PROIECT CONVERTOARE ELECTRONICE DE PUTERE - Proiectarea alimentarii cu energie electrica a unei case de vacanta

UNIVERSITATEA TEHNICA "GHEORGHE ASACHI" IASI

FACULTATEA DE ELECTRONICA SI TELECOMUNICATII

ANUL -VI- MASTERAT

SPECIALIZAREA: CONVERTOARE ELECTRONICE DE PUTERE

Proiectarea alimentarii cu energie electrica a unei case de vacanta

INTRODUCERE

O mare parte a energiei utilizata astazi in lume ( 80%) provine din zacamintele de combustibili fosili ( carbune, gaz, petrol) sau de uraniu. Aceste zacaminte, aceste depozite, constituite de-a lungul timpurilor si a evolutiei geologice, sunt evident, in cantitate limitata: ele sunt epuizabile.

Din contra, energiile furnizate de soare, vant, caderi de apa (cascade), cre;terea vegetalelor, maree, caldura pamantului sunt inepuizabile. In definitiv, aceste energii au doua surse : soarele ( deoarece el este la originea vantului, a ciclului apei, a mareelor, a cresterii vegetalelor ) si pamantul ( care degaja caldura).

Prin extensie, se asimileaza adesea energia obtinuta din deseuri cu energia neconventionala; se poate considera intr-adevar ca activitatea umana sau animala este continua si, deci sursa de deseuri se reinoieste mereu. Adesea, se inglobeaza sub numele de biomasa energia de origine vegetala, supranumita ,,huila verde ( padure si biocarburanti), si deseuri umane, vegetale sau animale.

Utilizarea acestor energii alternative (neconventionale) nu este noua. Inca din vremuri ancestrale s-a utilizat caldura soarelui, s-a ars lemn si deseuri, s-a utilizat, in regiunile vulcanice, caldura pamantului, s-au pus in miscare mori de vant sau de apa, s-a exploatat forta mareelor.

Desigur, mai recent, au aparut unele ,, noutati , de exemplu carburanti de origine vegetala sau producerea electricitatii direct de la soare, cand a fost descoperit efectul numit ,, fotovoltaic

Dintre toate aceste energii inepuizabile doar doua ocupa astazi un loc semnificativ in furnizarea energiei mondiale: biomasa ( 11 % ) si energia hidraulica ( 6 %). Celelalte (soarele, vantul, geotermia) au ramas pana acum marginale.

Se pune problema daca energiile alternative au vreun viitor. La drept vorbind, principala cauza a dezvoltarii energiilor alternative in secolul al XXI - lea nu tine de epuizarea rapida a celorlalte energii, cum s-a crezut recent, mai ales in cazul socurilor petroliere din anii 1970.

Intr-adevar, rezervele de petrol asigura 45 de ani consumul mondial actual, cele de gaz aproximativ 65 de ani si cele de carbune , mai mult de 200 de ani. Rezervele de uraniu sunt mult mai importante, cel mai putin daca se cunoaste bine tehnica suprageneratoarelor care permit sa se obtina de 50 de ori mai multa energie pornind de la aceeasi cantitate de uraniu.

Totusi, acest relativ optimism privind rezervele trebuie temperat :

combustibilii fosili nu se pot folosi unul in locul altuia pentru orice utilitate. De exemplu, transporturile, care reprezinta a treia parte din consumul nostru de energie, se bazeaza in exclusivitate pe petrol. Desigur, ne putem imagina ca s-ar putea destul de usor sa se extraga din carbune un nou carburant : mentolul; mai este de facut doar un pas ;

petrolul si gazul sunt foarte inegal repartizate in lume. Orientul Mijlociu detine 70% din rezervele cunoscute de petrol. Tarile din Europa de Est, din fost U.R.S.S. si din Orientul Mijlociu detin 70 % din rezervele cunoscute de gaz. De aici poate rezulta o nesiguranta in aprovizionare si o tensiune asupra preturilor. In schimb, carbunele este mult mai bine repartizat in lume (cu exceptia Africii si Americii de Sud).

In realitate, nu numai riscul epuizarii combustibililor fosili si grija sigurantei aprovizionarii, ci si alte cauze vor stimula dezvoltarea energiilor alternative in cursul secolului al XXI- lea :

lupta tot mai acuta impotriva poluarii atmosferice va favoriza energiile mai putin sau deloc poluante pentru aer cum ar fi, de exempplu, soarele, vantul, geotermia;

combustibilii fosili contribuie masiv la incalzirea progresiva a Terrei (efectul de sera), din cauza gazului carbonic pe care combustia lor o degaja in atmosfera. In cazul acesta, soarele, vantul, geotermia, ne vor proteja de aceasta incalzire si de toate consecintele climaterice. Chiar si combustia biomasei va fi benefica pentru ca gazul carbonic degajat prin arderea vegetalelor este reciclat de acestea in procesul de crestere;

desigur, energia nucleara nu contribuie la efectul de sera, dar se stie ce spaima inspira securitatea centralelor, soarta deseurilor nucleare si riscurile proliferarii armelor nucleare;

dezvoltarea sistematica a ,, huilei verzi - mai ales cand nu se taie padurile existente, se planteaza campuri si paduri in scopuri energetice, eventual pe pamanturi abandonate sau pe telina - va revitaliza regiunile rurale pe cale de a deveni deserturi.

Cu toate acestea, nu toate energiile neconventionale trebuie sa fie considerate ca fiind nedaunatoare mediului inconjurator : riscurile despaduririi datorate exploatarii abuzive a lemnului, daunele cauzate de anumiti factoori eolieni, neajunsurile provocate de anumite baraje hidroelectrice, estetica, cateodata contestabila, a unor instalatii solare, sunt tot atatea obstacole posibile in calea dezvoltarii anumitor energii alternative.

