Curs Florea

7/23/2019 Curs Florea

1/92

Gheorghe FLOREA

SURSE DE ENERGIE REGENERABILEOLIENE I FOTOVOLTAICE

I ASPECTELE TEHNICE PRIVIND IMPACTULACESTORA ASUPRA FUNC

ION

RII

SISTEMULUI ELECTROENERGETIC

SE19-1

2014


2/92

Verificator: Teodor DOBRIC

Tehnoredactare: Gabriela DRON

Revizia: 01 2 3 4 5 6 7 Avizat CTA nr. 22/2010

Reproducerea integralsau pariala textului din aceastbroureste permisnumai cu acordulprealabil scris al S. C. FORMENERG S. A.


3/92

CUPRINS

Introducere ....................................................................................................................................... 5

1. CENTRALE FOTOVOLTAICE ................................................................................................................61.1. Principiul de funcionare. Racordarea la sistem ...................................................................... 61.2. Racordarea centralelor fotovoltaice la sistemul electroenergetic .......................................18

2. TURBINE EOLIENE. ASPECTE GENERALE .......................................................................................222.1. Modul de amplasare a turbinelor eoliene................................................................................ 222.2. Energia i puterea vntului .......................................................................................................232.3. Turbina eolian n fluxul de aer ............................................................................................ 242.4. Limita lui Betz ............................................................................................................................242.5. Efectul numrului de pale i al diametrului rotorului ............................................................. 252.6. Tipuri de turbine eoliene ......................................................................................................... 29

2.7. Strategii de reglare i control ale turbinelor eoliene ............................................................. 302.8. Algoritm de comandoptimal pentru turbine eoliene ........................................................... 322.9. Variante de acionare a generatorului .................................................................................... 352.10. Configuraii de turbine eoliene .............................................................................................. 37

3. TURBINE EOLIENE CU GENERATOR DE INDUCTIE DUBLU-ALIMENTATE CUVITEZA VARIABIL(WT- DFIG) - FUNCIONAREA NORMAL ...................................................... 43

3.1. Principiul de functionare a DFIG ............................................................................................. 433.2. Sistemul de control general al unei turbinei eoliene vitezcu DFIG .................................... 453.3. Controlul DFIG ..........................................................................................................................48

4. TURBINE EOLIENE CU GENERATOR SINCRON CU POLI MULTIPLI CU MAGNET PERMANENT(PMSG) ............................................................................................................................................. 49

4.1. Generatoare multi - polare actionate direct ........................................................................... 494.2. Configuratia sistemului de turbine eoliene cu generatoare sincrone cu magnei permaneni

(PMSG) cu poli multipli si viteza variabila ............................................................................... 504.3. Modelul generatorului sincron cu magneti permanenti(PMSG) ........................................... 52

4.4. Configuratia convertorului complet de frecven ................................................................ 544.5. Controlul convertorului total de frecventa ............................................................................. 574.6. Strategii de control ale convertorului ...................................................................................... 59

5. INTEGRAREA CENTRALELOR ELECTRICE EOLIENE IN SEN ........................................................ 63

5.1. Preocuprile Transelectrica pentru integrarea CEE in SEN ................................................. 655.2. Cerine tehnice pentru o CEED n vederea probelor de punere n funciune ......................655.3. Participarea turbinelor eoliene moderne la seviciile auxiliare de sistem ............................. 705.4. Aspecte specifice privind integrarea generatoarelor eoliene in SEN .................................815.5. Reducerea productiei CEED ..................................................................................................... 82

Bibliografie


4/92


5/92

Surse de energie regenerabil SE19-1

INTRODUCERE

Dezvoltarea surselor regenerabile de energie ca o sursa energetica importanta si nepoluanta este unul dinprincipalele obiective ale politicilor energetice mondiale care au drept scop cresterea sigurantei in alimentareacu energie dar si protejarea mediului inconjurator.

Adoptarea in 1997 a Protocolului de la Kyoto asupra Conventiei-cadru a Natiunilor Unite despre schimbarileclimatice (1992)a dat un impuls deosebit dezvoltarii surselor regenerabile de energie ca unul din principaleleobiective ale politicilor energetice mondiale.

Sursele regenerabile urmeaza sa capteze energia din anumite procese naturale si sa inlocuiasca energiaconventionala generata de combustibilii fosili.

Limitarea rezervelor de combustibili fosili si efectele nocive pe care le au asupra mediului a condus ladezvoltarea de noi tehnologii de obtinere a energiei electrice, resursele regenerabile, fotovoltaice si eolieneconstituind surse viabile in acest sens.

In cazul generarii solare fotovoltaice, energia electrica este produsa direct prin intermediul celulelorsemiconductoare de siliciu pe baza energiei continute de radiatia solara. Convertoarele statice de putere suntutilizate pentru a asigura injectarea in reteaua electrica.

In cazul energiei eoliene generatorul actionat de turbina eoliana injecteaza puterea in retea prin intermediulunui convertor static de putere pentru a mentine frecventa tensiunii/curentului la frecventa nominala de 50 Hz.

In cursul de fata se vor prezenta principiile producerii energiei electrice de catre instalatiile fotovoltaice simodul in care sunt racordate la reteaua electrica.

Deasemenea sunt prezentate principiile producerii de energie din resurse eoliene , principalele tipuri deturbine si generatoare dezvoltate in acest sector si modalitatile de control ale acestora pentru functionareaoptima in paralel cu sistemele electroenergetice.

Cerine tehnice pentru racordarea la retea si pentru efectuarea probelor de punere n funciune fac obiectuluneia din lectiile prezentului curs.

Suportul de curs este realizat pe baza unor lucrari specialitate din domeniu care au fost mentionate inbibliografia anexata la fiecare lectie.

5


6/92

SE19-1 Surse de energie regenerabil

6

1. CENTRALE FOTOVOLTAICE

1.1. Principiul de funcionare. Racordarea la sistem

1.1.1. Introducere

n prezent, cea mai mare parte a energiei necesare pentru consumul zilnic se obine prin ardereacombustibililor fosili: crbune, petrol i gaze naturale.

Dintre combustibilii fosili petrolul i gazele naturale , se presupune cse vor epuiza n cca. 30 - 50 de ani.

Chiar dacar fi posibilreducerea la jumtate a consumului de energie electricn rile industrial dezvoltatecererea globalde energie electrics-ar dubla fade cea de astzi.

Se pune problema: ce surse de energie sunt necesare pentru a satisface aceste cerine? Creterea produceriienergiei electrice prin arderea combustibililor fosili tradiionali ar periclita echilibrul ecologic. Speranaenergeticienilor se bazeazpe gsirea de noi soluii i procedee, care ar satisface necesitile de energie ale

omenirii n urmtoarele decenii sau secole. n prim plan, initial, au fost puse soluiile legate de energianuclear, ns, dupavariile de la centralele Three Miles Island din SUA i Cernobl din Ucraina, s-a simitnecesitatea elaborrii altor soluii, mai prietenoase mediului.

O datcu prima crizpetrolierde la nceputul anilor '70, societatea umana nceput scontientizeze dince n ce mai mult necesitatea elaborrii unei strategii susinute de cretere a eficienei de utilizare a energiei ide implementare a programelor de eficien energetic pe fondul diminurii ngrijortoare a rezervelor decombustibili fosili. Astzi, putem vorbi de o politic energetic mondial i de o strategie concertat dereducere a emisiilor poluante n atmosfer, fundamentate pe soluii tehnico-economice concrete de utilizareraional a rezervelor de combustibili fosili (care dein n continuare ponderea principal n producerea deenergie) i de valorificare pe o scartot mai larga resurselor energetice regenerabile, aa-numitele energii

curate sau energii neconvenionale, o alternativ la actualul sistem de valorificare energetica rezervelorcombustibile ale omenirii.


7/92


Energiile regenerabile, solarsi eolian, prietenoase mediului nu sunt astzi n stare, ns, sacopere acestenecesiti mereu crescnde.

Deoarece toate sursele tradiionale de energie utilizate polueaz mediul ambiant, energiile regenerabile,practic sunt lipsite de acest efect negativ de poluare a mediului.

Diversificarea surselor de energie devine un imperativ economic i ecologic. Aceste energii alternative senumesc energii regenerabile. Cele mai cunoscute surse regenerabile de energie sunt: energia solar(direct,fotovoltaici termic), eolian, hidraulic(prin utilizarea energiei poteniale i cinetice a apei), geotermal,bioenergia .a. Frenergie nu pot fi meninute standardele moderne de bunstare, educaie i sntate.

Energia modern este cauza a numeroase probleme de mediu. Va trebui gsit un compromis ntre cerereacrescnd de servicii energetice i necesitatea acut de a proteja mediul ambiant. n viziunea multorcercettori, soluia problemei const n revenirea omenirii la surse de energie regenerabil,iar secolul al XXI-lea var putea fi al energiilor regenerabile.

Termenul fotovoltaic deriv din combinaia cuvntului grec photos, ceea ce nseamn lu-min i numeleunitii de msur a tensiunii - volt. Astfel, tehnologia fotovoltaic (PV) descrie procesul de generare a

electricitii cu ajutorul luminii.Prima celulPV a fost construitde electricianul american Charles Fritts n 1883 pe bazde seleniu i a fost

patentatn anul 1884. Construcia celulei era foarte asemntoare cu celulele de astzi. Dar eficiena celuleiera mai micde 1% i nu a fost utilizatindustrial.

Dupaproximativ un secol de la prima descoperire a efectului, Albert Einstein a primit premiul Nobel n fizicn 1921 pentru explicarea efectului fotoelectric, fapt care a permis utilizarea practica celulelor fotovoltaice. nanul 1946, Russell Ohl a inventat celula solar, urmatde inventarea n anul 1947 a tranzistorului.

La mijlocul secolului al XX-lea, savanii i inginerii au revenit asupra studiului efectului fotovoltaic, care are locn semiconductoare. n anul 1953, echipa de ingineri de la Telephone Laboratories (Bell Labs) creeazcelulaPV din siliciu cu o eficien cu mult mai mare dect celula din seleniu. n urmtorul an, aceeai echip

construiete o celuldin siliciu cu un randament de 6%. n acelai timp apar i primii consumatori de energiefotovoltaic sateliii artificiali. n anul 1957, celule PV au fost instalate pe primul satelit artificial al pmntului

Sputnic 3, iar n anul 1958 celulele PV au fost instalate la bordul satelitului american Vanguard 1 i serveaupentru alimentarea unui emitor radio. Pn n prezent, celulele PV sunt cele mai recomandate surse deenergie pentru tehnica spaial. La mijlocul secolului al XX-lea, savanii i inginerii au revenit asupra studiuluiefectului fotovoltaic, care are loc n semiconductoare. n anul 1953, echipa de ingieri de la TelephoneLaboratories (Bell Labs) D. Chapin, C. Fuller i G. Pearson creeazcelula PV din siliciu cu o eficiencu multmai mare dect celula din seleniu. n urmtorul an, aceeai echip construiete o celul din siliciu cu unrandament de 6%. n acelai timp apar i primii consumatori de energie fotovoltaic sateliii artificiali. n anul1957, celule PV au fost instalate pe primul satelit artificial al pmntului Sputnic 3, iar n anul 1958 celulelePV au fost instalate la bordul satelitului american Vanguard 1 i serveau pentru alimentarea unui emitorradio. Pn n prezent, celulele PV sunt cele mai re-comandate surse de energie pentru tehnica spaial.Competiia ntre SUA i ex-URSS din anii 60 ai secolului trecut n domeniul surselor de alimentare cu energieelectric a sateliilor a condus la o dezvoltare spectaculoas a tehnologiei PV i s-a produs o ruptur ndependena rigid a energeticii descentralizate de sursele tradiionale: grupuri electrogene, baterii deacumulatoare sau baterii uscate.

