel mai ieftin tip de stocare disponibil. De asemenea, acest tip de stocare poate contribui la maximizarea eficienței economice a sistemului energetic. Durata de viață este lungă. O centrală hidroelectrică poate funcționa și până la 50 de ani. La intervale lungi de timp necesită operațiuni mai ample de mentenanță. Cantitatea de energie stocată este mare, aceasta fiind limitată de două aspecte. În primul rând de capabilitatea fizică a echipamentelor este cea care limitează capacitatea de stocare. Al doilea aspect care influențează acest paramentru al unei centrale de stocare a energiei prin pomparea apei este modul în care energia stocată este manageriată pentru acoperirea cererii de energie. Timpul de răspuns este scurt. Acesta poate fi de ordinul minutelor chiar și în situația în care centrala este oprită.

Fezabilitatea și costul depind de amplasamentul geografic al sistemului, deoarece este necesară o cantitate mare de apă și/sau este necesară o separare verticală între stocare și rezervorul de descărcare. Structura fizică a sistemului de stocare poate fi construită de la zero, caz în care costurile inițiale se ridică foarte mult, sau poate fi consolidată pe baza resurselor existente sau se poate „profita” de condițiile naturale. Astfel, în unele cazuri separarea între bazine a fost consolidată în subteran, unde pot fi folosite minele inundate sau alte cavități. Marea, lacurile sau râurile pot fi folosite ca un rezervor de înălțime inferioară. Unele baraje mari ale centralelor hidroelectrice au capacitate de stocare și pot fi utilizate pentru pompare hidro. De altfel, orice poate ține apa și se află la înălțime mai mică decât bazinul superior poate fi considerat bazin inferior. De asemenea, se caută soluții pentru realizarea bazinului superior cu costuri cât mai reduse, prin utilizarea unor lacuri naturale sau a unor văi care necesită baraje de dimensiuni reduse.

O centrală de stocare a energiei electrice prin pomparea apei va avea un randament mai ridicat și un preț de cost mai mic dacă este asigurată o înălțime ridicată între cele două bazine de apă. Aceasta va permite stocarea unei cantități mari de energie într-un volum mic de apă, ceea ce înseamnă pompe și turbine mai mici, cost de construcție al bazinului superior mai mic și per total se reduce capitalul de cost.

Clasificarea centralelor de stocare a energiei electrice prin pomparea apei

În funcție de tipul centralei de stocare a energiei prin pomaparea apei, acestea sunt de mai multe tipuri, după cum urmează:

Centrale convenționale:

La aceste tipuri de centrale ambele rezervoare de apă sunt situate la suprafață. Fie unul dintre rezervoare poate fi realizat printr-un baraj într-o vale, amenajare artificială, fie poate fi o amenajare naturală, lac, mare sau ocean sau o combinație a acestora. Casa centralei și conductele pot fi supraterane sau subterane. Distanța orizontală dintre bazinul superior și bazinul inferior de obicei este de cel puțin trei ori diferența de nivel dintre cele două rezervoare.

Centrale subterane:

La aceste tipuri de centrale bazinul inferior este subteran, iar bazinul superior este situat la suprafață, în aceeași manieră ca la centralele de stocare convenționale. Casa centralei și conductele sunt construite subteran. În această situație, de obicei, bazinul inferior este situat sub bazinul superior. Distanța orizontală pe care o străbate apa la generare este cu doar câțiva metri mai mare decât diferența de nivel dintre cele două bazine. Aceasta este condiția ideală din punct de vedere al evitării loviturilo de ciocan și a curgerii turbulente prin conducte.

Centralele subterane sunt clasificate în două clase mari, astfel:

Centrale subterane cu un singur etaj, caz în care există o singură cădere verticală. Diferența de nivel poate fi limitată atât de condițiile geologice, cât și de înălțimea la care pot funcționa unitățile reversibile pompă/turbină.

Centrale subterane cu două etaje, caz în care există două căderi verticale. La aceste tipuri de centrale există un rezervor suplimentar între cel superior și cel inferior pentru controlul debitului de la bazinul superior.

În continuare sunt prezentate diferite tipuri de centrale convenționale hidroelectrice cu acumulări realizate prin pompare (CHEAP).

CHEAP utilizeaza energia electrica disponibila in anumite perioade ale zilei sau anului, pentru a pompa apa dintr-un rezervor inferior intr-unul superior, intre care exista o diferenta de nivel, care reprezinta caderea statica a CHEAP. De aici apa este turbinata si se produce din nou energie electrica in perioadele de sarcina maxima a consumului. In acest fel se realizeaza o stocare a energiei electrice, din perioada cand aceasta este disponibila, sub forma de energie potentiala a apei, pentru ca sa o produca din nou in perioadele cand aceasta este dificitara in sistemul energetic.

Solutiile constructive ale CHEAP sunt:

Cu pompare in circuit deschis;

Cu pompare in circuit inchis.

In cazul centralelor CHEAP cu circuit deschis intreaga cantitate de apa trecuta prin turbine este obtinuta prin pompare. Se mai numesc si CHE cu pompaj secundar. Statia de pompare 1 preia apa din primul lac natural si o pompeaza pana in lacul artificial aflat la inaltimea Hp. De aici apa este adusa prin conducta fortata pana la CHE amplasata mai jos cu inaltimea de turbinare Ht. In figura 2.2 se prezinta cazul tipic al unei centrale hidroelectrice cu pompare in circuit deschis, in care 1 reprezinta statia de pompare , 2 – centrala hidroelectrica si 3 – bazinul superior.

La CHEAP cu circuit închis conducta forțată se utilizează atât pentru turbinare cât și pentru pompare, din acest motiv turbinarea și pomparea nu pot funcționa simultan ca la cele cu circuit deschis. În figura 2.3 este reprezentată CHEAP cu pompare în circuit închis, unde 1 reprezintă bazinul inferior, 2 – grupul pompă-turbină împreună cu motor/generator, 3 – bazin superior.

Dacă la CHEAP în circuit deschis se utilizau patru mașini energetice motor,pompă turbină și generator,la CHEAP în circuit închis se poate reduce numărul mașinilor energetice la trei sau chiar la două, având în vedere ca turbina hidraulică poate funcționa și în regim de pompă prin modificarea unghiului paletelor directoare,iar generatorul sincron trece ușor în regim de motor sincron.

Topologii posibile

Integrarea surselor fluctuante de energie regenerabilă în sistemele electrice necesită mijloace adecvate de control pentru a menține funcționarea stabilă și satisfăcătoare a rețelei și în multe cazuri de stocare a energiei suplimentare vor fi necesare pentru a atinge o mare parte din producția anuală de energie electrică din surse nedispecerizabile

Centralele Hidroelectrice cu acumulare prin pompare este principalul tip de energie de stocare care a fost utilizat pe scară largă în sistemele de putere pentru o lungă perioadă de timp, iar turbinele reversibile au devenit disponibile în 1930. Anterior, unitățile de pompare cu stocare de evaluări diferite au fost construite ca principal scop pentru stocarea energiei în vrac și s-au bazat pe mașini tradiționale sincrone pentru operarea cu sarcină constantă în modul de pompare. Deoarece sistemele de alimentare cu pondere ridicată la centralele electrice nucleare și termice care rulează constant au nevoie de un sistem de control crescut.

Viteza variabilă a fost, de asemenea căutată, pentru a îmbunătăți eficiența domeniului de funcționare al puterii acumulate prin pompare, în special în cazul unor variații mai mari de pompare. Dezvoltarea de viteză variabilă la sistemele de stocare prin pompare a fost făcută prin dezvoltarea de semiconductori de mare putere și drive-uri de electronică de putere, și mai multe astfel de unități au fost dezvoltate și puse în funcțiune în ultimele două decenii

Accentul acestor evoluții a fost în principal cu privire la scară largă în gama de putere de până la câteva sute de MW. Cele mai multe cu astfel de unități sunt in Japonia, unde exista un sistem de controlare a energiei stocate ceea ce duce la îmbunătățirea si stabilitatea frecvenței in sistemul de putere. Accentul pus pe cantitățile mari de acumulare prin pompare pentru operarea în sistemele tradiționale de putere interconectate, a influențat tehnologia generatorului și topologiile de elctronică de putere care au fost considerate relevante pentru funcționarea cu turație variabilă.

Pentru a limita pierderile de putere al convertorului electronic, cu turație variabilă, centrale electrice cu acumulare prin pompare au fost construite cu mașini asincrone FED (DFAM). În funcție de viteza necesară a unității, convertorul pentru acestă configurație va fi de obicei în intervalul de 10-30% din puterea totală a mașini. Convertorul din circuitul rotoric a fost de obicei ciclo-convertor cu tiristoare, dar convertoarele back-to-back de tensiune au fost utilizate pentru unele dintre cele mai noi instalații. Ohkawachi centrala din Japonia cu cele mai mari unități de acest tip, care a fost construită până în prezent, cu mașini de 395 MVA, și cu 72 de cycloconverters MW pentru circuitele rotorului. Chiar unități mai mari, cu până la 475 MVA, sunt acum în curs de planificare.

http://www.scritub.com

Figura nr. 8:Convertor static de tensiune si frecvență

http://cdn.intechopen.com/pdfs/9345/InTech-Variable_speed_pumped_storage_hydropower_plants_for_integration_of_wind_power_in_isolated_power_systems.pdf)

Figura nr.9: Configurația mașinii asincrone cu dublă alimentare cu un convertor sursă de tensiune

http://cdn.intechopen.com/pdfs/9345/InTech-Variable_speed_pumped_storage_hydropower_plants_for_integration_of_wind_power_in_isolated_power_systems.pdf)

Figura nr. 10: CSC-convertor

http://cdn.intechopen.com/pdfs/9345/InTech-Variable_speed_pumped_storage_hydropower_plants_for_integration_of_wind_power_in_isolated_power_systems.pdf)

Figura nr.11 :Topologie recomandată pentru funcționarea cu turație variabilă la acumularea prin pompare

Tipuri de turbine utilizate la centralele de stocare a energiei electrice prin pomparea apei

Primele centrale de stocare a energiei electrice prin pomparea apei realizau separat pomparea și turbinarea apei ,dar eceste proiecte implică costuri mai mari.Dezvoltarea grupurilor reversibile de pompare turbinare a fost mai atractivă, atât partea de construcție efectivă a centralei dar și partea de cost.