Reprosul major care se aduce acestor energii alternative - cu exceptia geotermiei - este de a fi consumatoare, chiar devoratoare de spatiu. Desfasurarea panourilor solare, a bateriilor eoliene, a culturilor energetice necesita spatiu.

Un alt handicap este caracterul intermitent al unor energii neconventionale, in special soarele si vantul, care nu se transporta sau nu se stocheaza.

Ultimul handicap de inlaturat cu privire la aceste energii neconventionale ar fi costul lor, chiar daca lucrurile au evoluat rapid in acest domeniu ( tabelul 1). Trebuie totusi subliniat ca anumite energii care par scumpe, in special energia solara, sunt de acum inainte interesante pentru a alimenta anumite regiuni care nu vor fi prea curand deservite de o retea de distributie electrica ( aproape jumatate din populatia mondiala!).

In ciuda tuturor riscurilor care pot exista in materie de previziuni demografice, economice, tehnologice sau ecologice, mai multe scenarii estimeaza ca partea energiilor neconventionale ar putea atinge 27 % in anul 2002 ( in loc de 18 - 19 % in prezent) .

Tabel 1

Necesitatea unui instrument de evaluare

de proiecte in energiile alternative

Cand se prezinta unor eventuali comanditatri un proiect de exploatare de surse de energie, primele intrebari puse sunt in legatura cu exactitatea estimarilor, cu riscul depasirii costurilor si compararea cu alte proiecte, din punct de vedere financiar. Este foarte dificil sa furnizezi raspunsuri precise la aceste intrebari, caci autorii estimarilor se confrunta cu mai multe dileme :

a mentine costurile de dezvoltare a proiectului cat mai scazute posibil, deoarece s-ar putea intampla ca acesta sa nu poata fi finantat sau ca el sa nu fie rentabil in comparatie cu proiectele de exploatare a altor surse de energie;

a creste timpul si banii consacrati lucrarilor de inginerie pentru a putea estima cu mai multa precizie costurile potentialeale proiectului sI obtinerea energiei prevazute.

In general, se poate rezolva o parte a dilemei procedand pe etape, fiecare reprezentand o crestere a cheltuielilor cu aproximativ o treapta, ceea ce permite reducerea la jumatate a incertitudinii estimarilor de pret al proiectului, ( asa cum este indicata in tabelul 2, care se refera la proiectul unei centrale hidroelectrice ).

Tabel 2 - Relatia dintre costul pregatirii proiectului sI exactitatea estimarilor

Nota : 1. Costurile nominale cresc cu cate o treapta la fiecare faza,in timp ce costurile reale pot sa cresca cu un factor de 3 la 10.

Chiar procedand progresiv pe etape, la sfarsitul proiectului costurile reale pot sa mai creasca cu inca aproximativ 20 % fata de estimarile facute in faza studiului de fezabilitate. Se cunosc mai multe proiecte ale caror costuri reale au fost de doua ori mai ridicate decat costurile estimate la inceput.

Procesul de dezvoltare al unui proiect

Dezvoltarea unui proiect de exploatare a unei surse de energie comporta, in mod obisnuit, patru etape principale de la formularea ideii pana la realizarea ei :

analiza de prefezabilitate;

analiza de fezabilitate;

dezvoltarea ( care cuprinde sI finantarea ) si ingineria;

constructia si punerea in functie.

La sfarsitul fiecarei etape, initiatorul proiectului trebuie sa decida daca se poate trece la urmatoarea etapa. Timpul si banii alocati si promotorii se pot schimba pe parcurs. ( figura 1 ilustreaza procesul ).

Se intampla sa se confunde analiza de prefezabilitate cu analiza de fezabilitate caci nu exista o definire precisa a acestor doua notiuni.

Figura 1 - Etapele dezvoltarii unui proiect

Analiza de prefezabilitate

Dupa tehnologiile luate in consideratie si anvergura proiectului, analiza de prefezabilitate poate costa de la 2 000 pana la 10 000 $ si poate dura de la 2 luni pana la 2 ani. Ea poate cuprinde in general, o scurta analiza a modurilor de producere a energiei, cele mai promitatoare din punct de vedere economic. Cea mai mare parte a activitatilor consta in utilizarea de acte existente, dar o vizita la fata locului poate fi necesara atunci cand proiectul ofera un important potential.

La sfarsitul analizei de prefezabilitate, se poate decide oprirea procesului sau intreprinderea unei analize de fezabilitate. Se poate ca aceasta analiza sa nu fie necesara in cazul unui proiect de scara mica, cand tehnologia in discutie apare clar ca cea mai economica, si investitia este relativ slaba. In acest caz, analiza de prefezabilitate poate furniza o estimare destul de precisa a producerii energiei si a costurilor.

Analiza fezabilitatii

In functie de tezhnologiile considerate si anvergura proiectului, analiza fezabilitatii poate costa intre 1 000 sI 100 000 $ si poate dura intre 3 luni sI 2 ani. Ea poate cuprinde analize informatice detaliate a seriilor cronologice, vizite la fata locului, evaluarea resurselor si nevoilor energetice cu masuri pe loc, daca este necesar.

Cu privire la analiza fezabilitatii, se decide daca se investeste sau nu in proiect, alegand cea mai buna tehnologie ( se poate recurge la mai multe tehnologii pentru a raspunde cererilor de incalzire si electricitate ). In aest stadiu se determina capacitatea instalatiilore in in putere si in energie, si se stabilesc fluxurile monetare detaliate.

Dezvoltare si inginerie

Saca analiza fezabilitatii da rezultate pozitive, se trece la etapa de dezvoltare si inginerie ale carei costuri sunt in functie de tehnologiile prevazute pentru exploatare si de anvergura proiectului.