Prin folosirea efectului fotovoltaic are loc conversia direct a luminii solare n energie electric. Tehnologiaconversiei directe exclude transformrile intermediare: radiaia solar n energie termic, energia termic nenergie mecanic, energia mecanicn energie electricde curent alternativ. Conversia directse realizeazcu ajutorul materialelor semiconductoare, folosind efectul fotovoltaic. Spre deosebire de generatorulelectromecanic, generatorul fotovoltaic, aa-numita celul fotovoltaic, produce energie electric de curent

continuu.

7


8/92


8

1.1.2. Celula fotovoltaic: caracteristici i parametri tehnici

1.1.2.1. Construcia i principiul de funcionare

Celula fotovoltaiceste un dispozitiv opto - electronic, a crui funcionare se datoreazefectului generrii dectre lumina purttorilor de sarcinliberi i separarea lor de ctre cmpul electric intern a al jonciunilor p - n.

Ca material iniial pentru fabricare se utilizeaz, de obicei, siliciu cristalin sau policristalin, n care prin diversemetode tehnologice se formeazstraturi cu conductibilitate diferitpentru a obine jonciunea p - n. Materialulsemiconductor de bazcare se folosete pentru producerea celulelor PV este siliciul.

n tabelul de mai jos se prezintrandamentul conversiei PV bazate pe trei tipuri de materiale foto-voltaice:siliciu cristalin, siliciu policristalin i siliciu amorf.

Materialul celulei solare Siliciu cristalin Siliciu policristalin Siliciu amorf

Randamentul conversiei energiei(%) 15-22 14-15 7-10

Din punctul de vedere al cotei de participaie pe piaa mondiala diferitelor tehnologii de producere a celulelorPV, se poate afirma cpeste 84% din producia mondialde celule PV este bazatpe siliciu policristalin icristalin. n prezent, tehnologia siliciului policristalin i cristalin este cea mai avansat, asigurnd producereade module PV la scarindustrialcu un randament de 14 -17% i cu o duratde viaa modulelor de 30 deani. Dar aceasttehnologie are un dezavantaj esenial: este potenial limitatdin punctul de vedere al scderii

n viitor a costurilor de producere a celulelor PV. Experi n domeniu considerc, producerea unui watt nu vascdea mai jos de 2 . Din acest punct de vedere, tehnologia siliciului amorf i a siliciului n straturi subiri areo perspectiv mai promitoare. Costul unui watt produs cu aceste tehnologii va scdea pn la 1 - costlimit la care energia electric PV devine mai ieftin dect energia electric produs din surse fosile. Sepresupune c din aceste motive, n ultimii ani se constat o redistribuire a pieei mondiale n favoareatehnologiei siliciului amorf i n straturi subiri.

Figura 1 a ) si b). Schema constructiva celulei fotovoltaic

Fig.1c). Principiul de funcionare a celulei solare cu semiconductori: fotonii incidentali elibereazelectroni i goluri, carese vor separa n cmpul electric al zonei de sarcinspaiala jonciunii p-n


9/92


n figura 1 de mai sus, este prezentatschema constructiv simplificata celulei PV, avnd la bazmaterialsemiconductor de tip p. S analizm fenomenele care au loc dac celula PV este expus unei radiaiiincidente. Aceast radiaie poate fi echivalat cu un flux de fotoni, care au energia: E = hv, unde h esteconstanta lui Planck, iar v este frecvena fotonilor. Dacenergia fotonului este mai mare ca energia benziienergetice interzise a semiconductorului, atunci, n urma interaciunii fotonului cu un atom, electronul din

banda de valen va trece n banda de conducie, devenind liber, genernd, totodat, un gol n banda devalen. Astfel, sub aciunea fotonilor, are loc generarea de perechi electroni - goluri. Acest efect se mainumete efect fotovoltaic interior. n figura 1.a, fotonulA are o frecvenmai mici, deci, o energie mai mic,iar fotonul B are o frecven mai mare i, corespunztor, o energie mai mare (unda electromagnetic cufrecvenmicptrunde n material la adncimi mai mari i invers).

Purttorii de sarcin liberi sunt separai de cmpul electric al jonciunii p - n, caracterizat prin potenialul debarierU0i care, n funcie de tipul semiconductorului folosit, este de circa 0,2 -0,7 V. Aici, cmpul electric vaavea rolul de separator de sarcini libere: perechi electroni - goluri. Electronii vor fi dirijai spre zona n, golurile -spre zonap a celulei. Acesta este motivul pentru care, sub influena luminii, zonap se ncarcpozitiv, iar zonan se ncarc negativ, ceea ce conduce la apariia unui curent electric prin circuitul extern, determinat deconversia fotovoltaic a radiaiei solare. Acest curent, (figura 1, a), determin o cdere de tensiune U pesarcina externR, conectatla contactele din spate i contactul - grilfrontal (figura 1, b). Tensiunea U, nraport cu jonciunea p - n acioneaz n sens direct i, la rndul su, va determina prin jonciune curentuldiodei Id, de sens opus curentului fotovoltaic Is, care se determindin expresia cunoscut:

(1)

n care:

I0este intensitatea curentului de saturaie;

k constanta lui Boltzman;T temperatura absolut;

e sarcina electronului.

1.1.2.2. Caracteristicile celulei fotovoltaice

Caracteristicile principale ale celulei PV sunt:

caracteristica amper-volt I=f(U) sau volt amper U=f(I)

caracteristica de putere P=f(U).

Curentul n circuitul exterior I se determinca diferendintre curentul fotovoltaic Isi curentul diodei Id.

(2)

Ecuaiei (2) i corespunde schema echivalentsimplificata celulei PV prezentatn fi-gura 2, a). Dacse ineseama de rezistena Ride scurgeri prin jonciunea p - n a celulei PV i de rezistena serie a celulei Rs, sepoate ntocmi o schem echivalentcomplet a celulei PV (figura 2, b). Cu tehnologiile moderne se obincelule cu Ri= i Rs= 0, astfel nct schema echivalentsimplificateste satisfctoare.

9


10/92


10

Fig. 2.Scheme echivalente ale celulei PV: a) simplificat; b) complet;

c), d) caracteristicile celulei.

Puterea electriccedatsarcinii R a unei celule PV este:

(3)

Valoarea maxim a acestei puteri se obine ntr-un punct M al caracteristicii curent tensiune, ale crui

coordonate rezultdin condiia dP/dU = 0:

(4)

n care UT= kT/e.

Pentru o sarcinpasiv, valoarea optima rezistentei de sarcinva fi:

(5)


11/92


1.1.2.3. Parametrii celulelor i modulelor PV

n cartea tehnic a produsului, productorii de celule i module PV indic parametrii ridicai n condiiis

elulei, G=1000 W/m ;

i IM.

Pe lng uplimentar:;

OCT,

gol i a curentului de scurtcircuit cu temperatura.1.1.2.3.

tandard:2 radiaia solarglobalpe suprafaa c

temperatura celulei, T = 25C;

masa convenionalde aer,AM=1,5.n mod obligatoriu, n cartea tehnicse prezint:

curentul de scurtcircuit, Isc;; tensiunea de mers n gol, U0

puterea maximsau critic, Pc; tensiunea i curentul n punctul critic, UM

aceti parametri, pot fi indicai s factorul de umplere (Fill Factor) FF randamentul celulei sau modulului PV, temperatura normalde funcionare a celulei N

coeficienii de variaie a tensiunii de mers n1. Curentul de scurtcircuit

Se obi caracteristica I(U), acesta este punctul cucoordon lcu

ne la scurcircuitarea bornelor sarcinii R din fig.2. Peatele U = 0, I = Isc. Din expresia (2), pentru U = 0, obinem Isc= Is. Puterea furnizateste ega

zero.

1.1.2.3.2. Tensiunea de mers n gol

Corespunde punctului de pe caracteristica I(U) cu coordonatele I = 0, U = U0. Puterea debitatn acest puncteste egalcu zero. Tensiunea de mers n gol poate fi determinatdin (2) pentru I = 0:

(6)

Pentru o celuldin siliciu raportul Is/I0 este de circa 1010, factorul kT/e, numit i tensiune termic, este egal cu26 mV. Astfel U0= 0,6 V.

.1.2.3.3. Puterea critic( )1 maxim

noteazPc:

UM.IM (7)

(conform figurii 2, d).

Este produsul dintre curent i tensiune n punctul M al caracteristicii I(U). n englez acest parametru senumetepeak power i se

Pc=

Din punct de vedere geometric, puterea criticPccorespunde punctelor de tangenale hiperbolelor P = UI =const. la caracteristicile amper - volt I(U)

1.1.2.3.4. Factorul de umplere (Fill Factor)

Se determinca raport ntre suprafeele dreptunghiurilor OUMMIMi OU0KIsc(conform figurii 2, c) sau

(8)sau

(9)

11


12/92


12

Factorul de umplere este msura calitii celulei PV. Cu ct este mai micrezistena internR a celulei PV, cue obicei FF > 0,7.att FF este mai mare. D

1.1.2.3.5. Randamentul celulei sau modulului PV

Se determinca raportul dintre puterea generatde celula sau modulul PV n punctul optim de func ionare M

arela o temperaturspecificati puterea radiaiei sol

(10)n care:

A este suprafa

aia globalincidentpe suprafaa celulei sau modulului n W/m2.

radiaie solaregalcu 1000 W/m2

Pc= puterea debitatn W; a celulei sau modulului n m;

G = radi

Un modul PV cu randamentul de 12% i aria suprafeei de 1 m2, expus lava produce aproximativ 120 W.

n condiii de laborator au fost obinute celule din siliciu cristalin cu un randament de 13 -25% n func ie de

suprafaa celulei, iar n condiii de fabric12 - 14%. Randamentul celulei din siliciu policristalin este de pnla20% n condiii de laborator. Limita teoretica randamentului celulei din siliciu cristalin este de 37%, iar a celeidin siliciu amorf, de 28%.

1.1.2.3.6. Temperatura normalde funcionare a celulei

Corespunde temperaturii celulei PV la funcionare n gol la temperatura mediului de 20C, radiaia globaldelule uzuale, parametrul NOCT se situeazntre 42 i800 W/m2 i viteza vntului mai micde 1 m/s. Pentru ce

46C. Daceste cunoscut parametrul NOCT, se poate determina temperatura celulei Tcn alte condiii defuncionare caracterizate de temperatura mediului TAi radiaia globalG:

(11)

1.1.2.3.7. Influena radiaiei solare i a temperaturii asupra caracteristicilor celulelor i modulelor PV

V pentru diferite valori ale radiaiei solare sunt prezentate n figura 3, a). Dupcum sel variaz

Caracteristicile celulei Pobserv, curentul de scurtcircuit este direct proporional cu radiaia solar, iar tensiunea de mers n gopuin, deoarece, conform relaiei (6), tensiunea U0depinde logaritmic de radiaia solar(Is este proporional curadiaia) i adesea n calcule practice aceastvariaie se neglijeaz. Curentul de scurtcircuit, pentru diferitevalori ale radiaiei solare G, poate fi determinat cu o aproximaie satisfctoare, prin formula:

(12)

unde Iscsteste curentul de scurtcircuit al celulei corespunztor radiaiei standard Gs=1000W/m2.