Cele mai multe grupuri reversibile de pompare turbinare utilizează turbine Francis deoarece acestea se comportă bine atât la pompare cât și la turbinare și pot pompa apa la înălțimi considerabile. Dezavantajul acestor turbine este acela că unghiul palelor este fix, iar un unghi fix nu oferă cel mai bun randament pentru grupurile reversibile. O turbină similară turbinei Francis și Deriaz poate fi utilizată în situații în care diferența de nivel este de până la 700m. În cazurile în care diferența de nivel este mai mare de 700 m este necesar să se utilizeze o turbină de tip Pelton.

Pot fi utilizate și turbine Kalpan,dar pentru situații în care diferența de nivel dintre cele două bazine este mică.

Riscuri privind implementarea centralelor de stocare a energiei electrice prin pomparea apei

Întrucât tehnologia de stocare a energiei electrice prin pomparea apei este similară celei pentru construcția hidrocentralelor, riscurile asociate sunt similare.Acestea sunt geologice,hidrologice și tehnice.

Riscurile geologice depind de site-ul amplasării centralei care trebuie să asigure două bazine și un spațiu pentru casa centralei. Proiectul se simplifică atunci când este posibilă utilizarea unei mări, a unui lac natural sau bazin inferior. Este vital un studiu de fezabilitate amănunțit pentru evaluarea riscurilor geologice. O structură necorespunzătoare a rocii de bază poate pune probleme de construcție ducând la depășiri majore ale costurilor prevăzute inițial. De asemenea trebuie avute în vedere și riscurile seismice.

Riscurile hidrologice sunt mici deoarece stația depinde de o sursă de apă impredictibilă. Scurgeride de apă sau evaporarea pot afecta randamentul global al sistemului de stocare și costurile. Riscurile tehnice sunt minime întrucât tehnologia hidro este bine stabilită și nu duce la apariția unor probleme.

Exemple de centrale de stocare a energiei prin pomparea apei

Toate țările avansate din punct de vedere economic: SUA, Japonia, Germania, etc. au astfel

de centrale cu puteri totale de mii de MW. Ele folosesc căderi mari de apă (mai mari de 200 m) pentru a fi necesare debite mai reduse. Puterea unitară a agregatelor este cuprinsă între 100 și 450 MW. În continuare sunt prezentate unele dintre exemplele semnificative de centrale de stocare prin pomparea apei, de interes la nivel global.Okinawa a intrat în funcționare în 1999;

Centrala Dinorwig din Țara Galilor, Marea Britanie, este una dintre cele mai cunoscute centrale cu sistem de pompare din lume. Centrala a fost construită între 1972 și 1982, în cea mai mare cavitate construită de om în munții din nordul Țării Galilor. Șase turbine uriașe pot furniza fiecare 317 MW, producând împreună până la 1800 MW din volumul de lucru de 6 milioane de de apă și o înălțime de 600 m;

Bath County Pumped Storage Station din Virginia are un sistem de pompare de 2100 MW cu 6 turbine care pompează 11 milioane de galoni pe minut. Generarea utilizează 14,5 galoni pe minut. Acest sistem costă US $1,7 bilioane. Funcționarea a început în 1985 și stația aparține Allegheny Power System;

Avantaje:

scară largă pentru tehnologia de stocare și utilizarea tehnologiilor mai vechi de stocare;

o tehnologie verificată, producând mai mult de 2,5 % din piața de energie a Statelor Unite și generarea a peste 90 GW global;

stocare pe termen lung, fără pierderi de energie;

din energia utilizată pentru pompare, 70-85% poate fi recapturată;

răspuns rapid la schimbările în cererile de încărcare, măsurat în secunde;

unele baraje mari sunt deja prevăzute cu posibilități de stocare a apei;

apa poate fi dulce sau sărată; în cazul unei centrale cu apă sărată se poate introduce

desalinizarea;

capacitate ridicată (până la 1000 MW sau mai mult);

timpul de eliberare poate varia de la ore la zile;

nu implică utilizarea de materiale toxice;

poate fi utilizată zilnic sau de mai multe ori pe zi;

are reacție rapidă când este necesar, pentru a răspunde rapid la condițiile de piață – în general durează mai puțin de 10 minute să ajungă la capacitate maximă, iar dacă lucrează în standby poate ajunge la capacitate maximă în 10, 30 de secunde.

Dezavantaje:

construcțiile durează mult, sunt scumpe, mai ales dacă se începe de la zero, acestea pot fi înlăturate prin folosirea structurilor pre-existente și caracteristicile geografice;

costuri mari de capital, se poate folosi actualizarea hidrocentralelor existente ca o oportunitate de a reduce costurile;

tehnologie intensivă cu nevoi mari de teren, tinde să fie departe de transmiterea cererii de încărcare;

se poate evita dăunarea ecosistemului dacă sistemul utilizează cavități subterane în locul râurilor.

Centrala Hidroelectrică cu Acumulare Prin Pompaj – CHEAP Tarnița Cluj

Proiectul este prevăzut a se realiza pe locația existentă a acumulării Tarnița situată pe râul Someșul Cald în județul Cluj. Acumularea existentă va servi ca acumulare inferioară, cea superioară urmând a fi construită în zona Lăpuștești din același județ. Între cele două acumulări va exista o diferență de nivel de 550 m ceea ce permite instalarea a patru pompe reversibile cu capacitatea de 250 MW fiecare. Capacitatea totală a hidrocentralei Tarnița-Lăpuștești va fi de 1 GW la un cost estimat de 1 miliard de euro. Coeficientul de transformare va fi de 0,76 (adică din 1 GWh pompat în acumularea superioară se recuperează 0,76 GWh) ciclul de pompaj fiind săptâmânal. Se estimează că, acumularea va fi dată în folosință la sfârșitul lui 2016 (două generatoare) iar la sfârșitul lui 2018 vor fi pornite ultimele două generatoare.

Stocare (pompaj)

Apa este pompată noaptea din rezervorul inferior

(acumularea Tarnița) în rezervorul superior (acumularea Lăpuștești), asigurându-se, de exemplu, condiții optime pentru functțonarea centralelor eoliene

Generare (turbinare)

Turbinele lucrează ziua producând energie (asigurându-se, de exemplu, acoperirea unei creșteri neașteptate a consumului de energie electrică)

Figura nr.12

Fezabilitatea și costul depind de amplasamentul geografic al sistemului, deoarece este necesară o cantitate mare de apă și/sau este necesară o separare verticală între stocare și rezervorul de descărcare. Structura fizică a sistemului de stocare poate fi construită de la zero, caz în care costurile inițiale se ridică foarte mult, sau poate fi consolidată pe baza resurselor existente sau se poate ‘profita’ de condițiile naturale. Astfel, în unele cazuri separarea între bazine a fost consolidată în subteran, unde pot fi folosite minele inundate sau alte cavități. Marea, lacurile sau râurile pot fi folosite ca un rezervor de înălțime inferioară. Unele baraje mari ale centralelor hidroelectrice au capacitate de stocare și pot fi utilizate pentru pompare hidro. De altfel, orice poate ține apa și se află la înălțime mai mică decât bazinul superior poate fi considerat bazin inferior. De asemenea, se caută soluții pentru realizarea bazinului superior cu costuri cât mai reduse, prin utilizarea unor lacuri naturale sau a unor văi care necesită baraje de dimensiuni reduse.

Capitolul 3

Utilizarea sistemelor de stocare a energiei prin pomparea apei pentru energia eoliană

Dacă în capitolul anterior s-a prezentat metoda de stocare a energiei prin pomparea apei,

considerată ca atare, în acest capitol se prezintă aplicarea acestei metode cu precădere pentru

energia eoliană.

Descrierea unui sistem de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei

Caracterul variabil al energiei eoliene creează dificultăți în asigurarerea calității energiei

electrice livrată rețelei (naționale sau autonome). Acest lucru este mai accentuat în cazul rețelelor energetice izolate de puteri mici, unde fluctuațiile sunt mai greu de suportat .Din acest motiv, funcționarea în mod autonom este preferată pentru modulele de generare a energiei din resurse variabile și impredictibile, în acest caz, vântul. Pentru eliminarea acestui inconvenient, energia produsă de turbina eoliană în perioadele în care conectarea la rețea nu este permisă, este utilizată pentru pomparea apei. Astfel, chiar și cu existența rețelei energetice în vecinătatea modulului de generare a energiei, partea de pompare se realizează cu turbina eoliană funcționând în mod autonom.

Prin prisma acestor considerente, în acest proiect este analizat cazul funcționării autonome a

sistemului de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei.

Un sistem autonom de stocare a energiei eoliene are ca primă parte componentă partea de

producere a energiei eoliene, respectiv turbina eoliană. Partea de stocare prin pompare, presupunând ridicarea apei de la un nivel inferior la unul superior, implică includerea în sistem a unei pompe.