In ciuda importantelor investitii consimtite de uinitiator sau de client, un proiect poate sa nu se realizeze, mai ales din cauza lipsei de finantare sau pentru ca organisme ale protectiei mediului se opun acestui proiect sau pentru ca importante elemente de cost nu au fost luate in considerare in analizele de prefezabiliate sau fezabilitate.

Constructia si punerea in functie

Constructia si punerea in functie a instalatiilor are loc atunci cand sunt gata lurarile de dezvoltare si inginerie. Totusi anumite activitati de dezvoltare, cum ar fi pregatirea personalului sau relatiile publice, se pot derula pana la sfarsitul proiectului.

Capitaluri si risc

Pentru finalizarea unui proiect, trebuie parcurse un numar de etape cririce. Pemasura ce proiectul avanseaza, capitalurile si resursele investite sunt tot mai importante. In schimb, riscul se diminueaza ( chiar daca capitalurile cresc) pe masura ce nivelul de detaliu al analizelor face estimarile de cost si de producere de energie mai detaliate. Figura 2 ilustreaza situatia pentru proiectele de centrale hidroelectrice (Gordon, 1989). Deci, este esential sa se efectueze rapid o buna eveluare initiala pentru a permite initiartorului sa evite investitia intr-un studiu de fezabilitate a unui proiect nerentabil financiar.

Obstacole in executarea de proiecte de exploatare

a energiilor neconventionale ( alternative)

Analiza de prefezabilitate permite evitarea unor importante obstacole in executarea proiectelor de exploatare a energiilor neconventionale sI aceaste din anumite motive, cum ar fi :

Pana acum, nu s-a acordat proiectelor de exploatare a energiilor neconventionale toata atentia pe care o meritau pentru ca totdeauna a fost mai usor sa se evalueze proiectele de exploatare a energiilor conventionale: costurile sunt mai usor de estimat, caracteristicile tehnologiilor sunt monitorizate si aprovizionarea cu energii conventionale pune, in general, putine probleme. Initiatorii de proiecte cu energii conventionale pot evita adesea analiza prefezabilitatii sau a fezabilitatii.

Studiul prefezabilitatii poate necesita o importanta miza de fonduri initiala, fara garantia succesului. Acest risc financiar s-a dovedit un obstacol major pentru industria energiilor neconventionale care este relativ noua si subcapitalizata.

Cum proiectele actuale ale energiei neconventionale au o anvergura relativ limitata, costurile initiale de evaluare sunt proportional superioare celor pentru proiectele de energii conventionale de o mai mare anvergura.

Dat fiind faptul ca proiectele curente de energii neconventionale ( alternative) se caracterizeaza printr-o investitie initiala relativ importanta si cheltuieli de exploatare putin ridicate ( resursa energetica este adesea ,, gratuita ), este esential sa se efectueze o analiza mai aprofundata a costului pe ciclu de viaza pentru o evaluare corecta a rentabilitatii lor.

Nu exista inca o metoda detaliata si normalizata de analiza a prefezabilitatii proiectelor de exploatare a energiilor neconventionale. Se intampla adesea ca sa se efectueze o analiza de fezabilitate aprofundata fara sa fi supus in prealabil, diferitele optiuni unei rapide evaluari. Mai mult, cum nu exista date de baza pentru studii, se poate pierde mult timp pentru a le cauta. Astfel, inca din primele stadii ale acestor proiecte, investitiile nefiind folosite intr-o maniera optima, iar cheltuielile fiind excesive, clientii erau nesatisfacuti.

Aceste obstacole au impiedicat adesea execuatrea de proiecte comercial viabile de exploatare a energiilor neconventionale chiar daca acestea reprezinta optiunea cea mai rentabila, daca se compara cu costurile pe ciclu de viata.

Energia eoliana

Energia eoliana este folosita pentru a actiona un generator cu magneti permanenti pentru a genera curent alternativ, care este transformat in curent continuu si inmagazinat in acumulatori. Curentul continuu de la acumulatori este transformat in curent alternativ de un invertor si utilizat de diferiti consumatori.

Inainte de instalarea unui astfel de generator trebuie avute in vedere urmatoarele aspecte:

Viteza medie a vantului: Cu cat este mai mare viteza vantului cu atat mai multa electricitate poate genera sistemul eolian. Este recomandata alegerea unei zone in care viteza medie a vantului este de minim 3m/s.

Turbulente: Acestea pot reduce semnificativ eficienta sistemul eolian. Va rugam sa amplasati turbina eoliana intr-o locatie fara turbulente.

Inaltimea stalpului: Inaltati stalpul cat mai sus posibil deoarece cu cat va departati de suprafata pamantului cu atat viteza vantului este mai mare si mai constanta. In podisuri sau campii inaltimea recomandata este de minim 6m. Inaltimea recomandata pentru sistemele noastre eoliene este intre 6m si 18m.

 Caracteristici:

Aplicabilitate practica si o solutie rentabila in zonele fara conexiune la reteaua electrica.Functioneaza si la viteze mai mici ale vantului

Potential eolian in Europa

Panourile solare

Tehnologiile  solare folosesc energia soarelui pentru a produce caldura, lumina, apa calda si chiar aer conditionat pentru locuinte si zona industriala. Panourile solare sunt una cele mai populare surse de energie alternativa folosita pentru sistemele electrice private si industriale. Oricine poate folosi aceasta energie gratuita.

Modulule fotovoltaice sunt concepute special pentru consumuri mari de energie. Panourile fotovoltaice au o durata mare de viata, de aproximativ 25 ani si pot fi folosit atat pentru sisteme conectate la sistemul national energetic cat si pentru sisteme independente.