13/92


Fig. 3. Caracteristicile celulei PV la variaia energiei solare (a) i a temperaturii (b).

Temperatura celulei PV influeneazsemnificativ asupra tensiunii de mers n gol i cu mult mai puin asupracurentului de scurtcircuit (conform figurii 3, b). O dat cu creterea temperaturii, tensiunea de mers n gol

scade. Pentru celule din siliciu, coeficientul de variaie a tensiunii cu temperatura KT este egal cu 2,3 mV/0C.Astfel, parametrul U0pentru temperaturi diferite de cea standard se va calcula cu relaia:

U0= U025 0,0023(t 25) (13)

unde U025este tensiunea de mers n gol a celulei PV la temperatura standard; iar t - temperatura curentacelulei, n C. n calculele de proiectare, variaia curentului de scurtcircuit i a factorului de umplere FF nfuncie de temperatursunt neglijate.

1.1.3. Module fotovoltaice

Celulele fotovoltaice de construcie modernproduc energie electricde putere care nu depete 1,5 - 2 W

la tensiuni de 0,5 - 0,6 V. Pentru a obine tensiuni i puteri necesare consumatorului, celulele PV seconecteazn serie i/sau n paralel. Cea mai micinstalaie fotoelectricformatdin celule PV interconectaten serie i/sau n paralel, ncapsulate pentru a obine o rezistenmecanicmai mare i a proteja celulele deaciunea mediului se numete modul fotovoltaic. Un numr de module PV asamblate mecanic ca o unitatemai mare i conectate electric poart denumirea de panou sau cmp de module. n acord cu standardeleComisiei Internaionale de Electrotehnic (IEC) se utilizeaz termenul "array", ceea ce nseamn sistem,reea. Expresiile "modul fotovoltaic", "panou fotovoltaic" sau "cmp de module" deseori au una i aceeaisemnifica-ie. La proiectarea modulelor PV se ia n consideraie folosirea frecventa modulelor PV pentru n-crcarea acumulatoarelor electrice, a cror tensiune este de 12 - 12,5 V. Astfel, n condi ii de radia-iestandard, tensiunea UM trebuie sfie 16 - 18 V, iar tensiunea de mers n gol de 20 - 22,5 V. O singurcelulgenereaz n gol circa 0,6 V i trebuie s conectm n serie 33 - 36 de celule pentru a obine tensiunea

necesar. Puterea modulului va oscila ntre 50 i 100 W. Construcia modulului PV (fig. III.4, a) este de obiceidreptunghiular. Suportul se confecioneaz din aluminiu i separat de structura laminat a celulelor cucptueal, care nu permite ptrunderea umezelii.

13


14/92


14

Fig.4.a) construcia modulului PV; b) ncapsularea celulei PV: 1 suport;

2 guri pentru asamblare n panouri; 3 cutie de borne.

Celulele PV sunt protejate de aciunea condiiilor nefavorabile, care pot interveni pe parcursul exploatrii:ploaie, grindin, zpad, praf etc., de un sistem care constdintr-un strat de sticli cel puin doustraturi(din fai din spate) din etilen vinil acetat EVA sau polivinil butirol PVB (fig.4, b). Pentru a obine tensiunea iputerea necesare consumatorului de energie electric, modulele PV pot fi conectate n serie, paralel sau nserie - paralel (conform figurii.5, a,b,c).

La conectarea n serie a dou module PV identice curentul debitat consumatorului rmne acelai, iar

tensiunea crete de dou ori. n figura 5. a) modulele PV1 i PV2 conectate n serie ncarc bateria deacumulatoare GB. Punctul de funcionare a sistemului module PV - GB este punctul de intersecie M alcaracteristicilor respective: a doumodule conectate n serie i a bateriei de acumu-latoare. Diodele VD1 iVD2 numite diode de ocolire (by pass) se conecteazn paralel cu fiecare modul sau cu un grup de moduleconectate n paralel (figura III.5, a). Dioda by-pass limiteaztensiunea invers, dacun modul din circuitulconsecutiv este mai puin performant sau este umbrit i se evit suprasolicitarea termic. n regim defuncionare normal, diodele VD1 i VD2 nu consumenergie.


15/92


Fig. 5.Interconexiunea modulelor PV: a) n serie; b) n paralel; c) n serie-paralel.

Dioda VD, numitantiretur, se conecteazn serie cu sarcina. Aceastdiodevitsituaia cnd modulul PVpoate deveni consumator de energie, dac tensiunea generat va fi mai micdect a acumulatorului. Esteevident cea introduce o cdere de tensiune de circa 0,5V i, corespunztor, pierderi de energie. n figura 5,b) se prezintconectarea n paralel a doumodule identice. Tensiunea generatrmne aceeai, iar curentulcrete de douori. Punctul de funcionare al sistemului module PV - rezistena R este punctul de intersecie Mal caracteristicilor amper - volt ale modulelor i consumatorului: I = (1/R)U. Diodele antiretur VD11 i VD12 nu

permit ca un modul sau un grup de module unite n paralel streacn regim de consumator, atunci cnd nusunt identice sau cnd sunt umbrite.

n schema din fig. 5, c) modulele PV1- PV2, PV3 - PV4 i PV5 - PV6 sunt conectate n serie, dar ntre ele suntconectate n paralel. Astfel, se obine majorarea de dou ori a tensiunii i de trei ori a curentului. Evident,puterea instalaiei crete de ase ori.

1.1.4. Sisteme fotovoltaice

1.1.4.1. Structura unui sistem fotovoltaic

Celulele sau modulele PV nu sunt unicele componente ale unui sistem PV. Pentru alimentarea continu aconsumatorului cu energie electric, multe sisteme PV conin acumulatoare de energie electric. Modulul PV

reprezint un generator de curent continuu (c.c.), dar adesea consumatorul de energie este de curentalternativ. Energia electricPV are un caracter variabil, alternana zi/noapte, cer senin/cer acoperit provoacvariaia ntr-o gam larg a fluxului de energie i a tensiu-nii generate de modulul PV. Astfel, apare

15


16/92


16

necesitatea condiionrii fluxului de energie, folosind convertoare electronice: c.c./c.c., care ndeplinesc ifuncia de monitorizare a procesului ncrca-re/descrcare a acumulatorului i convertoare c.c./c.a. - pentrutransformarea curentului continuu n curent alternativ. Pentru a evita supradimensionarea sistemuluifotovoltaic adesea se folosete o sursauxiliarde energie, fie un grup electrogen, fie un generator eolian sauchiar reeaua electricpublic.

Fig..6.Structura unui sistem fotovoltaic.

Toate aceste componente trebuie sfie interconectate, dimensionate i specificate pentru a funciona ntr-unsistem unic, numit sistem fotovoltaic. n fig. 6 este prezentatstructura unui sistem PV.

Principalele componente sunt: modulul, panoul, cmpul de module sau, altfel spus, generatorul fotovoltaic.; bateria de acumulatoare; subsistemul pentru condiionarea energiei electrice, care includ i elemente de msurare,

monitorizare, protecie etc; sursa auxiliarde energie, de exemplu, un grup electrogen (back-up generator), care funcioneazcu

benzinsau motorin. n acest caz, sistemul PV se mai numete sistem PV hibrid.

Sistemele PV se mpart n dou categorii principale: conectate la reea (grid - connected) sau carefuncioneazn paralel cu reeaua electricpublici sisteme PV autonome (stand - alone PV system). Celmai simplu sistem este sistemul PV pentru pomparea apei, n care se utilizeaz pompe cu motoare de c.c.

Acest sistem nu conine acumulatoare electrice (rezervorul de ap servete drept acumulator) i niciconvertoare de c.c./c.a.

Sistemele PV conectate la reea pot fi divizate n: sisteme PV n care reeaua electricpublicare rol de sursauxiliarde energie (grid back - up); sisteme PV n care excesul de energie PV este furnizat n reea (gridinteractive PV system) i centrale electrice PV (multi MW PV system), care furnizeaztoatenergia produs

n reea.

1.1.4.2. Funcionarea n sarcina modulului PV

n paragraful 2.3 s-a menionat ccelula PV, respectiv modulul PV, are cele mai bune performan e n punctulM (figura 2), unde puterea debitat pe sarcin este maxim. Totodat, variaia radiaiei globale i atemperaturii provoac modificarea caracteristicii I(U) a modulului PV. De asemenea, diferii consumatoriposeddiferite caracteristici I(U). n consecin, punctul de funcionare a subsistemului modul PV - sarcin(punctul de intersecie al caracteristicilor I(U) ale modulului i sarcinii) nu va coincide cu punctul M.n figura 7sunt prezentate caracteristicile I(U) a trei dintre cei mai rspndii consumatori: rezistor, motor de c.c. cu


17/92


magnei permaneni i un acumulator. Se prezinti caracteristica unui consumator ideal, pentru care punctulde funcionare coincide ntotdeauna cu punctul optim M.

Fig. 7. Caracteristicile I(U) ale modulului PV i ale diferiilor consumatori.

Caracteristicile I(U) sunt descrise prin urmtoarele expresii analitice:a) rezistor:

b) motor de curent continuu:

c) acumulator:

n care: U = tensiunea modulului PV, ke = constanta motorului, =fluxul de excitaie al motorului, Ra= rezistena circuitului indusului, = viteza unghiulara rotorului, E0= tensiunea la gol a acumulatorului Rint= rezistena interna acumulatorului.

La pornirea motorului de c.c., curentul absorbit de la modul este maxim i este aproape de cel de scurtcircuit.

Dei tensiunea pe indus este minim, pornirea are loc datorit cuplului electro-magnetic creat de produsulkIsc. DacU = E0, acumulatorul este ncrcat i nu va consuma curent, n caz contrar curentul de ncrcareva crete o dat cu creterea radiaiei globale, respectiv cu tensiunea. O dat cu creterea curentului de

ncrcare crete cderea de tensiune IRint. n figura 7, se observcsarcina de tip rezistor sau motor de c.c.nu va funciona n punctul optim la variaia radiaiei. Va trebui sse modifice caracteristica I(U) modulului PVsau a sarcinii pentru a urmri punctul de funcionare optim. n acest scop se folosesc convertoare electronicec.c./c.c. numite MPPT (din denumirea n limba englezMaximum Power Point Tracker).

MPPTse conecteaz ntre modulul PV i sarcin, pentru a modifica tensiunea la ieire, ast-fel nct s seasigure urmrirea punctului optim de funcionare. n figura 8 sunt puse n evidendoucazuri de urmrire apunctului maxim folosind tehnologia MPPT (figura 8, a) i prin modificarea sarcinii (figura 8, b). n primul cazavem dousarcini cu caracteristici I(U) diferite care, pentru simplitate, se admit ca fiind liniare. Pentru ambele

sarcini constatm o deviere eseniala punctelor de funcionareA, B i D, C de la punctele optime M1i M2.nacelai sistem de coordonate sunt trasate hiperbolele I = Pmax1/U i I = Pmax2/U.n orice punct al hiperbolelor

17


18/92


18

menionate, puterea Pmax1sau Pmax2sunt mrimi constante i, respectiv, egale cu puterea maximdebitatnpunctele M1sau M2.