Pompa necesită o mașină electrică rotativă, care furnizează mișcarea de rotație a rotorului acesteia. În cadrul sistemului poate fi inclus și un convertor electric de putere cu ajutorul căruia să se realizeze interfațarea dintre grupul mașină electrică rotativă – pompă și turbina eoliană. Astfel, un sistem de stocare a energiei eoliene este constituit dintr-un lanț de conversie energetică format din elemente multiple aflate în interdependență continuă unele față de celelalte. În figura de mai jos este prezentată configurația sistemului autonom de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei.

Figura nr 13.Sistemul autonom de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei (Sursă proprie)

În continuare sunt descrise și analizate pe rând elementele lanțului electroenergetic din care

este constituit sistemul.

Turbina eoliană

Turbina eoliană absoarbe energia cinetică a vântului pe care o transformă în energie

mecanică prin intermediul palelor. Apoi, energia mecanică este transformată în energie electrică prin intermediul unui generator electric.

Principiul de funcționare al turbinelor eoliene

stoianconstantin.wordpress.com

Figura nr.14: Componentele unei turbine eoliene (vedere în spațiu)

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

Numărul de pale depinde de eoliană. În prezent, sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigură limitarea vibrațiilor, a zgomotului și a oboselii rotorului, față de sistemele mono-pală sau bi-pală. Coeficientul de putere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bi-pală 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.

Schema eolienelor mono-pală, bi-pală si cu trei pale

Butucul – este prevăzut cu un sistem care permite orientarea palelor pentru a controla viteza de rotație a turbinei eoliene. Acest sistem poate fi de trei feluri: sistem pasiv (stall control), activ (pitch control) sau mixt (active stall).

Cutia de viteze (multiplicatorul) – permite transformarea puterii mecanice, caracterizată prin cuplu mare și turație mică specifice turbinei eoliene, în putere caracterizată prin turație mai ridicată, dar cuplu mai mic, deoarece turația turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul prea mare, pentru a fi aplicate direct generatorului. Cutia de viteze asigură conexiunea între arborele primar (al rotorului paletelor) și arborele secundar (al generatorului).

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

Arborele generatorului sau arborele secundar – antrenează generatorul electric de curent alternativ, sincron sau asincron. El este echipat cu o frână mecanică cu disc (dispozitiv de securitate), care limitează viteza de rotație în cazul unui vânt violent. Pot exista și alte dispozitive de securitate.

Sistemul de răcire – sunt prevăzute sisteme de răcire, atât pentru cutia de viteze ce transmite eforturile mecanice între cei doi abori, cât și pentru generatorul electric. Ele sunt constituite din radiatoare cu apă sau ulei și ventilatoare. Răcirea cu ulei este utilizată pentru cutia de viteze.

Sistemul electronic de control (regulatorul) – asigură pornirea turbinei eoliene, reglarea înclinării palelor , frânare, și orientarea nacelei în raport cu vântul.

Generatorul electric – asigură producerea energiei electrice. In principiu, 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.

Dispozitivele de măsurare a vântului – sunt reprezentate de două elemente:

giruetă pentru evaluarea direcției și

anemometru pentru măsurarea vitezei.

Informațiile sunt transmise sistemului numeric de comandă, care realizează reglajele în mod automat.

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

Pilonul – este în general, un tub de oțel și un turn metalic. El susține turbina eoliană și nacela. Alegerea înălțimii este importantă, deoarece trebuie realizat un bun compromis între prețul de construcție și expunerea dorită la vânt. În consecință, odată cu creșterea înălțimii, crește viteza vântului, dar și prețul. În general, înălțimea pilonului este puțin mai mare decât diametrul palelor. Înălțimea eolienelor este cuprinsă între 40 și 120 de metri. Prin interiorul pilonului trec cablurile care asigură conectarea la rețeaua electrică.

Mașina electrică pentru antrenarea pompei

Antrenarea pompei este realizată cu ajutorul unei mașini electrice rotative, având arborele comun cu aceasta. Dintre mașinile electrice trifazate de curent alternativ, se aduce în discuție care dintre acestea este mai avantajoasă a fi utilizată în cadrul sistemului de stocare a energiei electrice prin pomparea apei. Cele două mari categorii între care se dă disputa sunt mașina sincronă și cea asincronă. Pentru mașina sincronă se ia în considerare configurația cu magnet permanent, deoarece aceasta aduce avantaje comparativ cu mașina sincronă clasică, în primul rând prin eliminarea înfășurării suplimentare necesare excitației.

Din punct de vedere al pierderilor celor două tipuri de mașini, prin ajustarea optimă a

inducției magnetice, se obține minimizarea pierderilor în cupru, prin histerezis și curenți turbionari. Adaptarea inducției magnetice pentru obținerea unei performanțe ridicate a mașinii

electrice, este corelată cu setarea optimă a fluxului magnetic în mașină. În această privință, mașina asincronă are un avantaj ferm față de mașina cu magneți permanenți datorită posibilității simple de slăbire de câmp. Mașina cu magneți permanenți are deasemenea posibilitatea de reducere a fluxului, dar acesta ridică probleme din cauza fluxului constant dat de magnetul permanent.

Astfel, este necesar un curent de demagnetizare pentru slăbirea câmpului, care duce la creșterea pierderilor în fier și a componentei de curent pentru producerea cuplului mecanic.

Prin prisma acestor considerente, rămâne stabilit că mașina asincronă va fi cel de-al treilea element al lanțului electroenergetic al unui sistem de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei, funcționând în regim de motor.

Pompa

În ipoteza variațiilor mari ale turației care pot avea loc la funcționarea unui sistem de stocare

a energiei eoliene prin pomparea apei, pompa considerată este de tip centrifugal. Deasemenea,

având turație nominală ridicată, este posibilă conectarea directă a pompei centrifuge cu o mașină

electrică.

Concluzionând, pentru a avea o funcționare cât mai performantă având în vedere premisele

de lucru, sistemul propus pentru stocarea energiei eoliene în energia potențială a apei în mod

autonom, este format dintr-un lanț electroenergetic constituit din: turbină eoliană, prevăzută cu cutie de viteze și cu generator sincron cu magneți permanenți, convertor electric, mașină asincronă funcționând în regim de motor, pompă centrifugă.

Figura nr 15:Pompa centrifugă

Probleme care apar la conversia energiei eoliene în energie hidroelectrică

Funcționarea sistemului în regim de turație variabilă

După cum a fost specificat și anterior, premisa de funcționare a sistemului de stocare a

energiei prin pomparea apei este aceea de funcționare în regim de turație variabilă, dată de

parametrul de intrare în sistem, vântul. Funcționarea în turație variabilă a sistemelor de pompare poate fi exploatată prin prisma ajustării puterii, dar și din perspective economice. Totodată, funcționarea în turație variabilă implică anumite aspecte care țin de controlul parametrilor fiecărui element din care este compus lanțul de conversie energetică eolian-hidro, din cauza modificării condițiilor de funcționare față de cele nominale, precum și a interdependenței dintre aceștia.

Caracteristicile de putere atât a turbinelor eoliene, cât și a pompelor sunt date în funcție de aceași mărime, respectiv în funcție de turație. Ca atare, se pot suprapune curbele de funcționare ale acestora. Prin această suprapunere de curbe, reiese că sistemul rezultat prin asocierea acestor echipamente, poate avea o bună funcționalitate. Atât în cazul turbinei eoliene, cât și în cazul pompei centrifuge, puterea este dependentă cubic de viteza vântului, respectiv turație. În figura de mai jos sunt prezentate curbele de putere ale unei turbine eoliene pentru diferite viteze ale vântului și curba de putere a unei pompe centrifuge, de unde se poate observa că punctele de lucru ale pompei se situează pe maximul curbelor de putere ale turbinei eoliene. În literatura de specialitate se prezintă și cazul cuplării directe a turbinei eoliene cu o pompă.

Figura nr. 16 :Caracteristicile turbinei eoliene (Sursă proprie)

Randamentul

Randamentul pentru orice sistem se definește ca fiind raportul dintre puterea de ieșire și

puterea de intrare. În cazul sistemului autonom de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei, puterea de intrare este dată de puterea disponibilă prin potențialul eolian, iar puterea de ieșire este puterea rămasă pentru pomparea apei, după scăderea pierderilor pe tot lanțul electroenergetic din puterea inițială. Pentru sistemele formate din mai multe componente, randamentul este obținut prin înmulțirea valorilor randamentelor fiecărui element. Astfel, randamentul sistemului de conversie eolian-hidro, se obține conform ecuației:

unde:

ηg – randamentul global al sistemului de conversie energetică eolian-hidro;

Pp – puterea disponibilă pentru pompare, [W];

Pv – puterea disponibilă din potențialul eolian, [W];

cp – coeficientul de performanță al turbinei eoliene;

ηCV – randamentul cutiei de viteze;

ηG – randamentul generatorului turbinei eoliene;

ηC – randamentul convertorului electric;

ηMA – randamentul mașinii asincrone utilizată pentru antrenarea pompei;

ηp – randamentul pompei centrifuge.

Figura nr. 17: Schemă bloc de conversie energetică eolian-hidro (Sursă proprie)

Coeficientul de performanță a turbinei eoliene influențează foarte mult randamentul global al lanțului de conversie eolian-hidro. Întrucât pentru turbinele reale, acesta poate lua valori între 0,2 și 0,5, în funcție de tipul de turbină, se reduce cu cel puțin jumătate valoarea randamentului global al sistemului de conversie energetică, față de valoarea obținută neținându-se cont de conversia energiei cinetice a vântului în energie mecanică.