Potentialul de utilizare a energiei solare in Romania este relativ important, existand zone in care fluxul energetic solar anual, ajunge pana la 1600 kWh/m²/an. In majoritatea regiunilor tarii, fluxul energetic solar anual, se situeaza intre 1250÷1350 kWh/m²/an.

Conform expertilor in energie regenerabila un sistem electric de dimensiuni reduse, care combina tehnologia eoliana cu cea fotovoltaica ofera mai multe avantaje fata de cele 2 sisteme considerate individual.

In multe locatii, viteza vantului este mica vara, iar soarele are cea mai mare putere. In schimb vantul este mult mai puternic iarna, cand soarele are o mai mica putere. Deoarece perioadele de maxima eficienta pentru cele doua sisteme sunt diferite, un sistem hibrid poate produce energie mai multa atunci cand aveti nevoie de ea.

Turbine eoliene

Generalitati

O turbina eoliana, cunoscuta si sub numele de aeromotor este parte dintr-un sistem eolian care realizeaza conversia energiei eoliene in energie mecanica. Exista doua mari clase de turbine:

cu ax orizontal: multipala, cu viteza lenta, si tripale sau bipale rapide.

cu ax vertical: tip Savonius, tip Darrieus etc.

Trebuie precizat ca turbinele cu ax vertical sunt inca in stadiul de testare a prototipurilor. Marea majoritate a realizarilor la nivel industrial priveste deci masinile cu rotor cu ax orizontal.

Pentru acestea din urma, tipologia constructiva cea mai adeseori adoptata a fost cea cu rotor tripala. Totusi, interesul constructorilor s-a intors inapoi catre solutiile bipale.

Tehnologia unitatilor cu rotorul cu diametrul mai mic de 25 m, corespunzator unor puteri instalate de 150 - 200 kW, este din pacate bine cunoscuta.

La polul opus, aerogeneratoarele de mari dimensiuni fac adesea apel la solutii tehnice cu adevarat inovatoare, cum ar fi proiectele italiene GAMMA 60 de 1500 kW sau cel M55 de 800 kW.

Avand in vedere ca viteza nominala a generatoarelor electrice este adeseori mare, devine necesara utilizarea unui multiplicator mecanic intre aeromotor si generator.

Parametrii principali

Cele mai importante caracteristici geometrice ale acestui tip de eoliana sunt prezentati in figura I.8

O sectiune prin pala la distanta r de axa turbinei se defineste prin:

profil, adica forma sectiunii

axa de referinta AB, care poate fi coarda profilului

unghiul de calaj β, intre axa de referinta si planul de rotatie (planul perpendicular pe axa de rotatie)

Latimea palei notata c, la distanta r de axa elicei coincide cu latimea corzii profilului. Variabila c depinde de raza r si functia c(r) defineste forma palei, reprezentata in planul elicei.

Figura I.8 - Turbina eoliana cu ax orizontal si doua pale

Unghiul de calaj β depinde de raza r: este mare la r = R_b (R_b este raza la butuc) si scade spre extremitatea palei. Torsiunea specifica a palei este definita prin raportul ; este de ordinul a 1 pana la 2 grade pe metru.

Pasul unei sectiuni de raza r este definit prin relatia

(25)

Pasul geometric conventional al elicei este pasul sectiunii de raza r = 0,7R. Prin conventie, sectiunea palei de raza r = 0,7R este numita sectiune de baza.

O elice se numeste cu pas variabil sau cu calaj variabil atunci cand orientarea palei prin raport cu butucul se modifica pe parcursul functionarii.

Principiul de functionare

Analiza calitativa a functionarii unei eoliene ia in calcul vectorul de viteza a aerului w in raport cu elicea, pentru o sectiune situata la o distanta r de axa elicei. In figura I.9, au fost reprezentate vitezele si fortele pe sectiunea considerata.

Viteza w rezulta din compunerea vitezei vantului v si a vitezei sectiunii datorata rotatiei, . Unghiul format de vectorul w cu coarda de referinta este numit unghi de incidenta i.

Forta F exercitata de vant asupra sectiunii se descompune in doua forte:

portanta dL, normala pe viteza w

forta de antrenare dD, paralela cu viteza w.

F se mai poate descompune si dupa:

apasarea in directia de rotatie dFt

apasarea axiala dFa

Figura I.9 Reprezentarea vitezelor si a fortelor pentru o sectiune situata la o distanta r de axul elicei

Prin integrare pe latimea palei, se obtine:

(26)

unde Cx si Cz sunt, respectiv, coeficientii adimensionali, de antrenare si de portanta, A este suprafata palei (coarda inmultita cu lungimea palei), iar r este densitatea aerului.

Coeficientii adimensionali C_x si C_z depind de profilul palei si de unghiul de incidenta i. Aceasta dependenta este reprezentata in figura I.10, pentru un profil de tip NACA. La analiza functionarii turbinelor eoliene se foloseste diagrama raportului C_x/C_z in functie de unghiul de incidenta. Acest raport reflecta randamentul conversiei energiei eoliene.

In figura I.11, se constata ca exista un unghi de incidenta optim i_opt, pentru care acest randament este maxim.

Analiza calitativa a functionarii aeromotorului, prin utilizarea diagramelor de viteza si de forte din figura I.11 dezvaluie mai multe aspecte:

La punerea in miscare a turbinei, w = v, deoarece . Unghiul de incidenta este mare, iar cuplul foarte mic. Pentru cresterea acestuia din urma, este necesara adoptarea unui unghi de calaj mare, β = β_D

Dupa punerea in miscare a eolienei, presupunand ca viteza vantului ramane constanta, pe masura ce valoarea creste, unghiul de incidenta scade. Punctul orbital pe caracteristica C_z/C_x = f(i) se deplaseaza spre stanga, situandu-se in jurul punctului optim (i=i_opt), sau, pentru sarcini mai reduse, pe panta ascendenta a curbei.