Fig.8.Urmrirea punctului de putere maxim: a) folosind tehnologia MPPT;

b) prin modificarea caracteristicii sarcinii.Se consider c subsistemul modul PV. Sarcina 1 funcioneaz n punctul B n condiii de radiaie globalegal cu G1. Pentru a obine de la modul o putere maxim, ar trebui s se modifice caracteristica I(U) asarcinii, astfel nct s se intersecteze n punctul M1. Acelai rezultat poate fi obinut dac se micoreaztensiunea i se mrete curentul n comparaie cu punctul M1, deplasndu-se pe hiperboln punctul Bmax. nmod analog se procedeazdac se micoreaz radiaia de la G1 la G2. n cazul sarcinii 2, pentru a urmripunctul maxim va trebui sse procedeze invers: sse majoreze tensiunea i sse micoreze curentul (se vacompara punctul Cmax cu C sau Dmax cu D). Convertorul electronic MPPT trebuie smodifice tensiunea icurentul, astfel nct la ieire produsul acestora s fie constant i egal cu puterea maxim generat demodulul PV expus radiaiei globale G. n unele cazuri specifice, urmrirea punctului de putere maximpoate fi

realizat prin modificarea caracteristicii I(U) a sarcinii, aa cum este prezentat n figura 7, b). Pentru radia iasolarmaximi egal cu G1, subsistemul modul PV - sarcina R1va funciona n punctul M1; n acestcaz,contactele K1i K2sunt nchise. La o valoare medie a radia iei solare egalcu G2, contactul K2se deschide,caracteristica sarcinii I(U) se modifici subsistemul va funciona n punctul M2. Dacradiaia solarcontinusse micoreze, se deschide contactul K1i subsistemul va funciona n punctul M3. Subsistemul "modul PV -acumulator" nu necesitutilizarea tehnologiei MPPT de-oarece, dac se deplaseazcaracteristica I(U) spredreapta (figura.8) ea va fi aproape de cea ideal. n schimb, acumulatorul necesito supraveghere automata gradului de ncrcare i descrcare pentru a evita deteriorarea acestuia. Decizia proiectantului de a utilizasau de a nu utiliza tehnologia MPPT se va lua n func ie de rezultatul calculului economic. Trebuie luate nconsideraie costul convertorului MPPT, pierderile de energie n MPPT (randamentul convertoarelor modernec.c./c.c. este de 90 - 95%), respectiv ctigul de putere la funcionarea subsistemului MPPT n regim optim.

Conform datelor disponibile, urmrirea punctului de putere maximn sistemele PV de pompare ridicdebitulcu minimum 20%.

1.1.4.3. Principalele configuraii ale sistemelor fotovoltaice cu panouri solare

1.1.4.3.1 Invertorul

Invertorul face parte din subsistemul de condiionare a energiei electrice al sistemului PV (figura.6) i estecomponenta principala convertorului c.c./c.a. Invertorul transformenergia de c.c, generatde modulele PVsau stocatn acumulatoare, n energie de c.a. de o frecven prestabilit.

Exist n prezent convertoare care asigurparametrii de calitate ai energiei electrice la acelai nivel ca ireelele publice: frecveni tensiune stabil, forma sinusoidala undei de tensiune i curent. n funcie de

cerinele impuse de sarcin privind forma undei de tensiune, factorul de suprasarcin, randamentul suntdisponibile diferite tipuri de invertoare, ai cror parametri sunt prezentai n tabelul urmator.


19/92


Randamentul indicat corespunde funcionrii invertorului la o sarcinde 75-100% din puterea nominal. Laalegerea invertorului este important s se cunoasc caracteristica randamentului n funcie de sarcin.Motoarele electrice necesit un curent de pornire cu mult mai mare dect cel nominal. Este important cafactorul de suprasarcinal invertorului scorespundacestei necesiti.

Invertorul cu unddreptunghiularare cea mai simplschem, o eficienrelativ bun, este cel mai ieftin, darprovoac cea mai mare distorsiune armonic, ceea ce produce supranclzirea motoarelor. Acest tip deinvertor se recomand spre utilizare n sisteme PV de putere mic pentru iluminare, nclzire la tensiunidiferite de cea de c.c., de asemenea, n componen a convertoarelor c.c./c.c., acionrilor electromagnetice.

Invertorul cu undcvasi - sinusoidaleste mai complicat, dar relativ eficient. Modularea impulsurilor n durateste o tehnologie mai nou. Schema de comand a invertorului este cu mult mai complicat, costulinvertorului este mai mare, dar asigureficiennalti distorsiuni armonice minime.

1.2. Racordarea centralelor fotovoltaice la sistemul electroenergetic

In cazul unor centrale fotovoltaice de puteri mari sunt utilizate mai multe invertoare care functioneaza inparalel, puterea convertita de acestea la tensiune alternativa se injecteaza, prin intermediul unuia sau maimultor transformatoare, in retelele electrice publice de\medie tensiune sau de inalta tensiune.

Figura 1. Schema unei centrale fotovoltaice cu puterea de 1 MW.

Principalele componente si configuratia de baza a unui sistem fotovoltaic

In figura de mai jos se prezinta principalele componente si configuratia de baza

19


20/92


20

sistem fotovoltaic. Panourile fotovoltaice sunt conectate in serie si in paralel (PV array) furnizand, la iesire, oputere electrica la tensiune continua, in functie de radiatia solara incidcnta. Orientarea si inclinarea acestorpanouri sunt parametrii importanti ce avuti in vedere in activitatea de proiectare.

Figura 2. principalele componente si configuratia de baza sistem fotovoltaic

O parte din puterea furnizata de panourile fotovoltaice poate fi utilizata pentru

alimentarea, prin intermediul unor interfete, serviciilor auxiliare sau a unor sarcini locale care functioneaza la

tensiune continua. Uneori, din reteaua de tensiune continua este alimentata si o baterie de acumulatoare incare se stocheaza energia electrica ce poate fi utilizata atunci cand modulele fotovoltaice nu genereazasuficienta putere pentru a indelini cerintele de sarcina[VATRA]

Pentru controlul/managementul fluxurilor de putere in reteaua de tensiune continua a sistemului fotovoltaic,adesea este utilizat un dispozitiv de control/conditionare a fluxurilor de putere. Acest dispozitiv tine bateria deacumulatoare incarcata la puterea sa nominala fara a se supraincarca.

Convertoarele electronice de putere

Convertoarele electronice de putere, denumite si convertoare statice (de putere, echipamente electronicecomplexe intercalate tntre sursa de energie si receptor/sarcina avand rolul de a "converti"/modifica parametriienergiei electrice furnizate dc sursa (tensiunile si curentii electrici aplicati la intrarea convertorului

(i-input) - de amplitudine Vi/Ii, frecventa fi, , forma si numar de faze mi) tinand cont de cerintele impuse dereceptor/sarcina (tensiuni si curenti electrici, rezultati la iesirea convertorului (o-output) amplitudine V0/I0,frecventa f0, forma si numar de faze m0).

Convertoarele statice au rol de receptoare in raport cu sursele de energie si rol de sursa de energie in raportcu sarcinile electrice. Convertoarele statice de putere sunt constituite in principal, din dispozitivesemiconductoare de putere (diode, tiristoare, tranzistoare ,varistoare etc.) si, in anumite configuratii, dincomponente pasive (condensatoare, bobine precum si din circuite integrate de comanda. Schema bloc deprincipiu a unui convertor electronic de putere este prezentata in figura de mai jos.


21/92


Figura3. Schema bloc de principiu a unui convertor electronic de putere

Scheme de racordare a centralelor fotovoltaice la sistemul electroenergetic

Parcurile fotovoltaice sunt amplasate in zonele cu conditii din cele mai favorabile din punct de vedere alradiatiei solare. Functionarea centralelr si influenta acestora asupra sistemului depinde de puterea centralei,de structura si caracteristicile retelei.

Va prezentam mai jos cateva solutii , posibile, de racordare la retea a centralelor electrice fotovoltaice.

Schema 1:Racordarea centralei fotovoltaice (CFV) la o bara de m.t.

Schema electrica dc racordare este prezentata in figura de mai jos.Conectarea centralei fotovoltaice (CFV) lao bara de m.t. dintr-o statie electrica de 110/m.t,se realizeaza prin intermediul unei linii de MT.

Figura 4. Racordarea CFV la o statie de 110/m.t prin intermediul unei linii electrice de m.t noi.

Aceasta solutie dc conectare se foloseste atunci cand reteaua electrica de m.t existenta este prea slaba saudistanta dintre centrala electrica si stalia de IT/m.t este mai mica decat distanta dintre centrala electrica si olinie electrica de distributie de m.t existenta. Aceasta solutie dar are o serie de avantaje in ceea ce privesteinfluenta centralelor fotovoltaice asupra consumatorilor.

Schema 2: Racordarea centralei fotovoltaice (CFV) la o bara dintr-o statie 110/m.t..

Schema electrica de racordare este prezenta in figura de mai jos. Racordarea se face prin intennediul unei liniide m.t si a unui transformator de IT/m.t. Schema electrica de racordare este prezenta in figura de mai jos.

Figura 5. Racordarea centralei fotovoltaice (CFV) la o bara dintr-o statie 110/m.t.

21


22/92


22

Aceasta solutie de conectare se utilizeaza atunci cand o centrala /fotovoltaica de putere relativ mare urmeazasa se conecteze la sistemul energetic intr-o regiune unde reteaua electrica de MT existenta este slaba(liniilungi, linil cu conductoare de sectiune mica etc.) si/sau puterea nominala a transformatonrlui de IT/m.t,existent, este mica. Aceasta solutie de racordare este mult mai scumpa decat solutia prezentata mai inaintedin cauza costurilor datorate noului transformator de IT/m.t si a echipamentelor aferente acestuia

(intreruptoare, separatoare, sisteme de protectii etc.).Schema 3- Conectarea fotovoltaice (CFV) in derivatie la o linie de 110 kV

Aceasta se realizeaza prin intermediul unui transformator de 110/m.t tasa cum este prezintentat in figura demai jos. De obicei transformatorul 110/m.t este amplasat in imediata apropiere a liniei de inalta tensiune.

Figura 6.Conectarea fotovoltaice (CFV) in derivatie la o linie de 110 kV

Conexiunea dintre centrala fotovoltaica si transformatorul 110/m.t este realizata, prin cabluri subterane sauLEA. Aceasti solutie de conectare se utilizeaza atunci cand pe o arie geografica redusa sunt amplasate maimulte parcuri fotovoltaice de puteri relativ mari.

Schema 4-Racordarea centralei fotovoltaice (CFV) direct la o bara de 220,400 kV

Racordarea dintr-o statie electrica de 220/400 kV se realizeaza prin intermedial unei linii de si a unuitransformator de 400(220)/m.t. Schema electrica de racordare este prezentat in figura urmatoare. Aceastasolutie de conectare se utilizeaza in cazul unor parcuri fotovoltaice de puteri relativ mari situate relativ aproapede statie.

