Producerea de energie electrică din surse regenerabile (II)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Producerea de energie electrică din surse regenerabile (II)

În numărul precedent, în continuarea abordării aspectelor cantitative și calitative privind eficiența energetică a instalațiilor de producere a energiei fotovoltaice, am evidențiat un capitol important privind stocarea energetică în cadrul acestor aplicații, prezentând câteva soluții și tehnologii cu baterii acid-plumb, baterii pe bază de Ni și Li, prin prisma avantajelor și dezavantajelor fiecăreia. În final în loc de concluzii am prezentat perspectiva stocării energetice pornind de la eficiență și costuri și nu în ultimul rând aspectele tehnico-constructive.

1. Introducere

În lanțul de conversie energie fotovoltaică - energie electrică unul din blocurile principale constitutive îl reprezintă convertorul cc/ca.

Energia fotovoltaică mai întâi trece prin fazaenergie de c.c. cu parametrii bine definiți, energie stocabilă sau nu și care poate fi folosită direct pentru eventualii consumatori de c.c., în continuare existând și varianta trecerii ei în c.a. Energia de c.a. este cea mai des utilizată din două motive: 

  • Chiar dacă sistemul de conversie este unul autonom, cei mai mulți consumatori sunt de c.a. 
  • În cazul în care sistemul de conversie este legat la sistemul național energetic, condiția livrării energiei în forma c.a. este inevitabilă.

2. Convertoare c.c.-c.a. (invertoare)

Din punct de vedere istoric, convertoarele statice c.c.-c.a. au apărut după anii 70 ai secolului trecut odată cu apariția ventilelor de putere și a soluțiilor de realizare a comutației forțate. Cele mai utilizate invertoare sunt împărțite după forma tensiunii de ieșire și a modului de funcționare în: 

  • Invertoare cu tensiune de ieșire dreptunghiulară 
  • Invertoare cu tensiune cvasisinusoidală 
  • Invertoare cu modulație în durată a impulsurilor (PWM)
  • Invertoarele rezonante

Odată cu apariția tranzistoarelor de putere, progresele în dezvoltarea invertoarelor au fost semnificative, astăzi în peste 90% din aplicații folosindu-se invertoarele monofazate sau trifazate cu tranzistoare și comandă PWM.

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 1 de mai jos:

  • FIGURA 1. Schema electrică de principiu a unui invertor trifazat cu tranzistoare și comandă PWM

Tensiunea trifazată la ieșirea invertorului se obține prin comanda secvențială a celor 6 ventile V1÷V6.

Diodele D1÷D6 asigură transferul energiei reactive dinspre sarcină spre sursa Ucc.

Tensiunile de linie, de ieșire, au valorile:

Tensiunile de ieșire pe fiecare fază, defazate între ele cu 120o, au valorile: 

Tensiunile de linie, au valorile: 

2.1 Comanda PWM a invertoarelor trifazate

Cum tendințele actuale în electronica de putere sunt pentru utilizarea ventilelor de tip tranzistor de putere ( BJT, IGBT, MOSFET, etc.), ce asigură o comutație forțată a curenților de sarcină la frecvențe din ce în ce mai mari, tot mai mult specialiștii au căutat comanda acestor ventile în logica modulației în lățime a impulsurilor (PWM – pulse width modulation).

În realitate, semnalul de comandă aplicat dispozitivului semiconductor este de o altă anvergură, dar el se bazează pe semnalul logic de comandă PWM.

  • FIGURA 2. Generarea semnalelor de comandă PWM

Se observă în figura 2, că atâta timp cât Uc>Udf, comparatorul furnizează la ieșire un semnal logic (ON), în caz contrar acesta se blochează și oferă semnalul (OFF).

Pornind de la acest principiu, astăzi sunt foarte multe variante derivate de generare a semnalelor de comandă, toate bazându-se pe microprocesoare și microcontrolere rezultate ale progreselor realizate în acest domeniu.

2.2 Interfața invertor-rețeaua electrică

În cazul acestei aplicații, invertorul este pilotat de rețeaua electrică la care este cuplat.

În cazul ajustării frecvenței, în jurul frecvenței industriale, are loc conversia puterii active în ambele sensuri, iar în cazul ajustării tensiunii în jurul valorii impuse de rețea avem vehicularea controlată a puterii reactive în ambele sensuri.

Instalațiile fotovoltaice autonome (funcționând izolat), au propriu control al frecvenței și tensiunii, în bucle automate de reglare automată, alegerea regimurilor de funcționare rămânând la latitudinea utilizatorului.

Indiferent de sistemul de comandă, de foarte multe ori defazajul tensiune curent la ieșirea invertorului poate fi deranjant atât prin prezența puterii reactive pe armonica fundamentală, dar și a spectrului de armonice determinat de invertoare.

Pentru limitarea armonicelor, dincolo de modul de comandă al invertoarelor unde s-au făcut progrese importante, se folosesc la ieșirea acestora, filtre „de armonice”. În figura 3 este prezentată schema de principiu a unui filtru de acest gen.

  • FIGURA 3. Schema electrică de principiu a unui filtru de armonice.

2.3 Randamentul invertoarelor

În structura unei centrale fotovoltaice, randamentul invertorului este foarte important pentru că pornim de la un randament scăzut al conversiei energiei solare în energie electrică. Performanța invertorului determină direct performanța unei centrale solare.

Ecuația reprezentând bilanțul conversiei este:

Unde: n

  • Pe – putere la ieșirea invertorului 
  • Pi – putere la intrarea invertorului 
  • Ps – pierderi datorate serviciilor proprii 
  • Pai – pierderi active în circuitul propriu.

Randamentul invertorului este:

În figura 4 este prezentată curba randamentului funcție de puterea de ieșire.

  • FIGURA 4. Varianta randamentului unui invertor funcție de puterea de ieșire.

Observații:

1. Cu cât invertorul are o putere mai mare cu atât randamentul la puterea nominală Pen este apropiată de cifre ca 0,96÷0,98.

2. Alegerea unui invertor trebuie făcută în așa fel încât acesta să funcționeze majoritatea timpului la putere maximă.

3. Funcționarea unui invertor în situații reale de intensitate solară este însă aleatorie, motiv pentru care în datele de catalog ale invertoarelor se definesc două randamente: la încărcare 100% și la încărcare 10%, urmând ca o alegere adecvată să se facă pe un randament mediu între cele două valori.

4. În practica europeană se folosește un randament teoretic, numit și randament de calcul care are expresia: 

3. Concluzii

Ponderea centralelor fotovoltaice pe piața de energie este dependentă de: 

  • Structura sistemului energetic al unei națiuni 
  • Consumul de energie și evoluția lui 
  • Evoluția costurilor terenurilor pe care se pot construi astfel de centrale 
  • Evoluția costurilor componentelor unei centrale fotovoltaice.

Competitivitatea acestor centrale este strâns legată de dezvoltarea elementelor de stocare energetică precum și de dezvoltarea elementelor și sistemelor de limitare a perturbațiilor electromagnetice la interfața rețelelor publice de tensiune. Deoarece existența centralelor fotovoltaice necesită suprafețe de teren importante (cca. 15 000 m2/MW) trebuie pus întotdeauna într-o balanță veridică raportul între avantaje și dezavantaje.

Și nu în ultimul rând, rămâne în discuție statutul energiei fotovoltaice de energie verde, atâta timp cât pentru producerea panourilor solare prin tehnologiile actuale, o cantitate importanta de CO2 este „oferită” atmosferei. 


Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.