Referitor la randamentul pompei, modificarea vitezei de rotație a axului pompei, are un efect direct. Toți parametrii funcționali ai pompei se modifică în cazul variației vitezei de rotație a axului pompei, iar din caracteristica randamentului pompei în funcție de turație (figura de mai jos) determinată pe baza ecuației, rezultă că acesta are valori mici în cazul turațiilor joase. Pentru creșterea randamentului global al sistemului și obținerea unei puteri disponibile de pompare cât mai mari și zona de turație scăzută a turbinei eoliene, dar parțial și a pompei, trebuie exploatată.

Având în vedere aceste aspecte prezentate, randamentul global al sistemului de conversie eolian-hidro, în condiții de funcționare nominală ale elementelor lanțului energetic de conversie, se situează în jurul valorii de 20%. Această valoare a fost determinată prin înlocuirea în ecuația randamentul sistemului a valorilor randamentelor fiecărui element din lanțul electro-energetic al sistemului de conversie eolian-hidro.

Bineînteles că nu se dorește și nu este fiabilă funcționarea sistemului de stocare a energiei electrice prin pompare a apei la nivel de randament scăzut și se caută să se îmbunătățească performanța globală a sistemului. Creșterea randamentului global al sistemului poate fi obținută prin diferite metode. Astfel, o primă condiție în obținerea unui randament bun, constă într-o alegere convenabilă a elementelor din configurația sistemului de stocare, în sensul că includerea unor echipamente cu randament individual mai ridicat duce la creșterea randamentului global. Turbina eoliană pentru care se realizează stocarea poate furniza mai multă putere disponibilă pentru pomparea apei dacă are coeficientul de performanță și randamentul generatorului de valoare ridicată. Pe partea de convertor este important tipul de convertor ales din multitudinea de topologii existente, care să aibă pierderile pe dispozitivele semiconductoare cât mai reduse. Din punct de vedere al mașinii asincrone, pot fi utilizate mașini care se încadrează în clasa de randament ridicat.

Acestea sunt tipuri nou apărute, performanțele fiind obținute prin însăși construcția mașinii.

Altă cale de obținere a unui randament global îmbunătățit a sistemului de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei este nu una la nivel hard, ci una la nivel soft, prin comanda și controlul elementelor care intră în structura sistemului. Aceasta este și abordarea acestei teze. Optimizarea sistemelor de stocare a energiei eoliene utilizând energia hidroelectrică se realizează prin optimizarea controlului mașinii de antrenare a pompei, ducând la minimizarea pierderilor acesteia și în final la creșterea randamentului global al sistemului.

La nivel de putere de ordinul MW, care este nivelul de putere la care sunt implementate centralele de stocare a energiei prin pomparea apei, valorile de randament ale mașinilor electrice se îmbunătățesc. Astfel, mașina sincronă cu magneți permanenți poate avea un randament de peste 97 %, iar mașina asincronă un randament de peste 95 %. În aceste condiții, randamentul global al sistemului poate atinge valori de peste 30%, iar neincluzându-se în ecuație partea de aerodinamică a turbinei eoliene, prin coeficientul de performanță al acesteia, cp, randamentul global al unui sistem de conversie a energiei eoliene în energie hidro-electrică poate ajunge până la 70%.

Capitolul 4 Modelarea matematică a sistemului de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei

Turbina eoliană

Modelarea rotorului turbinei

Turbina eoliană utilizează energia cinetică a vântului pentru a antrena arborele rotorului său: aceasta este transformată în energie mecanică, care la rândul ei este transformată în energie electrică de către generatorul cuplat mecanic la arborele rotoric eolian.

Acest cuplaj mecanic se poate face fie direct, dacă turbina și generatorul au viteze de același ordin de mărime, fie se poate realiza prin intermediul unei cutii de viteze. Există mai multe posibilități de a utiliza energia electrică produsă: fie este stocată în acumulatoare, fie este distribuită prin intermediul unei rețele electrice, fie sunt alimentate sarcini izolate.

Curentul electric obținut este, fie stocat în baterii și folosit apoi cu ajutorul unui invertor CC-CA în cazul turbinelor de mică capacitate, fie livrat direct rețelei de curent alternativ (CA) spre distribuitori.

De-a lungul timpului, pentru turbinele eoliene au fost dezvoltate diferite modele, prin prisma

mai multor aspecte care apar la funcționarea lor. Cele mai multe dintre acestea sunt realizate pe partea de aerodinamică, pentru obținerea unei performanțe ridicate a turbinei eoliene, întrucât un procent ridicat din pierderile totale ale unei turbine eoliene este cauzat de palele rotorului. Aceste pierderi cauzate de rotor sunt:

Pierderile cauzate prin proiecția profilului palei,din cauza că este negliată componenta de tragere din forța totală care acționează asupra palei,aceasta rezultând din însumarea forței de ridicare cu cea de tragere;

Pierderile care apar la vârfurile palelor; masa de aer care se deplasează în jurul palei dinspre partea cu presiune pozitivă (partea inferioară a profilului palei). Astfel,forța de ridicare scade spre vârful palei. Suprapunerea masei de aer care se deplasează în jurul vârfului palei cu cea care se deplasează în jurul palei crează un vârtej divergent care este răspândit spre siajul rotorului.Cu cât pala este mai subțire, cu atât aceste pierderi sunt mai ridicate;

Pierderile cauzate de siajul rotorului: aceste pierderi sunt cauzate de extragerea unui cuplu din planul activ de rotație. Pe principiul acțiunii și reacțiunii, forța tangențială crează un cuplu contrar aplicat rotorului în partea de aval a acestuia.

Cantitatea energiei produse pe baza vântului depinde de:

– densitatea aerului

– suprafața elicei

– viteza vântului

Considerăm ca și putere de intrare cea a volumului de aer Va, care se deplasează cu viteza și care antrenează turbina eoliană având aria efectivă AR:

Puterea generată de turbină diferă de puterea prin coeficientul de performanță :

unde:

– puterea masei de aer (W)

– puterea turbinei eoliene (W);

– densitatea aerului (1,225 kg/m3);

– coeficientul de performanță;

– aria acoperită de pale (m2)

– viteza vântului (m/s).

Valoarea maximă a lui Cp este 0,593 dar din cauza pierderilor aerodinamice care diferă în funcție de construcția rotorului, valoarea obținută în practică pentru Cp este mai mică, fiind cuprinsă între 0.4 și 0.5 pentru turbinele eoliene cu trei pale.

În scopul obținerii unei puteri cât mai ridicate din potențialul eolian, au fost dezvoltate numeroase tehnici de control pentru turbina eoliană. În general, acestea se împart în două categorii, și anume: cele care se bazează pe controlul raportului de viteză, λ și cele care se bazează pe reacția puterii (PSF – Power Signal Feedback).

Prima categorie, necesită în permanență măsurarea vitezei vântului pentru ajustarea continuă

a raportului de viteză astfel încât acesta să fie constant pentru orice viteză a vântului. În acest mod se menține o valoare cât mai ridicată a coeficientului de performanță, .

Dezavantajul acestui tip de control este dat de dificultatea măsurării precise a vitezei vântului și determinării raportului de viteză, λ.

A doua categorie de control constă în dezvoltarea unor algoritmi care urmăresc obținerea

punctului de putere maximă (MPPT – Maximum Point Power Tracking). Pentru aceasta este

necesară măsurarea puterii și turației rotorului turbinei și ajustarea acesteia din urmă, pentru

obținerea unei puteri cât mai ridicate.

Modelarea cutiei de viteze

Cutia de viteze este una dintre componentele importante ale unei turbine eoliene. Este plasată între axul rotorului turbinei eoliene și axul generatorului electric.

Cutia de viteze transformă turația joasă de la arborele primar al turbinei eoliene în turație mai ridicată, regăsită la arborele secundar al generatorului sincron. Astfel are loc transformarea puterii mecanice, caracterizată prin cuplu mare și viteză mică, specifice turbinei eoliene, în putere de viteză mai mare, dar cuplu mai mic, deoarece altfel viteza turbinei eoliene este prea mică, iar cuplul mai mare pentru a fi aplicate direct generatorului.

Randamentul cutiei de viteze este constant, putând fi considerat η=98%.

Cutia de viteze a unei turbine eoliene nu este similară cu cea a unui autovehicul. Ea are un singur raport de creștere a turației. În caz că o turbină are viteze de funcționare diferite, două posibilități fac posibile aceste lucruri: fie are două generatoare electrice dimensionate diferit, fiecare cu turația sa nominală, fie are un singur generator, dar cu înfășurări statorice diferite.

Ecuațiile matematice ale cutiei de viteze:

MG=Mr

ωG=kcvωr

Unde:

Mr – cuplul rotorului turbinei eoliene, [Nm];

MG – cuplul generatorului eolian, [Nm];

ωr – viteza unghiulară a axului rotorului turbinei eoliene, [rad/sec];

ωG – Viteza unghiulară a generatorului eolian, [rad/sec];

kcv – raportul de transmisie al cutiei de viteze, adimensional.

Modelarea generatorului eolian

Generatorul electric transformă energia mecanică preluată de la turbină în energie

electrică. Pentru acest studiu s-a ales topologia de conversie bazată pe generator sincron. În acest fel se poate regla tensiunea de ieșire, necesară alimentării motorului asincron legat la pompa centrifugală și se poate menține motorul asincron într-un regim optim de funcționare. În figura de mai jos este reprezentată caracteristica mecanică a sarcinii (pompa centrifugală) suprapusă peste caracteristicile mecanice ale motorului asincron (obținute pentru diverse frecvențe ale tensiunii de alimentare).

Generatoarele electrice sincrone sunt echipate cu sisteme de excitare de curent continuu

asociate cu regulatoare de tensiune, pentru a putea regla frecvența, tensiunea și defazajul.

Generatoarele sincrone pot lucra independent de rețea și pot produce energie dacă sistemul de

excitare este independent de rețea.