Figura 7.Racordarea centralei fotovoltaice (CFV) direct la o bara de 220,400 kV


23/92


2. TURBINE EOLIENE. ASPECTE GENERALE

O turbina eoliana este un sistem complex, n care se regasesc informatii din diverse domenii ale tehnologiei

cum ar fi: necesita cunostinte de aerodinamica pentru modelarea si constructia palelor, realizarea sistemelor de

control al nclinarii palelor;

necesita cunostinte din domeniul automatizarii si electronicii de putere;

necesita cunostinte de rezistentaa materialelor pentru constructia turnului de sustinere ageneratorului.

2.1. Modul de amplasare a turbinelor eoliene

Factorii care ar trebui sfie luati n considerare n la instalarea turbinelor eoliane sunt urmatorii:

dispunerea in teren;

dispunerea reelei de evacuarea puterii (pentru un sistem eolian conectate la reea);

accesul la campul eolian;

terenul i solul;

frecvena descarcarilor electrice atmosferice

Odatce amplasamentul parcului eolian a fost stabilit, urmtorul factor care ar trebui sfie luat n considerareeste disponibilitatea de teren (suprafata de teren necesardepinde de mrimea fermei eoliene).

Modul de amplasare a turbinelor intr-o ferma eoliana este prezentat in figura 1. Turbinele nu trebuie sa fie preaapropiate pentru ca sa nu se produce interferenta intre fluxul produs de directia vantului si fluxul turbinelorvecine.Studiile recente au aratat ca in acest caz se poate produce deteriorarea turbinelor. Daca turbinele suntprea departate inseamna ca spatiul nu este folosit corespunzator.

Fig.1. Amplasarea optima a turbinelor intr-o ferma eoliana

23


24/92


24

2.2. Energia i puterea vntului

Energia unui flux de aer care se miccu o vitezliniarv se determincu expresia energiei cinetice:2

2

vE m= (1)

unde meste masa aerului n micare, determinatde densitatea aerului i volumul care strbate o suprafaoarecare Sn unitatea de timp:

m= Sv (2)Unitatea de msura masei din expresia (2) este kg/s i nlocuind n (1), se obine puterea fluxului de aer nwai:

3

2p Sv

= (3)

Puterea specificsau densitatea de putere eoliance revine la un metru ptrat de suprafava fi:P= 0,5 v3 (4)

La presiune atmosferic normal i la temperatura de 15C, densitatea aerului este 1,225 kg/m3. Dacnlimea deasupra nivelului mrii variaz ntre 0 i 100 m (turnurile turbinelor moderne de putere mare aunlimi de 60 120m) variaia densitii nu depete 5% i n prima aproximaie, o considerm constant.

Fig. 2 Variaia puterii specifice a unui flux de aer n funcie de viteza cu care se deplaseazacesta.

n figura 2 este reprezentatvariaia puterii specifice a unui flux de aer n funcie de vitez. Viteza nominaldecalcul a vntului pentru turbine moderne de mare putere variazntre 12,0 i 15,0 m/s (vezi zona haurat).

Pe baza expresiilor (3) i (4) se pot trage urmtoarele concluzii: Formulele (3) i (4) prezintpotenialul energetic al unui flux de aer care strbate suprafaa S sau un

metru ptrat de suprafa(unitatea de suprafa).

Mrirea de douori a diametrului rotorului turbinei va conduce la majorarea de 4 ori a puterii fluxului deaer care strbate suprafaa rotorului.

Majorarea de 2 ori a vitezei vntului conduce la majorarea de 8 ori a puterii fluxului de aer sau a puteriispecifice.

Este foarte important scunoatem valoarea vitezei vntului i cum variazn timp pentru a prezice ctmai exact potenialul energetic eolian ntr-o localitate oarecare.

Se cer eforturi considerabile pentru a obine certitudinea c centrala eolian va fi amplasat ntr-olocalitate cu cele mai mari viteze ale vntului. n unele ri, se utilizeazturnuri relativ nalte (mai maride 60 - 80 m), pentru a valorifica avantajele ce in de creterea vitezei odatcu creterea nlimii.


25/92


2.3. Turbina eolian n fluxul de aer

Turbina eoliantransformenergia cinetica fluxului de aer care traverseazaria baleiatde rotor n energiemecanicapoi, cu ajutorul generatorului, n energie electric. Apare ntrebarea: ce se ntmplla amplasarearotorului turbinei ntr-un flux de aer? Este evident cfluxul de aer cedeazdoar o parte din energia cinetic(dup cum se va vedea ulterior), restul energiei se consum pentru ca aerul s prseasc zona de

interaciune flux - turbin.n fig. 3 se prezint schematic un flux de aer cu viteza ini ial v0, care strbate aria circular A0 iinteracioneazcu rotorul turbinei cu aria baleiatA1. n seciunea A1, fluxul de aer ntlnete o rezisten,presiunea crete, iar viteza scade pn la v1. Cednd o parte din energie, fluxul de aer prsete turbina cuviteza v2mai micdect v1. Deoarece masa de aer care traverseazseciunile A0, A1i A2rmne constant,iar viteza s-a micorat, rezultcA2>A1>A0, altfel spus, are loc efectul de deflectare (deformare) a fluxului deaer care strbate rotorul turbinei, formndu-se o plnie. Fluxul de aer format imediat dup elice se mainumete jet de curent al elicei, n care presiunea staticeste mai micdect n zona libera atmosferei. Ladistane mai mari fade elice, presiunea staticse restabilete.

Fig. 3. Efectul produs de turbina eolianasupra unui flux de aer.

2.4. Limita lui Betz

n anul 1919 fizicianul german Albert Betz a formulat legea care rspunde la ntrebarea: ce parte din energiacinetic a unui flux de aer poate fi transformat n energie mecanic? Betz a analizat o turbin cu rotoridealizat:

se admite crotorul prezintun disc cu un numr infinit de pale subiri; se neglijeazpierderile de energie; fluxul de aer curge prin seciunile imaginate din figura 2 frturbulen.

Viteza v0este viteza curentului de aer pnla rotor, v2- viteza cu care fluxul de aer prsete zona rotorului,v1 viteza fluxului n seciunea A1a rotorului. n conformitate cu legea a doua a lui Newton, variaia cantitiide micare este egalcu fora care acioneazasupra corpului:

( )d dv

F mv mdt dt

= = ; ( )d dv

F mv mdt dt

= = (5)

Variaia vitezei curentului de aer pentru modelul de mai sus n decursul unei secunde (dt = 1s) va fi dv = v 0v2i n consecin:

F= m(v0 v2) (6)

25


26/92


26

Introducnd noiunea de factor de frnare a fluxului de aer n turbine=v1/v0, i n ipoteza cviteza vntuluivariazliniar, determinm viteza fluxului de aer n aria A1 a turbinei:

01

2

v vv

+= 2 v2=2.v0.e-v0 (7)

Conform relaiei (2), masa de aer care traverseazsuprafaa A1ntr-o secundva fi:

m=.A1. v1=.A1. v0.e (8)

nlocuind n expresia forei F din (6) viteza v2 din (7) i masa mdin (8) rezult:

F=2 A1 v02.e (1-e) (9)

Puterea dezvoltatde turbineste produsul dintre forti vitez:

P= F.v1=2 .A1.v03.e2(1-e2) (10)

Conform relaiei (3), puterea fluxului de aer care are viteza v0va fi:

P0= 1/2 .A1 v03 sau 2P= .A1 v03 (11)nlocuind n expresia puterii (10), se obine:

P= 4.P0. e2(1-e) = P0.CP (12)

n care: Cp= 4. e2(1-e) (13)

i se numete factorul de putere (factor de eficien) sau limita lui Betz. Derivnd expresia (13) n raport cu ei se determinvaloarea acestuia pentru care puterea P va fi maxim. Se obine e = 2/3 i Cp = 16/27 =0,593.

Putem trage urmtoarea concluzie: fluxul de aer va ceda unei turbine ideale nu mai mult de 59,3% din putereasa iniial P i aceasta se va realiza dacfactorul de frnare e = 2/3 i viteza fluxului de aer dupturbina va fi

v2= 1/3v0.n realitate, cele mai performante turbine eoliene cu trei pale au factorul Betz egal cu 0,45 - 0,50.

2.5. Efectul numrului de pale i al diametrului rotorului

Limita lui Betz demonstreaz co turbineolian idealpoate extrage din vnt o putere de cel mult 59,3%,dar analiza efectuatmai sus nu indicregimul de funcionare a turbinei sau varianta constructiva rotoruluiastfel nct sse atingvaloarea maxima factorului de putere. n cele ce urmeazse va face o analizdinpunct de vedere calitativ a regimului de funcionare a turbinei i a efectului numrului de pale sau al factoruluide soliditate asupra valorii factorului de putere.

Eficiena conversiei energiei fluxului de aer n energie mecanicva fi mai micdect valoarea optimdac:

a) Rotorul turbinei are un numr de pale mare (factorul de soliditate este mare) sau rotorul rotete cu o vitezfoarte mare i fiecare palse micntr-un flux de aer distorsionat (turbulent) de ctre pala din fa.

b) Rotorul turbinei are un numr mic de pale (factorul de soliditate este mic) sau rotorul rotete cu o vitezfoarte mici fluxul de aer traverseazsuprafaa rotorului fra interaciona cu acesta.

n consecin, pentru a obine o eficien maxim de conversie a energiei trebuie ca viteza de rotaie arotorului s fie corelat cu viteza vntului. Pentru a caracteriza turbinele eoliene cu diferite caracteristiciaerodinamice se utilizeazun parametru adimensional, numit coeficient de vitezal turbinei sau rapiditateaturbinei (n engleztip speed ratio).

Rapiditatea leagntr-o singurformultrei variabile importante ale turbinei: viteza de rotaie , raza rotorului(diametrul) Ri viteza vntului v i se definete ca raportul dintre viteza liniara vrfului palei Ri vitezavntului,v.


27/92


R

v

= (14)

O turbinoarecare poate funciona ntr-o gamlargde variaie a rapiditii , dar va avea eficienmaximCpnumai pentru o valoare optima rapiditii, cu alte cuvinte, dac viteza liniarR va fi egalcu viteza

vntului nmulitcu valoarea optima rapiditii.

Fig. 4a. Caracteristicile aerodinamice ale diferitelor turbine.

n figura 4a sunt prezentate caracteristicile Cp- , pentru turbine cu un numr diferit de pale.

Fig. 4b. Caracteristica de ieite a turbinelor eoliene

Dependena factorului de putereCp(factorul de corecie), de parametrii i , este prezentatn fig. 4b

Aceast dependen se cunoate sub denumirea de caracteristica de ieire a turbinelor (captatoarelor)eoliene.Se observ, din fig.4b, cputerea capturatde turbina eolian,de la vnt, depinde puternic de factorulde corecie Cp, care la rndul su depinde de parametrii i . Cum dependena prezint un extrem,respectiv un maxim, rezult c se poate vorbi despre o valoare maxim a puterii ce se poate extrage dinmasele de aer nmicare.Se constatc, odatcu creterea ungiului de inclinare a palelor (crete), aliura

curbelor se pstreaz, dar valoarea maximscade.Prin urmare, puterea extrasde turbina eoliandin maselede aer n micare se poate regla comod i fin prin modificarea unghiului de inclinare a palelor.