Obtinerea unui unghi de incidenta optim pentru o viteza tangentiala care depinde de distanta r, impune ca unghiul de calaj sa depinda si el de r: β(r)

Figura I.10: Dependenta coeficientilor C_x si C_z de unghiul de incidenta i

Figura I.11: Unghiul de incidenta optim, I_opt

Caracteristici statice

Puterea mecanica disponibila pe arborele unei eoliene este:

(27)

unde G este cuplul dezvoltat pe arbore.

Acest cuplu depinde de viteza unghiulara W si de viteza vantului v:

(28)

Ultima relatie reprezinta caracteristica mecanica a aeromotorului.

In figura 1.12, se dau caracteristicile mecanice pentru doua tipuri de eoliene de putere similara, dar de viteze diferite. Se constata ca pentru turbinele de mare viteza (cele mai utilizate), cuplul de pornire este mic.

Caracteristicile de putere corespunzatoare sunt prezentate in figura 1.13. Puterile dezvoltate de cele doua tipuri de eoliana sunt practic egale, dar vitezele unghiulare sunt diferite.

Se constata ca turbinele eoliene corespund unor sisteme de putere finita, ale caror maxime se situeaza pe panta descendenta a curbelor de caracteristica mecanica (curbele punctate din figura I.12). La polul opus, vom denumi retelele energetice nationale ca sisteme de putere infinita.

Figura I.12 Caracteristicile statice de cuplu

Figura I.13 Caracteristicile statice de putere

(stanga - eoliana lenta, dreapta - eoliana rapida).

Coeficientii de putere si de cuplu

Pentru a exprima de o maniera mai sintetica aceasta caracteristica de putere, se utilizeaza coeficientul de putere Cp, definit in capitolul I.2.1. In conformitate cu relatiile (2) si (3) din acest capitol, rezulta ca:

(29)

Acest coeficient, care este o functie de viteza specifica , anume

(30)

permite evaluarea puterii disponibile pe un arbore de eoliana:

(31)

Cuplul pe arbore este dat de

sau de relatia

(33)

unde C_G este coeficientul cuplului, in relatie cu coeficientul de putere prin:

(34)

Figura I.14 Coeficientul de putere Figura I.15 Coeficientul de cuplu

in functie de viteza specifica. in functie de viteza specifica

Formele tipice ale caracteristicilor C_p(l) si C_G l), pentru o eoliana cu pas fix, sunt prezentate respectiv in figurile I.14 si I.15.

Aerogeneratoarele

Aerogeneratoarele realizeaza o dubla conversie energetica: energia eoliana este transformata in energie mecanica iar aceasta este convertita in energie electrica. Cele doua elemente constitutive principale sunt:

turbina eoliana sau aeromotorul

generatorul electric antrenat de turbina.

Utilizarea rationala a potentialului eolian al zonei ca si productia de energie electrica avand parametrii tehnici specificati, necesita redactarea unui caiet de sarcini specific pentru alegerea turbinei si a generatorului

S-a constatat ca pentru eolienele rapide, cuplul de demaraj este mic. In plus, pentru a valorifica potentialul eolian al zonei, turbina trebuie sa demareze la o viteza a vantului cat mai mica cu putinta.

O alta conditie de functionare adeseori impusa eolienelor este mentinerea constanta a vitezei de rotatie, pentru viteze ale vantului superioare vitezei lor nominale.

Aceste eoliene rapide necesita deci un sistem de demarare si de reglare a vitezei care impune solutii de proiectare si de fabricatie speciale, bazate in general pe modificarea unghiului de calaj.

Procesul de demaraj

La demaraj, palele turbinei au unghiul de calaj β_D mare, care asigura un cuplu de demaraj mare. Dupa demaraj, unghiul de incidenta scade. Pentru ca unghiul de incidenta sa fie mentinut la valoarea sa optima (i_opt - figura I.11), trebuie sa reducem unghiul de calaj pe masura ce viteza unghiulara W creste.

O analiza sugestiva a regimului de demaraj al eolienelor rapide se poate face asupra caracteristicilor de cuplu.

Fie G_el(l) caracteristica cuplului eolienei la β = β_D, respectiv G_e(l) caracteristica cuplului eolienei la β = β₀, iar G_r(l) caracteristica cuplului rezistent (figura I.16)

Figura I.16 Caracteristicile eolienei si a cuplului rezistent

Daca se pastreaza β = β_D, se obtine punctul static de functionare P₁, pentru care corespunde viteza specifica l₁ In acest caz, puterea dezvoltata de eoliana este redusa. Micsorand unghiul de calaj β (pe parcursul procesului de demaraj), pana la valoarea sa nominala β₀, caracteristica cuplului va avea forma G_e(l). La punctul static de functionare P₀, puterea dezvoltata de eoliana va fi mai mare decat cea de la punctul P₁.

Daca, dimpotriva, se conserva unghiul de calaj la valoarea sa nominala, aerogeneratorul nu mai demareaza (G_r > G_e pentru l

Reglarea mecanica a vitezei eoliene

O turbina eoliana este dimensionata pentru a dezvolta pe arborele sau o putere numita putere nominala P_n. Puterea P_n este obtinuta plecand de la o viteza a vantului v_n numita viteza nominala. Atunci cand viteza vantului este mai mare decat v_n turbina eoliana trebuie sa-si modifice parametrii pentru a evita deteriorarea mecanica, astfel incat viteza sa unghiulara sa ramana practic constanta.