Figura nr 18 : Schema echivalentă a generatorului sincron

Aplicând teorema a doua a lui Kirchhoff în complex unei faze statorice, rezultă ecuația

următoare:

++=+R

unde s-au folosit relațiile:

R – rezistența unei faze statorice;

– tensiunea electromotoare complexă indusă într-o fază statorică la funcționarea în gol de

către fluxul magnetic inductor ;

– tensiunea electromotoare complexă de reacție, indusă într-o fază statorică de către fluxul magnetic de reacție ;

unde:

=ω – reactanța de reacție a indusului;

– tensiunea electromotoare complexă de scăpări indusă într-o fază statorică de către fluxul

magnetic de scăpări;

unde:

= ω – reactanța de scăpări a indusului;

U – tensiunea complexă la bornele unei faze a generatorului;

I – curentul complex dintr-o fază a statorului.

Ecuația devine:

Schema echivalentă conține o sursă ideală de tensiune electromotoare Ue0 înseriată cu o

bobină ideală de reactanță și un rezistor de rezistență R . Deoarece rezistența R este mereu

mai mică decât reactanța , ea se poate neglija, schema echivalentă reducându-se la o sursă de tensiune electromotoare Ue0 înseriată cu o bobină ideală de reactanță .

Generatorul sincron absoarbe de la arbore puterea mecanică , care este utilizată

pentru învingerea frecărilor și pentru antrenarea ventilatorului (pierderi mecanice ), iar în

cazul existenței excitatoarei pe arbore, o parte din putere este preluată de aceasta,

Puterea electromagnetică transmisă de rotor statorului, va fi:

Cuplurile care apar în funcționarea generatorului sincron sunt:

Cuplul motor, definit ca raportul dintre puterea mecanică și viteza unghiulară sincronă:

Cuplul electromagnetic:

Cuplul de funcționare în gol:

Randamentul generatorului sincron:

unde:

și reprezintă valorile eficace de linie ale tensiunii respectiv ale curentului debitat de

generator.

Pentru generatoarele sincrone cu puteri nominale de până la 10 kVA randamentul este

0.85, pentru puteri cuprinse între 10 kVA și 100 kVA, randamentul este între 0.9 și 0.95,

crescând până la valoarea de 0.985 pentru puteri nominale de 250 MVA.

Motorul asincron

De pe urma celor studiate rezultă că se pot utiliza două modele matematice pentru

mașina asincronă:

• convertoare cu comenzi scalare

• convertoare cu comenzi vectoriale.

convertoare cu comenzi scalare

• În cazul convertoarelor cu comanda bazată pe schema în T a mașinii asincrone, cerințele de comanda sunt mai puțin complexe.

• Pentru aceste tipuri de convertoare, care sunt cele mai mult utilizate, cerințele de reglare sunt legate în principal de utilizarea la maxim a posibilităților motorului.

Figura nr. 19: Caracterisitica limită a sistemului convertor motor (Curs Convertoare de Frecvență)

Pornirea motorului se face la o frecvență minimă (0,2 – 0,6-2) Hz căreia îi corespunde tensiunea statorică minimă de pornire Vmin, prin care se asigură tensiunea necesară creării fluxului nominal, și se acoperă căderea de tensiune pe rezistența statorică. În acest fel

motorul furnizează la ax cuplul nominal.

• Apoi, pe porțiunea Vmin ¸ Vmax (până la fP), motorul asincron are asigurată funcționarea, la diferite viteze, la cuplul nominal. Punctul (Vmax, fP) este corespunzător puterii nominale a motorului asincron:

Pn = M•Ωp.

• În continuare, între fP și fmax, turația motorului crește, dar tensiunea rămânând constantă, de valoarea maximă, motorul lucrează în regim de slăbire de flux și deci de cuplu.

• Pentru valori mai scăzute ale cuplului cerute de sarcină, circuitul de comandă trebuie să asigure funcționarea la caracteristici parțiale, sub caracteristica limită.

• De asemenea trebuie reținut că unele convertoare electronice oferă posibilitatea unei profilări a caracteristicilor de sub caracteristica limită în funcție de curba de sarcină caracteristică unor anumite utilaje ( caracteristica tip ventilator, caracteristica de cuplu constant, etc.)

Figura nr.20:Caracteristici funcționale și domenii de comandă (Curs Convertoare de Frecvență)

• Zona U/f constant, cuplul motorului rămâne constant. De aceea această regiune

poartă denumirea de zonă de cuplu constant. Curenții și fluxul în mașină sunt cei

nominali, iar alunecarea scade pe măsură ce tensiunea electromotoare crește pe

baza creșterii frecvenței statorice.

• Zona în care se asigură scăderea cuplului invers proporțional cu frecvența. Acesta

permite menținerea constantă a puterii livrate de mașina asincronă, lucru pentru

care este numită zonă de putere constantă. Cum tensiunea statorică nu mai

crește cu creșterea frecvenței, ea rămânând constantă datorită faptului că s-a

atins valoarea maximă pe care o poate oferi sursa de alimentare, fluxul în mașină

scade. În consecință curentul de magnetizare scade, în timp ce curentul rotoric,

care furnizează puterea activă, rămâne constant. Alunecarea nu mai scade,

creșterea frecvenței rotorice asigurând păstrarea constantă a lui Ir. Cuplul de lucru

al mașinii scade invers proporțional cu frecvența și se apropie de cuplul critic

deoarece acesta scade invers proporțional cu pătratul frecvenței. Zona 2 se sfârșește la

atingerea de către cuplul de lucru a cuplului critic.

• Zona în care cuplul de lucru, devenind egal cu cuplul critic, în continuare va

scădea invers proporțional cu fexp2 . Puterea oferită de mașina electrică începe

să scadă invers proporțional cu frecvența statorică și în consecință toate mărimile

caracteristice prezentate în fig. încep să scadă. Mașina electrică va mai putea fi

folosita până ce cuplul dezvoltat de ea asigură cuplul cerut de sarcina, uzual până

în jur de 2fp.

Cotrolul scalar V/Hz

Această metodă de control poate fi folosită acolo unde nu este necesar un regim dinamic

foarte rapid pentru sistemului considerat. Nu este necesară o schimbare rapidă a turației mașinii și nu au loc schimbări bruște ale cuplului de sarcină

În cadrul metodei de control V/Hz este păstrat constant raportul între tensiunea statorică și

frecvența statorică, astfel păstrându-se aproximativ constant fluxul magnetic al mașinii pe toată gama de funcționare, lucru care reiese din ecuația tensiunii electromotoare, din schema echivalentă în T a mașinii.

Unde:

– tensiunea electromotoare a mașinii asincrone,[V];

k – constanta de proporționalitate, dată de factorul de înfășurare al mașinii asicrone și de numărul de înfășurări ale aceteia;

– fluxul magnetic al mașinii asicrone, [Wb];

– frecvența statorică a mașinii asincrone,[Hz].

Pentru implementarea practică a acestui tip de control apar anumite cerințe de care trebuie ținut cont. Căderea de tensiune pe rezistența statorică trebuie compensată, acest lucru fiind evident în cazul turațiilor joase. De asemenea, tensiunea nu poate depăși valoarea nominală la frecvențe mai ridicate decât cele nominale, deoarece pot apărea probleme legate de izolație. În figura de mai jos se prezintă schema bloc a metodei de control V/Hz pentru controlul unui invertor având ca și tehnică de modulație, tehnica SVM.

http://webbut.unitbv.ro/teze/rezumate/2011/rom/ForcosAndreea.pdf

Figura nr.21 :Schema bloc de implementare a controlului V/Hz pentru mașina asincronă

Mașină asincronă (MAS) cu rotor în scurtcircuit

Figura nr.22 : Schema echivalentă a motorului asincron cu rotorul în scurtcircuit

Ecuațiile de tensiuni sunt următoarele:

U – tensiunea complexă de alimentare a unei faze statorice;

1 U și U2s – tensiuni electromotoare complexe induse de câmpul magnetic rezultant util din

întrefier într-o fază statorică, respectiv rotorică;

1 R și 2 R – rezistențele înfășurărilor de fază statorică respectiv rotorică;

I1 și I 2 – curenții complecși dintr-o fază statorică respectiv rotorică.

Ecuațiile de funcționare ale motorului asincron sunt:

Pierderi și randament

Motorul asincron absoarbe de la borne puterea electrică:

P1 = 3U I cosϕ

și cedează la arbore puterea utilă P2 .

Datorită pierderilor puterea utilă a motorului asincron este mai mică decât puterea absorbită de la arbore, se notează:

ΣP = P1 – P2

unde: Σ P reprezintă suma pierderilor din motorul asincron.

Această suma poate fi scrisă în mod explicit în funcție de tipul de pierderi care apar în motor:

ΣP=++++

unde:

– pierderile principale în conductoarele înfășurării statorice;

– pierderile principale în conductoarele înfășurării rotorice;

– pierderile principale în oțel pentru regimul nominal;

= + – pierderile mecanice datorate frecărilor și ventilației;

– suma pierderilor suplimentare.

=+

unde:

– reprezintă pierderile prin histerezis;

-reprezintă pierderile cauzate de curenții turbionari, care sunt proporționale cu pătratul frecvenței;

și în raport cu sarcina motorului se consideră ca și pierderi variabile;

, și în raport cu sarcina motorului se consideră ca și pierderi variabile (dacă tensiunea de alimentare și turația rămân aproximativ constante, variația acestor pierderi în raport cu sarcina este neglijabilă).

Randamentul motorului asincron:

Randamentul motorului asincron la funcționarea în regim nominal depinde de puterea,

turația și tipul constructiv, ajungând la valori = 0.95 , pentru motoare de putere mare. La

puteri și turații mici randamentul este mai redus, cuprins între 0.8 și 0.9.