27


28/92


28

Analiza acestor caracteristici ne permite stragem de asemenea urmtoarele concluzii:

a) Cu ct numrul de pale este mai mic, cu att mai mare este rapiditatea optimpentru care factorul deputere sau eficiena conversiei energiei este maxim.

b) Douturbine cu puteri egale, dar cu numr diferit de pale se deosebesc prin aceea cturbina cu multe pale

va dezvolta un moment mai mare i va avea viteza de rotaie mai mici invers - turbina cu puine pale vadezvolta un moment mic, dar va avea o vitezde rotaie mai mare.

c) Turbina cu trei pale are cel mai mare factor de eficien . Diferenele dintre factorii de eficienmaximi aiturbinelor cu 2-5 pale nu este semnificativ. Avantajele turbinelor cu dousau cu o singurpal constau nposibilitatea funcionrii ntr-o zonmai largde variaie a rapiditii, n care factorul de eficienare valoaremaximsau aproape de cea maxim.

d) Factorul maxim de eficien(Betz) al turbinei cu 12 - 18 pale este mai mic dect al turbinei cu 3 pale i nudepete 0,35.

Dependena puterii turbinei de diametrul rotorului. Turbinele de putere micau turnuri cu nlimi relativ maimari dect cele de putere mare. Aceasta se explicprin necesitatea excluderii influenei negative a stratului de

suprafa al solului i a obstacolelor asupra vitezei vntului. Pentru valori ale diametrului rotorului cuprinsentre 5 i 10 m, raportul dintre nlimea turnului i diametrul rotorului este egal cu 6 - 2. ncepnd cu diametreegale sau mai mari de 30 m, acest raport oscileazn jurul cifrei 1. Evident, costurile specifice ale turbinelormici vor fi mai mari.

Puterea mecanicgeneratde turbineste proporionalcu ptratul diametrului rotorului. Odatcu cretereadiametrului, respectiv a nlimii turnului, va crete i viteza vntului. De obicei, creterea vitezei vntului esteconsiderat proporional cu raportul nlimilor la puterea 1/7. Astfel puterea turbinei este proporional cudiametrul rotorului la puterea (2 + 31/7) = 2,42. Pentru turbinele comercializate n prezent o bunaproximareoferexpresia:

P= 0,06. D2,42 (15)

n care, D - este diametrul rotorului, n m, P - puterea, n kW.

Fig. 5. Puterea nominala turbinelor comercializate n funcie de diametrul rotorului.

n figura de mai sus, linia continucorespunde expresiei (15).

La nivel mondial se constat tendina de majorare a diametrului rotorului, chiar i n cazul cnd puterea

nominalrmne aceeai. De exemplu, turbinele cu puterea de 1,5 MW proiectate pnn anul 1997 aveaudiametrul mediu al rotorului egal cu 65,0 m, n anul 2000 diametrul rotorului a atins valoarea de 69,1 m, iar nanul 2003 a ajuns deja la 73,6 m. Majorarea diametrului rotorului conduce la creterea puterii extrase din vnt.


29/92


Dacputerea nominalrmne aceeai, poate fi micoratviteza de calcul a vntului. Astfel, crete aria deutilizare a turbinelor eoliene, care includ noi zone cu un potenial energetic eolian mediu i mic. Aceasttendin se reflect i asupra expresiei empirice (15): pentru turbinele proiectate dup anul 2003, putereanominal, n MW, poate fi calculatcu expresia:

P= 195. 10-3.D2,156 (16)

Viteza liniara vrfului palei este produsul dintre viteza de rotaie i raza rotorului. Pentru turbinele cu putereanominalde 0,6 - 3,6 MW viteza liniar variazntre 43,0 i 90 m/s (155-325 km/h). Astfel de viteze liniareimpun o proiectare riguroas a profilului aerodinamic, asigurarea bunei caliti a suprafeei i o balansaredinamicexcelenta rotorului. Toate aceste msuri conduc la diminuarea considerabila zgomotului i permitamplasarea turbinelor moderne n imediata vecintate a comunelor i oraelor.

Deoarece puterea dezvoltatde o turbina eoliana nu este constant, variazproporional cu puterea a treia avitezei vntului,puterea nominala agregatului se consideregalcu puterea generatorului electric. Pentru anu se depi aceastputere captatoarele eoliene se prevd cu sisteme de reglare automata puterii (prinmodificarea unghiului de atac al palelor, a suprafeei lor etc.), iar la viteze ale vntului care depesc vitezamaxim admisibil, funcionarea va fi ntrerupt (prin aezarea palelor paralel cu direcia vntului,

mpiedicarea accesului vntului etc.) pentru a evita distrugerea rotorului. n figura 6 este prezentat modul devariaie a puterii furnizate de o instalaie eoliann funcie de viteza vntului.

Fig.6 Variaia puterii dezvoltate cu viteza.

Deci aa cum rezulta de mai sus conversia energiei cinetice coninute n masele de aer n micare, se poatedescrie cu relaia neliniar:

unde: este raportul vitezei periferice la extremitate

- viteza de rotaie a rotorului captatorului eolian, n;

R- raza elicelor, n ;

v - viteza vntului, n ;

- unghiul de inclinare a elicelor, dupdirecia longitudinal( pitch), n

29


30/92


30

2.6. Tipuri de turbine eoliene

Turbinele eoliene pot fi clasificate n patru grupe mari, n funcie de puterea dezvoltat la viteza de calcul avntului, care este cuprinsntre 11 i 15 m/s:

a) microturbinele acoperputerile cuprinse ntre 0,05 i 3,0 kW;

b) turbinele de putere micau puteri cuprinse ntre 3 i 30 kW;c) turbinele de putere medie 30 - 1.000 kW.

Att microturbinele, ct i turbinele de putere micsunt proiectate pentru a funciona n regim autonom(izolatde sistem) i alimenteaz cu energie electric consumatorii dispersai teritorial i neconectai la reeleleelectrice publice. n acest scop, turbinele sunt dotate cu acumulatoare de energie electrici dispozitive decondiionare a energiei: regulatoare i convertoare de frecven.

d) turbinele cu puterea mai mare de 1MW, numite turbine de mare putere .

Tendina actualeste majorarea puterii per unitate, majoritatea absoluta turbinelor funcioneazn paralel cureeaua electricpublic, dndu-se prioritate turbinelor cu puterea mai mare de 1 MW.

Pe parcursul anilor au fost propuse i patentate sute de scheme constructive ale turbinelor eoliene, nsdoarcteva zeci au fost testate, din care doar cteva au penetrat piaa turbinelor eoliene.

Majoritatea absoluta turbinelor comercializate sunt cu axorizontal. Axa de rotaie a turbinei coincide cudirecia vntului i este paralelcu suprafaa solului.

Fig 7 Turbine eoliene cu axa de rotaie orizontali un singur rotor: a) , b) cu doupale; c) cu trei pale;

d) cu mai multe pale.

n figura 7 sunt prezentate tipuri constructive de turbine cu axa de rotaie orizontal, cu un singur rotor inumere diferite de pale.

Turbinele de mare putere necesitcabluri de suport, care mresc considerabil suprafaa ocupata terenului.O caracteristiceseniala turbinelor cu axorizontalconstituie numrul de pale. Ele pot fi cu una, dou, treisau mai multe pale (vezi fig. 7, a-d). Cu ct turbina are mai multe pale, cu att este mai mare aria solidasuprafeei baleiate (mturat) de rotor. n teoria turbinelor eoliene numrul de pale este considerat cu factorulde soliditate, care reprezint raportul dintre aria tuturor palelor i aria baleiat de rotor. Este evident cturbinele cu 1-3 pale au un factor de soliditate mai mic dect turbinele cu 12 sau 18 pale. Cu ct este maimare factorul de soliditate (rotor cu multe pale), cu att este mai micviteza de rotaie a turbinei, iar cupluldezvoltat va fi mai mare i invers. Din aceastcauz, turbinele cu puine pale sunt utilizate pentru generareaenergiei electrice, iar cele cu pale multe, pentru pomparea apei, ac ionarea ferstraielor, concasoarelor,valurilor de mcinat etc, altfel spus, a mainilor, care necesitviteze mici de rotaie i cupluri mari la pornire.


31/92


2.7. Strategii de reglare i control ale turbinelor eoliene

Turbinelor eoliene moderne sunt proiectate astfel nct sproduc ct mai multenergie electric la costurict mai reduse. n general, sunt proiectate pentru o producie maximde energie, la o vitezmedie avntuluide cca. 15 m/s; nu sunt proiectate pentru vnturi cu viteze mai mari, deoarece acestea sunt mai rare. Pentrucazul vnturilor puternice, n vederea protejrii ntregului echipament, se impune eliminarea sau altfel spus

pierderea, energiei suplimentare. n consecin, aerogeneratoarele moderne sunt echipate cu sisteme decontrol al puterii, care asigur meninerea puterii la valori practic constante, indiferent de viteza vnturilor.Turbinelor eoliene mai vechi i de putere mai mic, au fost proiectate i realizate pentru a putea funciona i

n situaia vnturilor puternice. Cele moderne, de medie i de mare putere (de la sute de kW la ordinul MW-lor), sunt prevzute cu sisteme de control a puterii preluate din energia vnturilor.

Se cunosc i se folosesc, individual sau n combinaie, trei modaliti de eliminare sau de diminuare a efectuluisurplusului de energie, pe durata vnturilor puternice (rafale), pe seama proiectrii i realizriicorespunztoare a turbinelor eolienesi anume:

controlul pasului elicelor (pitch control ); utilizarea fenomenul de blocare (stall control );

posibilitatea orientrii axului longitudinal, dupdirecia vntului (yaw mechanism).2.7.1. Turbinelor eoliene cu controlul pasului elicei (pitch control )

n cazul controlului pasului elicei, se verific, suficient de frecvent, viteza i direcia vntului (cu ajutorulanemometrelor), precum i puterea de ieire a turbinei; la creterea nedorit a acestora , cuajutorul unor dispozitive hidraulice sau electrice, are loc comanda modificrii fine a pasului elicei, prin rotireapalelor fade butuc, n jurul axelor longitudinale ale acestora (vezi locul de ncastrare a palelor n butuc).

Fig. 8 Partile componentele ale unei turbinei eoliene

31


32/92


32

n acest fel, se acioneaz, de fapt, asupra eficienei forei portante. n marea majoritate a cazurilor undispozitiv de acionare unic (n general hidraulic) realizeazmodificarea simultana poziiei tuturor palelor. ncele mai moderne aerogeneratoare de mare putere, acionri individuale, electrice, permit meninerea la ovaloare constanta puterii furnizate de cturbina, la orice viteza vntului, prin intervenii foarte fine.

2.7.2. Turbinelor eoliene ce utilizeazfenomenul de blocare (stall control )

n cazul utilizrii fenomenului de blocare (stall ), se folosesc dousoluii: control stall pasiv; control stall activ.