Pe langa viteza nominala v_n se mai specifica:

viteza de demaraj, v_D, incepand de la care eoliana incepe sa furnizeze energie

viteza maxima a vantului, v_M, pentru care turbina nu mai converteste energia eoliana, din ratiuni de siguranta in exploatare.

Vitezele v_D, v_n si v_M definesc patru zone pe diagrama puterii utile in functie de viteza vantului:

Figura I.17 Diagrama de putere utila pe arbore in functie de viteza vantului

zona I, unde P = 0 (turbina nu functioneaza)

zona II, in care puterea furnizata pe arbore depinde de viteza vantului v

zona III, in care viteza unghiulara este mentinuta constanta (reglare centrifuga) si unde puterea furnizata P este egala cu Pn (daca sarcina nu este functie decat de viteza)

zona IV, in care sistemul de siguranta in exploatare opreste transferul de energie.

Reglarea consta din modificarea unghiului de calaj B prin doua metode:

reducerea unghiului de incidenta. Daca viteza de rotatie creste, se creste unghiul de calaj, unghiul de incidenta descreste si punctul de functionare se deplaseaza pe caracteristica C_z/C_x = f(i) in sensul indicat in figura I.18

dezangajarea aerodinamica. Cresterea vitezei face sa scada unghiul de calaj, unghiul de incidenta depaseste valoarea optima iar punctul de functionare evolueaza in sensul indicat in figura I.19.

A doua solutie este cea mai des utilizata, deoarece panta curbei din figura I.19, care caracterizeaza procesul de dezangajare aerodinamica, este foarte mare. Aceasta asigura un coeficient mare de amplificare in bucla de reglaj, deci un statism redus al sistemului de stabilizare a vitezei de rotatie.

Figura I.18 Reglarea prin reducerea Figura I.19 Reglarea prin dezangajare

unghiului de incidenta aerodinamica

Asupra unghiului de calaj al palelor se poate actiona prin:

reglarea mecanica cu excentrice centrifuge

reglarea electronica cu servomotoare, cu ajutorul unui sistem de reglare automata a vitezei de rotatie (pentru puteri mari).

In general, modificarea unghiului de calaj al palei eolienei are patru obiective distincte:

demararea la o viteza a vantului v_D redusa

reglarea vitezei unghiulare pentru v > v_D

optimizarea regimului de conversie a energiei, atunci cand viteza vantului variaza intre limitele [v_D, v_n]

protectia eolienei impotriva vitezelor mari ale vantului (v >= v_M), prin punerea in 'berna' a palelor elicei.

Optimizarea regimului de conversie a energiei eoliene consta in asigurarea, pentru toate valorile de viteza a vantului incluse in intervalul [v_D, v_n], a unghiului optim de incidenta i_opt, prin modificarea unghiului de calaj β.

Pentru eolienele de putere mica si medie, modificarea unghiului de calaj B urma­reste obiectivele mentionate anterior, deci pe intervalul [v_D, v_n] eolienele functio­neaza la pas fix. Fiindca acest regim este mai putin complicat din punct de vedere mecanic, ne propunem sa-l utilizam ca punct de plecare pentru simularea in timp real a eolienelor.

Reglarea vitezei in jurul vitezei nominale se realizeaza cu ajutorul dispozitivelor mecanice centrifuge, incorporate in butucul eolienei.

Generatoarele electrice

In ceea ce priveste generatorul electric, solutia adoptata depinde de o serie de factori printre care enumeram: puterea nominala, modalitatile de utilizare a aerogeneratorului (in locuri izolate, conectat la o retea de putere infinita etc.), natura sarcinii si parametrii energiei electrice care se produce.

Principalele tipuri de generatoare electrice utilizate sunt: generatoarele de curent continuu, alternatoarele cu magneti permanenti, generatoarele sincrone si generatoarele asincrone clasice.

Primele doua tipuri de generator sunt utilizate pentru puteri mici. Ele sunt conectate la un circuit electronic de putere care realizeaza in anumite cazuri optimizarea conversiei energiei eoliene in energie electrica, si care adapteaza forma curentului transmis in functie de necesitatile de sarcina. De exemplu, pentru a permite stocarea in baterii de acumulatoare trebuie produs curent continuu.

Pentru a debita intr-o retea de curent alternativ, se folosesc generatoarele sincrone sau asincrone. Functionarea aerogeneratorului este deci analizata prin raportarea la doi parametri: viteza unghiulara a turbinei si frecventa retelei electrice. Se pot deosebi mai multe cazuri:

viteza constanta, frecventa constanta: viteza turbinei este controlata prin modificarea unghiului de calaj; se folosesc generatoare sincrone clasice care functioneaza in regim de reglare automata a tensiunii. Ele sunt larg utilizate in instalatiile de puteri mari.

viteza aproximativ constanta, frecventa constanta: datorita unor reglari ale unghiului de calaj, se foloseste un generator asincron in colivie, al carui defazaj variaza intre 1% si 5%

viteza variabila, frecventa variabila: deoarece consumatorii nu sunt sensibili la variatiile de frecventa, in aceste cazuri se impun generatoarele asincrone. Pentru a asigura un randament ridicat al conversiei, se pot utiliza generatoare cu numar de poli reglabil.

viteza variabila, frecventa constanta: este cazul cel mai studiat si pentru care apanajele electronicii de putere sunt esentiale. S-au facut numeroase cercetari asupra modulelor electronice care cuprind un redresor si un ondulator. Aceste module sunt asociate atat generatoarelor sincrone cat si celor asincrone, ceea ce face posibil pe de o parte optimizarea conversiei energiei eoliene, si pe de alta parte simplificarea constructiei mecanice a eolienei, deoarece se poate eventual renunta la reglarea unghiului de calaj. Solutiile cele mai moderne utilizeaza alternatoarele de mare frecventa cu modularea curentului de excitatie, sau generatoarele asincrone bobinate, cu dubla alimentare, asociate cu module electronice.