Mașină sincronă cu rotorul bobinat

Noțiunea de dublă alimentare se referă la faptul că statorul este conectat direct la rețea, iar rotorul este conectat la convertorul static de tensiune și frecvență.
Acest tip de structură se utilizează pentru eolienele de mare putere. Viteza de rotație se poate modifica în gamă destul de mare (de la simplu la dublu). Convertorul static de tensiune și frecvență este bidirecțional, putând asigura deci ambele sensuri de circulație a energiei în rotor.

Pentru a limita pierderile de putere al convertorului electronic,cu turație variabilă, centrale electrice cu acumulare prin pompare au fost construite cu mașini asincrone FED (DFAM). În funcție de viteza necesară a unității, convertorul pentru acestă configurație va fi de obicei în intervalul de 10-30% din puterea totală a mașini. Convertorul din circuitul rotoric a fost de obicei ciclo-convertor cu tiristoare, dar convertoarele back-to-back de tensiune au fost utilizate pentru unele dintre cele mai noi instalații. Ohkawachi centrala din Japonia cu cele mai mari unități de acest tip, care a fost construită până în prezent, cu mașini de 395 MVA, și cu 72 de cycloconverters MW pentru circuitele rotorului. Chiar unități mai mari, cu până la 475 MVA, sunt acum în curs de planificare.

Prin comanda acestuia se realizează reglajul de viteză și controlul puterilor activă și reactivă vehiculate între mașină și rețea!

Figura nr. 22 :Schema echivalentă

Vqs = Rsiqs + dφqs/dt

Vds = RSids + dφds/dt

V'qr = R'ri'qr + dφ'qr/dt – (Ns/NS)ωrφ'dr

V'dr = R'Ri'dr + dφ'dr/dt + (NS/Ns)ωrφ'qr

Te = p[(NS/Ns)φ'qri'dr – (Ns/NS)φ'dri'qr]

φqs = Lssiqs + Lmsi'qr

φds = LSSids + LmSi'dr

φ'qr = L'ri'qr + Lmsiqs

φ'dr = L'RRi'dr + LmSids

Lss = Lls + Lms

LSS = LlS + LmS

L'rr = L'lr + Lms

L'RR = L'lR + LmS

Convertoare statice de tensiune și frecvență (CSTF)

Prin modificarea vitezei, frecvența și amplitudinea tensiunii la ieșirea generatorului sunt variabile. Pentru conectarea la rețea, energia electrică trebuie transformată și adusă la parametrii constanți ai rețelei. În acest scop se utilizează convertoare statice de tensiune și frecvență , interpuse între generator (sincron sau asincron) și rețea. Generatoarele astfel echipate pot suporta rafale ale vântului, reducând solicitările mecanice.
Lanțul de conversie va cuprinde:

generatorul

convertorul static de tensiune și frecvență, compus din:

Un redresor- este un dispozitiv electric care servește transformării curentului alternativ în curent continuu. Procedeul poartă numele de redresare. Pentru netezirea pulsațiilor de tensiune continuă (redresată) sunt folosite de regulă condensatoare electrice. Fizic, după tehnologia folosită pentru redresare se deosebesc (și ca aspect exterior):

Tuburi electronice redresoare (cu vacuum)

Redresoare cu vapori de mercur

Diode redresoare semiconductoare

Tiristoare (diode redresoare controlate)

Cele mai multe redresări de curent alternativ se fac cu diode normale (nu cu tiristoare) la un randament energetic de până la 95%.

Se utilizează redresoare necomandate, cu diode, în cazul generatoarelor sincrone. Acestea sunt convertoare unidirecționale. În cazul generatoarelor asincrone, se utilizează redresoare cu comandă în durată. Acestea pot furniza și energia reactivă necesară magnetizării

Prin comanda acestuia, se poate regla frecvența și valoarea efectivă a tensiunii, astfel încât să se poată realiza conectarea la rețea. Se preferă utilizarea invertoarelor cu modulație în durată, deoarece calitatea energiei furnizate este mai bună (conținut mai redus de armonici).

Modelarea convertorului electric de putere

Funcționarea

După cum îi este și numele, convertorul electric realizează conversia energiei electrice. În

funcție de conversia realizată, convertorul funcționează în două moduri, și anume:

în regim de invertor: se realizează conversia din semnal continuu în semnal alternativ;

în regim de redresor: se realizează conversia din semnal alternativ în semnal continuu.

Invertorul clasic, cu două nivele de tensiune

Invertorul clasic trifazat, cu două nivele de tensiune este constituit din 3 brațe a câte două

dispozitive semiconductoare de putere. Fiecare dispozitiv semiconductor de putere are în paralel o diodă de regim liber pentru oferirea unei căi de trecere a curentului electric inductiv la blocarea dispozitivului semiconductor. În figura de mai jos este prezentată topologia invertorului trifazat sursă de tensiune, cu două nivele de tensiune, alimentând o mașină electrică. Cu Sx este notat modulul format din dispozitivul semiconductor de putere, Tx, împreună cu dioda de regim liber, Dx, conectată în antiparalel cu acesta.

Funcționarea invertorului presupune conducția a câte un dispozitiv semiconductor de putere

de pe fiecare braț. Cele două dispozitive semiconductoare de putere ale unui braț sunt

complementare, în sensul că ele nu se pot afla simultan în stare de conducție, deoarece s-ar produce scurtcircuit pe brațul respectiv. Pentru evitarea acestui caz, se întârzie intrarea în conducție a dispozitivelor semiconductoare de putere, cu un interval de timp denumit timp mort, de la blocarea dispozitivului semiconductor complementar.

Figura nr. 23 :Invertorul trifazat clasic, cu două nivele de tensiune

PWM

Tehnica de modulație PWM se bazează pe compararea unui semnal sinusoidal, de referință,

cu un semnal triunghiular, semnal purtător. Prin compararea acestor două semnale, se obține

tensiunea de ieșire a invertorului.

Curentul rezultat printr-o sarcină rezistiv-inductivă se va închide pe pulsurile de blocare prin diodele de întoarcere, curentul prin sarcină având un conținut relativ scăzut de armonici.

Reglajul amplitudinii tensiunii de ieșire se obține din micșorarea corespunzătoare a lățimii pulsurilor de conducție.

Conținutul în armonici e dependent de(curent): numărul de pulsuri pe perioadă, care este astfel ales încât la frecvențe joase să existe numai armonici neglijabile. Odată cu creșterea frecvenței de lucru numărul de pulsuri pe perioadă scade, dar conținutul în armonici de curent nu crește esențial fiind limitat de reactanțele de dispersie ale motorului de valori crescânde cu frecvența.

Figura nr. 24: Semnale PWM

Tratarea fazorială a invertorului

Tratarea fazorială a invertorului presupune stabilirea a 8 fazori de tensiune pentru fiecare dintre cele 8 stări posibile ale invertorului.

Definirea fazorului spațial:

Prima stare: Conduc ;;

Determinarea timpilor de comutație pentru o perioadă de eșantionare pentru cele 6 tranzistoare, astfel încât, fazorul de tensiune statorică să fie cerut de motor pentru aceea perioada de eșantionare

-se utilizează fazorii de tensiune adiacenți;

-se pleacă de la o stare de „0” și se parcurge astfel încât să se ajungă la aceeași stare de „0”.

Calculul timpilor de conducție

Fluxul magnetic creat de este egal cu suma fluxurilor magnetice create de fiecare dintre fazorii de tensiune a invertorului pentru același interval de timp

m=

Modelarea pompei centrifuge

Parametrii funcționali ai pompei centrifuge sunt necesari pentru realizarea modelării acesteia. În literatura română de specialitate, aceștia sunt descriși foarte sugestiv:

Q [m3/s]– debitul de lichid pompat, cantitatea de lichid pe care o vehiculează, o transportă pompa în unitatea de timp. În literatura de specialitate se distinge un „debit teoretic”, care este determinat de elementele constructive ale pompei și de turația acesteia, și un „debit real”, care ia în considerare pierderile prin interstiții și neetanșeități. Debitul unei pompe se caracterizează printr-un anumit grad de uniformitate, în funcție de tipul constructiv al acesteia. Astfel, pompa cu regim de rotație continuu prezintă un grad mai scăzut de neuniformitate a debitului, pe când la pompa cu mișcare alternativă lichidul este debitat în regim pulsatoriu.

Prin grad de neuniformitate se înțelege raportul dintre diferența debitelor instantanee maxime și minime și debitul mediu: . În practică este de dorit obținerea unui debit cât mai uniform.

H [m] – înălțimea totală de pompare. Deoarece pompa lucrează întotdeauna într-o instalație, pentru alegerea ei este necesar să se cunoască înălțimea totală de pompare pe care o poate realiza.

n [rpm]– turația de antrenare a pompei;

η – randamentul total al pompei.

NPSH (Net Positive Suction Head) [m] – înălțimea energetică netă la aspirație, care este o mărime hidrodinamică. Acest parametru impune condiția limită de funcționare în afara zonei de cavitație. Cavitația se manifestă în exterior printr-o funcționare defectuoasă a pompei, prin zgomote puternice și vibrații caracteristice, debit pulsatoriu, creșteri bruște ale puterii absorbite, etc. De asemenea, în zonele în care se produc șocurile respective, suprafețele pieselor pompei sunt supuse unor solicitări puternice care crează deformații ale materialului, fisuri, desprinderi de particule. Suprafața unei piese care a funcționat în regim de cavitație se prezintă cu multe găuri și scobituri caracteristice care evidențiază fenomenul. În afară de efectele datorate acțiunilor mecanice, materialul este supus și unei coroziuni intense, deoarece aerul dizolvat în lichid are un conținut mai mare de oxigen decât aerul atmosferic. Rezultatele acestor acțiuni, mecanice și chimice, conduc la distrugerea rapidă a pieselor pompei care au funcționat în regim de cavitație.