Specialitii din domeniul aerodinamicii (industria de elicoptere,de avioane, de turbine cu gaze), care nu auavut tangen cu industria energetic eolian, au fost iniial reticeni la ideea utilizrii premeditate ieficiente a fenomenului de blocare. Totui, observnd c, n cazul turbineloreoliene , fenomenul de blocare acioneazprogresiv,datorit unor profiluri aerodinamice i comenzicorespunztoare, l-au acceptat ca o procedurperfect viabili utilde control a puterii transmisegeneratorului. n primul caz, control stall pasiv, palele rotorului captatorului sunt fixate rigid n butuc, sub unanumit unghi i avnd o anumitprofilare aerodinamic. Ca urmare, n momentul creterii vitezei vntului,nmod automat se modific unghiul de atac al vntului fa de elice (va crete). n consecin, datoritturbulenelor ce se creaz,eficiena rotorului este progresiv diminuat. Aceastmodalitate de reglare a puteriicaptatorului are avantajul de a nu avea componente n micare relativ, unele fa de altele, pe captator,precum i faptul cnu necesitechipamente de control i de acionare suplimentare. n schimb apar problemecomplexe de proiectarea aerodinamic, n vederea evitrii vibraiilor ce pot fi generate de turbulenele aprutepe muchia de ieire a elicelor. Fenomenul nu se manifest la fel pe toat lungimea a palelor, datoritgeometriei variabile a seciunilor, de la butuc spre vrfuri. n cazul controlului stall activ, paletele sunt mobile nbutuc, dar sunt acionate, n vederea eliberrii excesului de energie, pe seama turbulenelor ce apar. Reglajulputerii este mai fin, obinndu-se o putere de ieire aproape constantchiar i n cazul unor vnturi puternice

2.7.3. Turbinelor eoliene ce se pot orienta dupdirecia vntului

Asemenea mecanisme, utilizate chiar i n turbinelor eoliene foarte vechi, n scopul meninerii acestora pedirecia vntului, mai ales n zonele n care vntul nu are o direc ie dominant, sunt foarte utile n vedereaextragerii unui procent ct mai mare din energia coinut n masele de aer n micare.Utiliznd elemente sensibile la direcia vntului, chiar anemometrele pot fi utilizate i n acest scop,se genereaz semnale de comand pentru dispozitive de reorientare a nacelei dupdirecia vntului. La puteri mici, chiar nacela este astfel proiectat aerodinamic nct se auto orienteaz dupdirecia vntului. La puteri mari, de obicei servomotoare electrice acionezmecanisme speciale(yawmechanism vezi figura) ce asigurrotirea nacelei n jurul unui ax vertical, ce coincide cu axul turnului. Maimult, aceste mecanisme sunt utilizate i ca dispozitive de protecie, mpotriva vnturilor extreme,scondcaptatorul din direcia vntului.Utilizarea acestor mecanisme poate crea probleme suplimentare.Anume, exist

posibilitatea ca, n urma modificrii repetate a direciei vntului, nacela sse roteascsuccesiv n acelai sens, provocnd torsionarea (chiar ncurcarea) cablurilor electrice de legtur.

Problema este soluionatprin adugarea unor dispozitive suplimentare care contorizeaz unghiul total dersucire si, la nevoie, determin aciuni de readucere a nacelei pe direcia iniial. Exploatareaaerogeneratoarelor moderne, pe o duratde cca. 10ani, permite evidenierea unor concluzii privind utilitateametodelor decontrol, descrise sumar mai sus, n vederea reglrii puterii acestora:

costuri totale aproape echivalente,

calitatea energiei livrate ceva mai bunla controlul pasului elicei(pitch control ),

necesitatea lurii de msuri, nc din faza de proiectare, n vederea amortizrii

vibraiilor ce pot aprea, datoritturbulenelor create, n cazul utilizrii fenomenului de blocare (stallcontrol )


33/92


2.8. Algoritm de comandoptimal pentru turbine eoliene

n practicexistlimitri privind funcionarea turbinelor eolienen vnturi variabile, datoritlimitrilor de naturelectrici mecanica subsistemelor componente.n vederea captrii energiei maxime posibile din vnt, dar i

n vederea protejrii impotriva suprancrcrilor de naturelectric sau mecanic, n vnturi puternice, estenecesar controlul vitezei de rotire a turbinelor eoliene. Aceastnecesitate este ilustratn fig. 9.Curbele dinfig.9, ilustreazrelaia dintre puterea rotorului captatorului

Pm, viteza de rotire a rotorului m, coeficientul de putere Cpi viteza relativperiferica palelor n funciede viteza vntului .n aceste reprezentri grafice nu este evideniat efectul modificrii unghiului.Cerinele de control delimiteaztrei zone de funcionare aturbinelor eoliene: zonele A, B i C din fig.9.

Zona A.n aceastzon, de vnturi moderate ci< < p, se realizeazun coeficient de putere Cpmaxim i constant (nu are loc modificarea poziiei palelor fade butuc; = constant), n care scop turaia captatoruluimeste reglatastfel nct aceasta screasc proporional cu viteza vntului. n aceast zonputerea deieire P mcrete cu cubul vitezei vntului, conform relaiei:

Fig.9. Moduri de operare a turbinelor eoliene, n vederea asigurrii limitrilor fixate; vci- viteza de cuplare (cut-in wind

speed -4 m/s); vp- viteza vntului corespunztoare valorii maxime admise pentru captator (11 m/s): v r- viteznominal(13 m/s); vco- viteza de decuplare a captatorului (cut-out wind speed-24 m/s)

33


34/92


34

Zona B.

Cnd vnturile puternice (vp


35/92


Mai mult, n cazul turbinelor eoliene convenionale, la atingerea vitezei v co a vntului, are loc scoatereaturbinei din funciune, n scopul protejrii acesteia mpotriva unor deteriorri posibile. Apoi, dup ce vitezavntului scade din nou sub valoarea v co, are loc repunerea n funciune a turbinei(fig.9). Acest proces are loc,de fapt, dup cum se poate observa din fig.11.a, dupo buclde histerezis, corespunztoare zonei D defuncionare. Zona de histerezis este absolut necesar n scopul reducerii numrului prea frecvent

deconectrii/deconectrii n cazul vnturilor variabile (rafale). Adic, scoaterea din funciune are loc la viteza vco2, iar repunerea n funciuneare loc la viteza v co1.

n urma acestor deconectri/reconectri brute, pe de o parte,turbina este supusa la solicitri mari, iar pe dealtparte se pierde o parte nsemnata energiei ce s-ar putea extrage din vnturile puternice. Firma germanENERCON a brevetat i implementat n structura WT moderne (de exemplu WT- E112), o modalitate dereglare a turaiei WT, n conformitate cu zona D din fig 11.b Soluia elimin cele dou dezavantaje mai susmenionate.Prin urmare, un algoritm de control optimal, pentru turbine eoliene, trebuie sasigure satisfacereacerinelor menionate, n legtura cu zonele de funcionare A, B i C (fig.2), dar i n legtura cu zona D(fig.4.b), astfel nct, la variaia vitezei vntului de la intrarea captatorului, sfie asigurat posibilitateaextragerii puterii maxime posibile din masele de aer n micare.

Fig.11. Soluia de optimizare a captatoarelor eoliene n cazul vnturilor puternice

vntului de la intrarea captatorului, sfie asigurat posibilitatea extragerii puterii maxime posibile din maselede aer n micare.

Avndu-se n vedere cerinele de mai sus, precum i faptul c aerogeneratoarele sunt cuplate, n marea

majoritate a cazurilor, la reelede distribuie convenionala energiei electrice, o schemprincipialde controli de conectare la reea este prezentatn fig.12. Schema aerogeneratorului, din fig.12, conine un captator ceantreneaz, prin intermediul unei tranmisii cinematice TC, un generator de inducie G, prevzut cu o bucldereglare a unghiului de inclinarea elicelor (pitch control ), n vederea extragerii puterii maxime posibile dinmasele de aer n micare. Tensiunea alternativa generatorului Ugeste redresatcu ajutorul unei puni IGBTi transmis invertorului cc/ca, prin intermediul unei linii de legtura n cc. Tensiunea alternativde la ieireainvertorului U capse aplicprimarului unui transformator ridictor de tensiune N. Secundarul transformatoruluieste legat la reeaua de distribuie a energiei electrice, prin intermediul unui cablu, cu reactana longitudinalXL.

n scopul asigurrii unei circulaii corespunztoare a puterii,respectiv transferul puterii maxime extrase din

masele de aer n micare,ctre reea, invertorul este prevzut cu o buclde reglare a unghiului de aprindere.

35


36/92


36

Pentru buclele de reglare n discuie sunt folosite de regula regulatoare convenionale .

Fig.12. Schema principialde control i de conectare, la reeaua de distribuie aenergiei electrice, a unui aerogenerator;TC-transmisia cinematic, G generator de inducie, N transformator ridictor de tensiune, XL- reactana longitudinal

a liniei de legtur,v viteza vntului, unghiul de comandal invertorului, Pref- puterea de referina

2.9. Variante de acionare a generatorului

Prima turbineoliancomercial, construitde J. Juul n localitatea Gedser, care a generat conceptul danez"a fost dotat cu multiplicator i generator asincron. Aceast schem (fig. 10, a) predomin i astzi nmajoritatea turbinelor cu puterea nominalmai mare de l00 kW. Pentru a micora masa i a mri eficiena,generatorul asincron trebuie proiectat la viteze de rotaie ct mai mari posibile: 3000 rot/min la frecvena de 50Hz. Totodat, viteza de rotaie a turbinei cu puterea de 600 kW este de circa 30 rot/min, iar a turbinelor cuputerea mai mare de 1000 kW este i mai mic. O masoptima sistemului multiplicator - generator se obinepentru viteze de rotaie a generatorului de (1000-1500) rot/min. n acest caz, raportul de transmisie almultiplicatorului trebuie sfie1:50.

Schema constructiv a sistemului multiplicator - generator asincron nu este universal i nu poate firecomandatpentru toate turbinele eoliene. Soluiile sunt diferite, depind de puterea turbinei i de domeniul deutilizare.

Microturbine turbine cu puterea nominal egal sau mai mic de 3 kW. Viteza nominal de rotaie amicroturbinelor este relativ mare (200-500 rot/min) i se utilizeazn general n regim autonom. Peste 95%dintre turbine sunt dotate cu generatoare sincrone de micvitez, cu magnei permaneni (GSMP), cuplatedirect la rotorul turbinei (frmultiplicator mecanic) dupcum este prezentat n figura 13, b).


37/92


Fig. 13.Turbineolian: a) cu multiplicator; b) cu cuplare direct.

La viteze mici de rotaie, performanele tehnice ale generatorului asincron scad esenial i n sisteme electriceizolate necesitechipament special pentru excitaie i stabilizarea tensiunii. n literatura de specialitate nu afost identificat nici un exemplu de dotare a micro-turbinelor eoliene cu generator asincron care funcioneaznregim autonom sau alimenteazo reea electricizolat.

Turbine de micputere (3 - 30 kW). Absolut toate turbinele cu puterea nominalde pnla 10 kW sunt dotatecu GSMP cuplate direct cu turbina eolian. n gama de puteri 10-30 kW sunt i unele excepii: turbina eolianprodusde Atlantic Orinet Corporation " (SUA) cu puterea nominalde 20 kW este dotatcu generator cureluctanvariabil.