Conversia energiei eoliene

Structura sistemelor eoliene de conversie

Instalatiile care utilizeaza energia eoliana sunt compuse traditional din cinci parti:

turbina eoliana, impreuna cu anexele sale mecanice (reglaj, securitate, reductii), care, atunci cand este expusa unui vant de viteza v, se roteste cu viteza W si furnizeaza pe arborele sau un cuplu de moment G

un generator electric, care transforma energia eoliana in energie electrica alternativa sau continua

un consumator, sau utilizator, care primeste aceasta energie electrica. Acesta poate fi rezistiv (incalzire electrica), un motor, o pompa, o retea de distributie a energiei electrice. Dupa natura acestui consumator, cerintele asupra conditionarii energiei electrice utilizate difera foarte mult.

un convertor care este in general plasat intre generatorul electric si consumator si care adapteaza forma energiei electrice furnizate de generator la cerintele consumatorului.

un sistem de comanda si reglare care asigura conversia optima in regim stationar si, eventual, in regim dinamic.

Cea mai simpla structura de conversie a energiei eoliene este prezentata in figura I.20, unde T este turbina, M este multiplicatorul de viteza, GE este generatorul electric iar EP este circuitul electronic de putere. Se considera ca sistemul alimenteaza un consumator electric izolat.

Figura I.20 Structura conversiei energiei eoliene

Caracterul aleatoriu al vantului pune problema regularizarii energiei furnizate consumatorilor de catre aerogeneratoare. Exista posibilitatea ca, in anumite intervale de timp, cererea de energie sa fie mai mare decat energia care poate fi furnizata de aerogenerator. De aceea sunt prevazute solutii de regularizare cu ajutorul:

surselor alternative de energie (retea, generatoare pe motorina, baterii solare)

utilizarea energiei stocate pe perioada de supraproductie a aerogeneratoarelor (sisteme de pompare, acumulatori).

S-a propus o schema generala de conversie a energiei eoliene in care se reflecta bilantul puterilor in reteaua unui utilizator local (figura I.21)

Figura I.21 Schema generala de conversie a energiei eoliene

Puterile care intra in reteaua locala sunt:

Pa - puterea furnizata de aerogenerator

Pesa - puterea furnizata de sursele alternative

Per - puterea furnizata de reteaua nationala

Pess - puterea furnizata de sistemul de stocare

Puterile care ies din reteaua locala sunt:

Pul - puterea consumata de utilizatorul local

Psss - puterea transmisa sistemului de stocare a energiei

Psr - puterea transmisa retelei nationale

Evident, intr-o configuratie energetica reala, cu aerogenerator, exista doar o parte din fluxurile mentionate in figura I.21. Sa prezentam cateva situatii specifice:

Pa <> 0; Pul <> 0; Toate celelalte puteri sunt nule; este cazul unei eoliene autonome, fara surse alternative si fara sistem de stocare

Pa <> 0; Pesa <> 0; Pess <> 0; Pul <> 0; Per = Psr = 0; este cazul eolienei situata intr-o zona izolata, cu surse alternative si sistem de stocare

Pa <> 0; Psr <> 0; Este cazul aerogeneratoarelor de mare putere care debiteaza intr-o retea energetica nationala; reteaua locala este de fapt reteaua de racord la sistemul energetic national.

Pa <> 0; Per <> 0; Pul <> 0; (Psr <> 0); celelalte puteri sunt nule. Este cazul unui aerogenerator care alimenteaza un utilizator, sursa alternativa fiind reteaua de putere infinita.

In toate aceste situatii, este de dorit ca aerogeneratorul sa asigure o conversie optima a energiei eoliene disponibile pe moment, de asa maniera incat consumul pe surse alternative sa fie minim. Este evident ca sistemul de comanda pentru optimizarea in timp real a sistemului energetic local este important, prin raportarea la criteriul randamentului conversiei energiei eoliene.

Calculul energetic pentru o cabana

Componente sistem:

Panouri fotovoltaice: un numar de panouri fotovoltaice conectate in serie sau in paralel care produc energie in curent continuu.

Turbina eoliana: aceasta este instalata in varful unui stalp. Transforma energia eoliana in energie electrica

Controller hibrid: comanda acumulatorii, ii incarca si descarca in siguranta

Acumulatori: poate fi o singura baterie sau mai multe conectate impreuna. Alegerea capacitatii acumulatorii este o decizie foarte importanta deoarece acestia trebuie sa asigure furnizarea constanta de electricitate

Invertor: un invertor de putere pentru a transforma curentul continuu de la panouri in curent alternativ

Consumatori: aparatele electrice din cladire alimentate la invertor (CA) sau la acumulatori (CC).

Locatia dispune de urmatoarele caracteristici de potential energetic:

Energie solara timp de 4,5 ore pe zi   

Vant continu la 12m/s timp de 4 ore pe zi

Calculul consumului diurn de energie electrica. In acest scop, pentru fiecare consummator de curent continuu si alternativ se determina puterea nominala si orele de utilizare zilnica. Consumul de energie electrica, E_C, se determina ca produsul puterii nominale la numarul de ore

unde k este numarul de consumatori de c.c.; m - numarul de consumatori de c.a.; Pni, Pnj - puterea nominala a consumatorilor de c.c. si c.a.; ti, tj - durata de functionare a consumatorilor respectivi; R, CF, Ac - respectiv randamentul regulatorului de incarcare - descarcare, acumulatorului si a convertorului de frecventa. Pentru calcule prealabile R = 0,95-0,98, Ac = 0,85-0,90, CF =0,85 - 0,95.