În cazul pompelor se definește puterea hidraulică a unei pompe prin relația (4.66). Puterea absorbită de pompă este puterea de intrare sau puterea la ax, exprimată ca raportul dintre puterea hidraulică și randament în (4.67) .

(4.66)

Unde:

Ph – puterea hidraulică, [W];

g – accelerația gravitațională, g=9.8 m/s2, [m/s2];

– densitatea specifică a apei, [kg/m3];

Q – debitul prin conductă, [m3/s];

H – înălțimea de pompare, [m].

(4.67)

Pp – puterea absorbită, [W];

ηp – randamentul pompei.

Randamentul total, ηp, care influențează puterea reală a pompei, poate fi descompus într-un număr de factori independenți, care provin din pierderile interioare și exterioare ale pompei. Astfel, este definit randamentul hidraulic ηh, care se folosește pentru determinarea presiunii manometrice dezvoltate de pompă, în comparație cu presiunea teoretică rezultată din calcul. Pentru învingerea rezistențelor hidraulice create de curgerea lichidului prin pompă, la înălțimea reală de pompare se adaugă o înălțime “virtuală”, . În definirea lucrului mecanic hidraulic al pompei se ia în considerare și această înălțime (ecuația (4.68)). Randamentul hidraulic este raportul dintre lucrul mecanic util al pompei Lu și cel hidraulic, Lh, prin ecuația (4.69).

(4.68)

(4.69)

Din cauza scăpărilor prin interstiții și neetanșeități se definește randamentul volumic al pompei, ηv. Acesta este raportul dintre debitul real Q și debitul teoretic Qv prin formula (4.70). Randamentul volumic permite stabilirea debitului real față de cel calculat, teoretic.

(4.70)

Aceste două mărimi, randamentul hidraulic și randamentul volumic, definesc randamentul interior al pompei, ηi. Pentru aceasta este necesară introducerea lucrului mecanic interior al pompei Li în ecuația (4.69) de calcul a randamentului hidraulic, dat de ecuația (4.71). Randamentul interior rezultat al pompei este determinat cu relația (4.72).

(4.71)

(4.72)

Pentru învingerea rezistențelor exterioare este necesar a fi luat în calcul un lucru mecanic exterior Le, care împreună cu lucrul mecanic interior Li, reprezintă lucrul mecanic total efectuat de pompă, Lt. Astfel este obținut randamentul mecanic al pompei, ηm, dat de ecuația (4.73).

(4.73)

Randamentul total al pompei, ηp,este definit ca fiind raportul dintre lucrul mecanic util și lucrul mecanic total, conform ecuației (4.74). Este utilizat în determinarea puterii motorului de antrenare.

(4.74)

Un element important care trebuie luat în considerare în modelarea pompelor centrifuge este viteza de antrenare a pompei, respectiv turația, mai ales având dat contextul aplicației în care este utilizată, acela al turației variabile. Este o caracteristică esențială a pompelor și influențează în mod direct parametrii funcționali: Q, H, P și η. Astfel, debitul este proporțional cu turația, înălțimea se modifică proporțional cu pătratul turației și puterea cu cubul acesteia. Ecuațiile care exprimă acest lucru sunt (4.75), (4.76) și (4.77) Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found.

(4.75)

(4.76)

(4.77)

Unde:

n1,2 – turația pompei, [rpm];

P1 – puterea de pompare, corespunzătoare turației n1, [W];

P2 – puterea de pompare, corespunzătoare turației n2, [W].

Pentru variații reduse de turații se poate considera ca . Pentru variații importante de turație determinarea valorii randamentului se face cu ajutorul ecuației (4.78), stabilite empiric Error: Reference source not found, Error: Reference source not found, Error: Reference source not found:

(4.78)

Funcționarea la turație variabilă în cazul pompelor

În general, funcționarea unei pompe, ventilator sau compresor la turație variabilă dă utilizatorului posibilitatea să adapteze caracteristica presiune / debit ce caracterizează pompa, ventilatorul respectiv compresorul, necesităților sistemului în cadrul căruia va funcționa indiferent de debitul de fluid cerut. Se poate arăta că în cazul unui ventilator sau al unei pompe unde mișcarea fluidului este produsă de rotația unei elice, viteza fluidului antrenat este proporțională cu turația, în timp ce presiunea generată este proporțională cu pătratul vitezei de rotație. Rezultă că se poate obține o întreagă familie de caracteristici. Dacă se poate realiza o scădere a turației numai pe baza unei mici pierderi de energie, vor rezulta economii considerabile de energie.

Figura nr.25 :Curbele putere pentru cazul turației variabile

Curbe putere-debit

Figura prezintă curbe caracteristice pentru regimul la funcționare variabilă. Ele demonstrează că în această situație sunt disponibile o mulțime de caracteristici depinzând de turație. Există acuma posibilitatea de a îndeplini cu precizie cerințele sistemului de acționare prin alegerea turației adecvate pentru ventilator sau pompă. Totuși, acesta nu este unicul avantaj, fiind de asemenea posibilă funcționarea cu randament ridicat într-un interval larg de turații.

A fost demonstrat cu claritate faptul că economisirea unei mari cantități de energie electrică este posibilă prin folosirea sistemelor de acționare de turație variabilă. În cazul de față se discută de pompe de foarte mare putere, ca motoare de antrenare a pompei de puteri de la sute de kW la 1-2 MW.

Funcționarea în comanda scalară, așa numita comandă U/f, implică studierea foarte atentă a fenomenelor legate de frecvențele joase. Aceasta înseamnă de fapt cunoașterea influenței rezistenței statorice și a alunecării necesare pentru a produce cuplul activ cerut.

Capitolul 5

Dimensionarea sistemului autonom de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei

Turbina eoliană

unde:

– puterea turbinei eoliene (W);

– densitatea aerului (1,225 kg/m3);

– coeficientul de performanță;

– aria acoperită de pale (m2)

– viteza vântului (m/s).

unde:

– viteza periferică a palelor turbinei (m/s),

– viteza vântului (m/s),

– turația la arborele primar al turbinei eoliene (rot/min),

R -raza palei turbinei (m).

=0.347

D- diametrul rotorului

=11.5 m/s

Pompa centrifugă

Q = 2.04 m/s

H = 100m

=5m

Q = 2/s

= 2.3 /s

=0.86

Capitolul 6

Simularea sistemelor in MatLab/Simulink

În acest capitol sunt prezentate simulările efectuate în scopul evidențierii comportamentului

sistemului autonom de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei. Este simulat lanțul

electroenergetic al sistemului cu toate componenetele implicate: turbină eoliană, generatorul turbinei, convertor, mașină asincronă și pompă.

În vederea evidențierii comportamentului sistemului autonom de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei este simulat lanțul electroenergetic din care acesta este constituit. Simulările au fost efectuate utilizând soft-ul Matlab/Simulink®. În figura….. este reprezentată schema bloc a asimulării unde se pot vedea elementele din care este constituit sistemul, respectiv turbina eoliană, generatorul eolian, convertorul pentru interfațarea turbinei cu grupul motor-pompă,mașina asincronă pentru antrenarea pompei funcționând în regim de motor si pompa centrifugă

Fig. Schema bloc a simulării sistemului de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei

Schema turbinei eoliene si a generatorului sincron cu magneti permanenti in “MatLab Simulink”

In fig…. este prezentata turbina eoliana impreuna cu generatorul sincron cu magneti permanenti functionand la parametrii de 2MW. Impreuna cu o sursa trifazata, avand tensiunea de linie U=960V si frecventa nominala , conectata la generatorul sincron si o viteza constanta de ~11.5m/s impusa turbinei eoline rezulta viteza unghiulara nominala egala cu viteza unghiulara masurata si cuplul electromagnetic nominal egal cu cuplul electromagnetic masurat, valori determinate pentru puteri de ordinul MW mai exact la puteri de 2MW.

Parametrii setati pentru generatorul sincron cu magenti permanenti impreuna cu parametrii setati pentru turbina eoliana in MatLab/Simulink

Parametrii functionali care au fost luati in considerare la proiectarea turbinei au fost puterea maxima a generatorului electric Pmax= 2 MW si turatia de 1487 rot/min. In aceasta etapa, au fost determinati curentii statorici, viteza unghiulara si cuplul electromagnetic

Rezultatul acestei simulari il putem vedea pe un osciloscop, la fel ca in fig…unde avem reprezentati in prima parte a graficului curenti statorici „ , ” cu valori aproximative de 1300A. Axa a 2-a reprezinta viteza unghiulara, care creste de la zero la o valoare constanta egala cu 55 rad/s, iar cea de a 3-a axa reprezinta cuplul electromagnetic care genereaza o valoare negativa, deorece lucreaza in regim de generator

Valorile curentiilor statorici, vitezei unghiulare si a cuplului electromagnetic rezultat din simularea subsitemului „turbina+generator” in MatLab/Simulink

Variatia vitezei rotorice a GSMP

Principial, rotatia rotorului se obtine între cuplul aerodinamic aplicat de vânt si cuplul electric aplicat de generator. In acest caz viteza vantului scade de la 10 m/s la 7 m/s, acest lucru se petrece la t=1s, si care va afecta echilibrul de putere in sistem. Sistemul lucreaza la conditii normale de functionare. 