Turbine de putere medie - (30 -1000 kW) i turbine multi-megawatt.n acest domeniu, situaia este incert. Pepiapredominsistemul multiplicator - generator asincron sau sincron, cu excitaie electromagnetic(GSEM)sau cu magnei permaneni. Dupanii 1990 au fost lansate pe pia cteva prototipuri de turbine eoliene cucuplare direct, prin care se urmresc urmtoarele scopuri:

- micorarea costurilor de operare i mentenan;

- majorarea eficienei conversiei energiei eoliene, inclusiv n zonele cu vnturi moderate;

- micorarea vitezei de pornire (start) a turbinei, astfel crete gama de viteze lucrative ale vntului;- micorarea lungimii i greutii gondolei;

- micorarea vibraiilor i zgomotului;

- crete disponibilitatea i fiabilitatea turbinei eoliene.

Firma finlandezWinWind a lansat pe piao turbineoliancu puterea de 1.100 kW, cu diametrul rotorului56 m, care prezint un hibrid, un compromis dintre schema cu multiplicator i cea cu cuplare direct. Aa-numitul concept Multibrid", care se aflla baza noii turbine, constn utilizarea multiplicatorului planetar cu osingur treapt cu raportul de transmisie de 1:5,7 i a GSMP cu viteza de rotaie cuprins ntre 40 i 146rot/min. Masa sistemului multiplicator - GSMP a rmas aceeai ca i la turbine tradiionale, dar gondola are o

construcie mai simpli mai compact.

37


38/92


38

2.10. Configuraii de turbine eoliene

Cele mai utilizate configuraii pentru turbinele eoliene se clasificdupcapacitatea de control al vitezei i dupmetoda de reglare a puterii folositde turbina respectiv. Dacse considera metoda de control al vitezei cafiind criteriul de clasificare, se pot prezenta patru tipuri de turbine dintre cele mai utilizate. Aceste configuraiise pot nsclasifica i dupmodul de control al puterii furnizate

2.10.1. Tipul A: turbine cu vitezfix

Aceast configuraie este cunoscut i sub numele de Conceptul Danez, care utilizeaz un generatorasincron cu rotorul n scurtcircuit (GARS) pentru a converti energia mecanic n energie electric. Datoritdiferenei dintre viteza rotorului turbinei i viteza rotorului generatorului asinron este necasarutilizarea unuimultiplicator (cutie de viteze) care realizeaz concordana necesar dintre aceste dou viteze. Alunecareageneratorului asincron variazpuin pe msurce puterea generat crete, nermnnd riguros constant.Deoarece variaiile vitezei mainii electrice sunt sub 1%, acest tip de turbinse considera funciona la vitezconstantsau vitezfix.

Fig. 14. Turbineoliande tip A cu vitezfix(conceptul danez).

Turbina cu vitezfixeste n prezent prevzutcu sisteme de frnare aerodinamicactiv(stall control) chiardacs-au proiectat i sisteme de turbine cu vitez fix i reglarea unghiulei de atac (active pitch contol).Generatorul asincron cu rotorul n scurtcircuit este conectat la reea prin intermediul unui transformator.Datoritfluctuaiilor de tensiune, generatorul asincron absoarbe putere reactivde la reea. Din acest motiv,configuraia prezentatutilizeazo baterie de condensatoare cu rolul de compensator de energie reactiv.Conectarea la reea se realizeazprin intermediul unui soft-starter, cu rolul de a preveni ocurile de curent ncazul n care condiiile de cuplare n paralel a celor dousurse de energie electric(generator asincron ireea) nu sunt ndeplinite.

Indiferent de metoda de control a puterii generate, trebuie de men ionat c fluctuaiile vitezei vntului se

transformn fluctuaii ale puterii mecanice i n consecinn fluctuaii ale puterii electrice. n cazul unei reeleslabe, aceste fluctuaii ale puterii electrice conduc la apariia unor variaii ale tensiunii n punctul de conexiunecu reeaua. Principalele dezavantaje ale acestei configuraii constau n faptul cnecesitun sistem de control(reglare) a vitezei, o reea puternici trebuie sfie capabil ssuporte solicitri mecanice apreciabile.

2.10.2. Tipul B: turbine cu vitezvariabillimitat

Aceastconfiguraie utilizeazun generator asincron cu rotorul bobinat (GARB), care are conectatn circuitulrotorului o rezistenvariabil. Generatorul asincron este conectat la reea prin intermediul unui transformator.Conectarea frocuri de curent se face cu ajutorul dispozitivului soft-starter, iar bateria de condensatoareasigurcompensarea puterii reactive. Valoarea rezistenei rotorice se modificprin intermediul unui convertoroptic montat pe axul rotorului. Cuplarea opticeliminnecesitatea sistemului inele perii care este mai scump

i necesitoperaii de intreinere. Reglarea puterii generate de sistem se realizeazprin modificarea alunecriimainii asincrone, alunecare care se modific prin variaia rezistentei circuitului rotoric. Plaja de reglaredinamica vitezei este impusde valoarea rezistenei variabile din circuitul rotoric. Domeniul obinuit este de


39/92


0 10 % peste valoarea vitezei de sincronism. Energia suplimentarprodusde generator este disipatsubformde cldurprin rezistena conectatn circuitul rotoric.

Fig. 15. Turbineoliande tip B cu vitezvariabillimitat

2.10.3. Tipul C: turbine cu vitezvariabili convertor de putere mai micdect puterea nominal

Aceast configuraie are la baz un generator asincron cu rotorul bobinat n regim de dubl alimentare(MADA).

Fig. 16. Turbineoliande tip C cu vitezvariabili convertor de putere mai micdect puterea nominal

Arborele generatorului asincron n regim de dublalimentare este cuplat la arborele turbinei prin intermediulmultiplicatorului.

nfurrile statorice ale generatorului sunt conectate la reea, iar nfurrile rotorice sunt conectate la un

convertor electronic cu reacie dup

curent. n acest mod, frecven

ele mecanic

i electric

ale rotorului suntdecuplate, deoarece convertorul electronic de putere compenseaz diferena dintre frecvena mecanic i

frecvena electric, injectnd n rotor un curent de frecven variabil. Prin aceasta devine posibilfuncionarea turbinei la vitez variabil. Viteza rotorului se poate regla n scopul dorit, de exemplu: fie pentruobinerea cantitii maxime de energie, fie pentru micorarea zgomotului produs de turbin.

n cazul acestei configuraii, controlul puterii aerodinamice se face n mod uzual prin reglarea unghiului de atacal palei elicei.

Puterea nominala convertorului electronic de frecven este de aproximativ 30% din puterea nominal ageneratorului asincron. Convertorul realizeazatt compensarea puterii reactive ct i conectatea la reea frocuri de curent. Uzual, sistemul funcioneaz n domeniul -40% - +30% din viteza de sincronism. Deoarece

puterea convertorului de frecven este mult mai mic dect puterea nominal, aceastconfiguraie devineatractiv din punct de vedere economic. Prezint ns dezavantajul prezenei ansamblului inele perii i alproteciei mpotriva avariilor ce pot apare n reea.

39


40/92


40

2.10.4. Tipul D: turbine cu vitezvariabili convertor cu putere egalcu puterea nominal

Fig. 17. Turbineoliande tip D cu vitezvariabili convertor cu puterea egalcu puterea nominal.

Aceastconfiguraie se mai numete turbincu acionare direct, deoarece nu necesitn mod esenial unmultiplicator. La arborele turbinei se poate conecta un generator sincron multipolar de vitezmic, cu rotorulbobinat i cu inele, care are aceeai vitezcu viteza de rotaie a turbinei i care transformenergia mecanic

n energie electric. Generatorul sincron poate fi excitat electric (dacare rotorul bobinat) (GSRB) sau poate fiexcitat cu magnei permaneni n cazul generatorului sincron cu magnei permanani (GSMP). Se mai poatefolosi ca generator electric i un generator asincron n regim de dublalimentare (MADA).

Statorul generatorului electric nu este conectat direct la reea, ci prin intermediul unui convertor electronic defrecvenconvertorul de frecvena asigutcompensarea puterii reactive i cuplarea la reea fr ocuri decurent. Ca i n cazul anterior, limitarea puterii mecanice a vntului se realizeazprin reglarea unghiului deatac. n figura18 sunt prezentate principalele componente ale unui sistem eolian.

Fig. 18. Turbineoliande tip D cu vitezvariabili


41/92


Palele sau captorul de energie sunt realizate dintr-un amestec de fibre de sticli materiale compozite. Ele aurolul de a capta energia vntului i de a transfera rotorului turbinei. Profilul lor este rodul unor studiiaerodinamice complexe, de el depinznd randamentul turbinei. Astfel, diametrul palelor (sau suprafaaacoperitde acestea) este n funcie de puterea dorit. De exemplu, pentru turbinele cu trei pale se folosescurmtoarele dimensiuni:

putere 10 kW necesitun diametru de 7 m pentru suprafaa descrisde pale; putere 0,2 MW necesitun diametru de 27 m pentru suprafaa descrisde pale;

putere 2 MW necesitun diametru de 72 m pentru suprafaa descrisde pale.

Limea palelor impune valoarea cuplului de pornire, care va fi cu att mai mare cu ct palele sunt mai late.

Profilul palelor depinde de cuplul dorit n funcionare.

Numrul de pale depinde de eolian. n prezent, sistemul cu trei pale este cel mai utilizat, deoarece asigurlimitarea vibraiilor, a zgomotului i a oboselii rotorului, fade sistemele monopalsau bipal. Coeficientul deputere este cu 10 % mai mare pentru sistemul bipal fa de cel monopal, iar creterea este de 3% ntre

sistemul cu trei pale fa de dou pale. n plus, este un compromis bun ntre cost i viteza de rotaie acaptorului eolian i avantaje din punct de vedere estetic pentru sistemul cu trei pale, fade cel cu doupale.

Butucul este prevzut cu un sistem pasiv (aerodinamic), activ (hidraulic) sau mixt (active stall) care permiteorientarea palelor pentru controlul vitezei de rotaie a turbinei eoliene (priza de vnt).

Controlul activ, prin motoare hidraulice, numit i "pitch control". Acest sistem asigurmodificarea unghiului deincidena palelor pentru a valorifica la maximum vntul instantaneu i pentru a limita puterea n cazul n carevntul depete viteza nominal. n general, sistemul rotete palele n jurul propriilor axe (micare depivotare), cu cteva grade, n funcie de viteza vntului, astfel nct palele sfie poziionate n permanensubun unghi optim n raport cu viteza vntului, astfel nct sse obinn orice moment puterea maxim. Sistemulpermite limitarea puterii n cazul unui vnt puternic (la limit, n caz de furtun, trecerea palelor n "drapel").

Controlul aerodinamic pasiv, numit i "stall control". Palele eolienei sunt fixe n raport cu butucul turbinei. Elesunt concepute special pentru a permite deblocarea n cazul unui vnt puternic. Deblocarea este progresiv,pn cnd vntul atinge viteza critic. Acest tip de control este utilizat de cea mai mare parte a eolienelor,deoarece are avantajul cnu necesitpiese mobile i sisteme de comandn rotorul turbinei.

Ultimul tip de control, vizeazutilizarea avantajelor controlului pasiv i al celui activ, pentru a controla maiprecis conversia vntului n energie electric. Acest sistem este numit control activ cu deblocareaerodinamic, sau

Curs Florea

Documents

Transcript of Curs Florea