Pentru deservirea acestor consumatori sistemul poate folosi panouri solare sau un generator eolian ( turbina eoliana) care trebuie sa produca tot necesarul de energie electrica. Acesti consumatori au nevoie de 4 KWh pe zi timp de 7 zile pe saptamana sau putem considera aproximativ un consum de 124KWh/luna.

In acest caz putem opta pentru o turbina eoliana de 1 KW model EOLIS cu urmatoarele caracteristci:

Sau sistemul cu panouri fotovoltaice dupa cum urmeaza:

Vom alege panoul fotovaoltaic

Tip Celula: mono-Si Model H1540-150 HELIOS

Acumulatorii sunt din seria SOLAR BLOCK model SB6 tensinea de 6V capacitate 330A. Aplicatile tipice includ arii de folosire diversificata.  Sunt concepute pentru a suporta maxim 1200 de cicluri cu descarcare 100% dar pot ajunge sa suporte 4500 de cicluri pentru o descarcare de numai 30%. 

Una din problemele acumulatorilor este supra incarcarea lor. In figura de mai este dat un circuit care protejeaza acumulatorii de supraincare

Schema elecrica pentru protectia acumulatorilor

Schema de conectare a releelor

Acumulatorii transforma energia chimica a combustibililor intr-o continua energie electrica. Ei reprezinta o sursa cu o densitate de energie buna si din puct de vedere teoretic o eficienta ridicata.

Din punct de vedere electric acumulatorii sunt considerati o sursa de tensiune. Solutia clasica pentru acest tip de conversie este un convertor de sprijin si un PWM, invertor cursa in tensiune.

Fig 1.Convertorul DC-AC static

Acest tip de convertor are mai multe pierderi decat alte topologii depinzand de curentul de in trare. Utilizam un switch cu 2 semiconductoare 1 dioda + IGBT , deoarece avem nevoie de un blocaz bidirectional. Trebuie sa acceptam o pierdere aditionala pentru a utiliza aceasta topologie.

Frecventele armonice mai mici decat frecventa pulsului sunt neglijabile. Pierderile in comutatie sunt reduse dearece exista cateva comutatii si switch comutate cand tensiunea lor este cat mai mica posibil. Cu acesta strategie de modulatie caracteristicile energetice pot fi imbinatatile comparabil cu alte convertoare.

Trei ramuri cu 2 switch din circuitul de putere a PWM, a invertorului cu srsa in curent asa cum observam in figura 1 b. switch trebuie sa fie capabile sa blocheze atat tensiunea pozitiva cat si cea negativa. Ele sunt realizate din o diona si si o IGBT.

Conectate in serie, au rol de inductor. Valoare lui L0 depind de variatia curentului permisibil in DC. Depind de asemenea si de frecventa pulsatiilor PWM invertor curent sursa. Invertorul curent sursa PWM este conectat la o retea industriala cu 3 faze cele 3 surse de tensiune reprezinta reteaua in 3 faze inpreuna cu capacitatea filtrului de iessire.

Pentru stategia de modulatie sunt utilizate 2 tipuri de functii pentru acalcula semnalele de control din poarta. Primul tip de semnale sunt sectoarele. Sectoarele impart o retea periodica in 6 parti diferite in functie de tensiunea retelei in 3 faze. Cele trele 3 sectoare sunt:

Unde U1 sunt tensiunele retelei in 3 faze.

Figura 2 arata diferenta sectoarelor s1-s6 .

Fig2 Definirea sectoarelor a tensiunii de iesire

Dealungul fiecariu sector, comportamentul modulatiei este acelasi. Doar switch-urile active se schimba dintro ramura in alta. Al doilea tip de semnale sunt semnalele modulate. Aceste semnale sunt bazate pe PWM cu schimbare unipolara. Un curent modulat unipolar se schimba intre 0 si 1 in jumatatea pozitiva a retelei si intre 0 si -1 in perioada negativa a jumatatii retelei.

Semnalele sunt obtinute comparand Ucmi , valoare absoluta Ui si Uhi, 3 semnale triunghiulare diferite defazate prin 2pi/3 . asa cum se obs in fig 3 prin comparatia lui Ucmi cu Uhi rezulta semnalele logice de control urmatoare

Invertorul sursa curent PWM are 2 celule de comutatie. In celula 1 fig 1 b switch-urile sunt conectate la 2 retele inalte de tensiune. In celula 2 switch-urile sunt conectate la 2 retele joase de tensiune. Switgh-urile care comuta schimba fiecare sector . Dea lungul primului sector in celula de comutatie 1, sw1,1 sw3,1 sunt controlate cu semnalel modulate d1 d1(cu bara deasupra)

Fig3. PWM semnal generat

In fiecare sector pe fiecare ramura exista o modulatie bipolara, doarece sunt 2 switch-uri comutate, semnalele ce centroleaza portile ale IGBT-urilor sunt calculate utilizand algebra booleana. Aceste functii sunt definite ca:

Fig4. Semnalul de control IGBT_1.1

Fig5. Curentul de iesire PWM

In figura 4 semnalele sunt reprezentate, impreuna cu semnalul de control al portii a lui TR1,1 . acest IGBT este in comutatie celului 1.

Semnalul de control al portii corespunde lui d1 delungul S1 S2, la d2(bara deasupra) dealungul S3 si la d3(bara deasupra) delungul lui S6.

In fig 5 , curentul liniar in prima faza a conexiunii AC se poate observa. In sectoarele S1 S2 sau S4 si S5 exista un curent unipolar pozitiv sau negativ. In sectoarele 3 si 6 avem un curent bipolar.