Valorile curentiilor statorici, vitezei unghiulare si a cuplului electromagnetic rezultat din simularea subsitemului „Masina asicnrona+Comanda vectoriala” in MatLab/Simulink

In cazul acesta avem viteza unghiulara egala cu 80 rad/s, iar cuplul electromagnetic de 30 000 Nm. Sunt valori similare cu cele nominale, unde cuplul electromagnetic nominal este de 25000 Nm, iar valoarea vitezei ungiulare nominale este egala cu valoarea vitezei unghiulare masurate.Valorile curentilor statorici „ ia, ib, ic” cresc foarte mult, pana la aproximativ 3500A din cauza parametriilor electrici din fig… setati pentru a avea puterea nominala a masini asincrone de 2 MW

Valorile curentiilor statorici, vitezei unghiulare si a cuplului electromagnetic rezultate din simularea sitemului in MatLab/Simulink

Valorile determinate ale curentiilor statorici, vitezei unghiulare si a cuplului electromagnetic pentru masina asincrona din simularea intregului sistem si cele simulate separat din subsistemul „masina+comanda”, difera cu 30% .Aceasta diferenta este data de …….

Schema de implementare a controlului V/Hz pentru masina asincrona in MatLab/Simulink

Controlul masinii asicnrone este realizat cu ajutorul unui bloc „S-function” ce reprezinta SVM (Space Vector Modulation) si o tensiune de referinta necesara porniri masini asincrone. Dupa cum se poate vedea in schema bloc de mai sus, avem la iesire din blocul „S-function” pulsurile obtinute prin tehnica modulatiei PWM necesare convertorului si un osciloscop ce ne arata factorii de umplere ce se mentin in zona liniara a invertorului fig…

Factorii de umplere ai comenzii vectoriale pentru masina asincrona

Schema simularii sitemului de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei in MatLab/Simulink

Cuplul mecanic dat masini asincrone

Capitolul 7

Concluzii

Această lucreaza promovează tehnologiile de producere și stocare a energiei electrice

provenite din surse nepoluante și propune un sistem de acest tip, care asociază două resurse natural gratuite, vânt și apă. Astfel, acest sistem este concretizat prin producerea energiei eoliene și stocarea acesteia în energia potențială a apei.

Stocarea în energia potențială a apei este o tehnologie verificată și este singura metodă de

stocare a energiei care asigură capacitate foarte mare de stocare (de ordinul miilor de MWh) și

răspuns la cererea de energie rapid și flexibil. Principalul dezavantaj este costul inițial ridicat, care poate fi amortizat prin actualizarea centralelor hidroelectrice, dar și prin utilizarea bazinelor naturale, cum ar fi lac, mare, ocean sau cavități subterane consolidate. Stocarea în energia potențialăa apei presupune pomparea apei dintr-un bazin inferior într-un bazin superior utilizându-se o

anumită sursă de energie.

Contribuții

Contributiile autorului sunt următoarele:

1. Sinteză a mijloacelor de stocare a energiei eoliene în care se urmăresc aspecte referitor la

capacitatea de stocare, durata de stocare, timpul de răspuns la cererea de energie;

2. Analiza unui sistem de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei, stabilirea configurației unui astfel de sistem;

3. Modelarea și simularea sistemului de stocare a energiei eoliene prin pomparea apei;

4. Realizarea blocurilor de comandă în Matlab/Simulink;

Capitolul 8

Bibliografie

LdV Project HYPOS-DILETR,WP3 „Energy Storage”

Stocarea energiei de Dr. Ing. Savel Matache

KAESER Compresoare

www.despretot.info

Teza de doctorat „Contributii privind conducerea optimala a sistemelor de conversie a energiei eoliene” ing. Iulian Munteanu

Curs „Surse” Doamna Luminita Clotea

Curs „Convertoare de frecventa” Domnul Corneliu Marinescu

Curs „Echipamente electrice” Doamna Luminita Clotea

MATLAB/Simulink-Based Grid Power Inverter for Renewable Energy Sources Integration de Marian Gaiceanu (http://cdn.intechopen.com/pdfs/39358/InTech Matlab_simulink_based_grid_power_inverter_for_renewable_energy_sources_integration.pdf)

Variable speed pumped storage hydropower for integration of wind energy in isolated grids – case description and control strategies (http://cdn.intechopen.com/pdfs/9345/InTech-Variable_speed_pumped_storage_hydropower_plants_for_integration_of_wind_power_in_isolated_power_systems.pdf)

Mathematical Model of Asynchronous Machine in MATLAB Simulink (http://www.ijest.info/docs/IJEST10-02-05-112.pdf)

Pump-Storage Hydro Power Plants in the European Electricity Market https://online.tugraz.at/tug_online/voe_main2.getVollText?pDocumentNr=158702&pCurrPk=53829

„EVALUAREA PIERDERILOR ÎNTR-UN SISTEM DE CONVERSIE A ENERGIEI EOLIENE CU VITEZĂ VARIABILĂ” Sef lucrari dr. Ing. Lucian Mihet-Popa, Conf. dr. ing. Dan Nicoara

„STOCAREA ENERGIEI ELECTRICE FOLOSIND NOI DISPOZITIVE CAPACITIVE”

Ing. Raducan Elena

http://www.zacksprotos.it/condensatori.htm

Introducere in problematica energiei eoliene

Ing. Andreea FORCOȘ „Optimizarea sistemelor de stocare a energiei eoliene utilizând energia hidroelectrică”

www.opcom.ro „ Impactul hidrocentralei cu acumulare prin pompaj asupra pietelor concurentiale de energie electrica si servicii de sistem”

W. Kramer, S. Chakraborty, B. Kroposki, and H. Thomas „ Advanced Power Electronic Interfaces for Distributed Energy Systems”

K. Protopapas, S. Papathanassiou National Technical University of Athens (NTUA) „OPERATION OF HYBRID WIND – PUMPED STORAGE SYSTEMS IN ISOLATED ISLAND GRIDS”

Academic Press Series in Engineering J. David Irwin, Auburn University, Series Editor „POWER ELECTRONICS HANDBOOK”

Copyright 2004 GRUNDFOS Management A/S „PUMP HANDBOOK”

Eric Hau „ Wind Turbine fundamentals, technologies, application, economics”

Anexe

Tabelul 1: Datele de catalog ale masinii asincrone

Tabelul 2: Parametrii electrici ai masini asincrone

Tabelul 3: Datele de catalog ale generatorului sincron cu magneti permanenti

Tabelul 4: Parametrii electrici ai generatorului sincron cu magneti permanenti

Tabelul 5: Date de catalog pentru module IGBT

Bibliografie

LdV Project HYPOS-DILETR,WP3 „Energy Storage”

Stocarea energiei de Dr. Ing. Savel Matache

KAESER Compresoare

www.despretot.info

Teza de doctorat „Contributii privind conducerea optimala a sistemelor de conversie a energiei eoliene” ing. Iulian Munteanu

Curs „Surse” Doamna Luminita Clotea

Curs „Convertoare de frecventa” Domnul Corneliu Marinescu

Curs „Echipamente electrice” Doamna Luminita Clotea

MATLAB/Simulink-Based Grid Power Inverter for Renewable Energy Sources Integration de Marian Gaiceanu (http://cdn.intechopen.com/pdfs/39358/InTech Matlab_simulink_based_grid_power_inverter_for_renewable_energy_sources_integration.pdf)

Variable speed pumped storage hydropower for integration of wind energy in isolated grids – case description and control strategies (http://cdn.intechopen.com/pdfs/9345/InTech-Variable_speed_pumped_storage_hydropower_plants_for_integration_of_wind_power_in_isolated_power_systems.pdf)

Mathematical Model of Asynchronous Machine in MATLAB Simulink (http://www.ijest.info/docs/IJEST10-02-05-112.pdf)

Pump-Storage Hydro Power Plants in the European Electricity Market https://online.tugraz.at/tug_online/voe_main2.getVollText?pDocumentNr=158702&pCurrPk=53829

„EVALUAREA PIERDERILOR ÎNTR-UN SISTEM DE CONVERSIE A ENERGIEI EOLIENE CU VITEZĂ VARIABILĂ” Sef lucrari dr. Ing. Lucian Mihet-Popa, Conf. dr. ing. Dan Nicoara

„STOCAREA ENERGIEI ELECTRICE FOLOSIND NOI DISPOZITIVE CAPACITIVE”

Ing. Raducan Elena

http://www.zacksprotos.it/condensatori.htm

Introducere in problematica energiei eoliene

Ing. Andreea FORCOȘ „Optimizarea sistemelor de stocare a energiei eoliene utilizând energia hidroelectrică”

www.opcom.ro „ Impactul hidrocentralei cu acumulare prin pompaj asupra pietelor concurentiale de energie electrica si servicii de sistem”

W. Kramer, S. Chakraborty, B. Kroposki, and H. Thomas „ Advanced Power Electronic Interfaces for Distributed Energy Systems”

K. Protopapas, S. Papathanassiou National Technical University of Athens (NTUA) „OPERATION OF HYBRID WIND – PUMPED STORAGE SYSTEMS IN ISOLATED ISLAND GRIDS”

Academic Press Series in Engineering J. David Irwin, Auburn University, Series Editor „POWER ELECTRONICS HANDBOOK”

Copyright 2004 GRUNDFOS Management A/S „PUMP HANDBOOK”

Eric Hau „ Wind Turbine fundamentals, technologies, application, economics”

Anexe

Tabelul 1: Datele de catalog ale masinii asincrone

Tabelul 2: Parametrii electrici ai masini asincrone

Tabelul 3: Datele de catalog ale generatorului sincron cu magneti permanenti

Tabelul 4: Parametrii electrici ai generatorului sincron cu magneti permanenti

Tabelul 5: Date de catalog pentru module IGBT