Producerea de energie electrică din surse regenerabile (III)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Producerea de energie electrică din surse regenerabile (III)

În numărul precedent, am prezentat o ultimă verigă din lanțul conversiei energiei fotovoltaice în energie electrică. Este vorba de tipurile de convertoare c.c./c.a., oprindu-mă la invertoarele trifazate cu tranzistoare și comandă PWM, cele mai utilizate azi în această conversie. De asemenea, în numărul amintit am prezentat principiul comenzii PWM, interfața invertor-rețeaua electrică și câteva aspecte legate de eficiența energetică a invertoarelor prin prisma randamentului acestora.

1. Introducere

Termenul de surse de energie regenerabilă este legat de așa-zisele surse inepuizabile naturale, energie solară, energia vântului, energia geotermală, energia hidraulică, energia biomasei, energia mareelor etc. Dacă în numerele precedente am dezvoltat conversia energiei solare, începând cu acest număr voi aborda conversia energiei „vântului” în energie electrică. În ceea ce privește potențialul eolian al României, apreciat la circa 14.000 MW, din motive obiective legate de vitezele relativ reduse ale vitezei vântului pe teritoriul țării, apreciez că potențialul real este aproximativ la jumătate din cifra amintită.

Alegerea locului de amplasare a unei instalații eoliene este foarte importantă pentru stabilirea potențialului de conversie a energiei cinetice a vântului în energie electrică. Caracteristica principală a acestui potențial este viteza medie a vântului în zona dorită.

Turbina eoliană este unul din elementele principale ale conversiei energiei cinetice a fluxului de aer (vântului) în energie mecanică la axul rotorului. Și cum acest flux nu este foarte proeminent, rezultă că turbina, respectiv palele trebuie să aibă dimensiuni foarte mari.

2. Teoria conversiei energiei eoliene

Pornind de la ecuația de continuitate a fluxului de aer care lovește palele turbinei eoliene:

Unde:

m – masa fluxului de aer

ρ – densitatea fluxului de aer

v – viteza vântului (fluxului de aer) la intrarea în zona palelor turbinei

A – suprafața măturată de palele turbinei

Rezultă energie cinetică a fluxului de aer dezvoltată în unitate de timp

Valoarea P reprezintă fluxul de energie pe care turbina îl oferă la axul său și care practic se poate transforma în energie mecanică cu un randament dictat de o serie de factori constructivi.

2.1 Influenţa înălţimii turbinei eoliene

Din relația 2 rezultă că puterea turbinei este direct proporțională cu densitatea aerului, densitate care după cum știm este în funcție de presiunea atmosferică și de temperatura aerului. Relația care cuantifică această funcție este dată de relația 3

Unde:

h – înălțimea (altitudinea) turbinei eoliene

ϴ - temperatura aerului în grade Celsius

2.2 Puterea dezvoltată de o instalaţie eoliană

Energia cinetică utilizată pentru antrenarea palelor unei turbine eoliene preluată din masa de aer m cu viteza v1 la intrarea în perimetrul palelor acesteia și cu viteza v2 în spatele palelor este:

Puterea maximă dezvoltată de turbină ce este preluată din energia maselor de aer este:

În figura 1 este prezentată variația puterii turbinei preluată din masele de aer.

  • FIGURA 1. Variația puterii preluată din masele de aer

Din curba prezentată în figura 1 se pot trage următoarele concluzii:

  • Energia vântului nu poate fi convertită în totalitate în energie mecanică la axul rotorului
  • Energia maximă se obține când raportul dintre vitezele față-spate, față de palele turbinei este 1/3 și reprezintă circa 59% din energia totală a vântului.

Conversia energiei eoliene în energie mecanică la axul turbinei se transferă către arborele generatorului electric prin intermediul cutiei de viteze, care are rolul de a multiplica viteza de rotație a turbinei relativ mică (5÷20 rot/min), la o viteză de rotație a arborelui mașinii electrice care poate ajunge la 1500÷3000 rot/min.

Din punct de vedere al eficienței energetice, cutia de viteze reprezintă un element care are un randament ce conduce la pierderi pe fluxul de conversie de câteva procente importante.

3. Generatoare electrice folosite în conversia eoliană

În mod uzual, cronologic și de ce nu și în ceea ce privește atenția cercetărilor efectuate în domeniul acestei conversii, s-au folosit toate mașinile electrice de dimensiuni mari. Stau mărturie în acest sens preocupările ICPE din anii ’85, când pe platoul de la Măneciu au fost folosite atât mașini de curent continuu, cât și toate variantele de curent alternativ.

3.1 Generator de curent continuu cu excitaţie derivaţie

Această soluție a fost folosită pentru început atât pentru avantajele oferite de excitația derivație în obținerea energiei la bornele înfășurării rotorice, dar și pentru obținerea energiei de curent continuu care pentru început avea semnificația unei calități sporite, dată fiind lipsa celorlalte forme de energie (reactivă, aparentă, deformantă).

A fost abandonată o bună perioadă, dar cred că va reveni, odată cu creșterea interesului pentru transportul energiei în curent continuu.

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2. Menționez că ieșirea generatorului poate fi legată direct cu o rețea de c.c. prin intermediul unui convertor c.c./c.c. sau la o rețea de c.a. cu ajutorul unui convertor c.c./c.a.

  • FIGURA 2. Sistem de conversie cu generator tip c.c.

3.2 Generator asincron cu rotorul în scurtcircuit

Acest tip de generator este cel care a fost folosit într-o primă generație, avantajele utilizării constând în:

  • simplitatea mașinii, având ca interfață cu exteriorul doar o singură înfășurare;
  • este numit și mașina cu viteză fixă, deși rotorul poate avea o variație a vitezei datorată inegalității între alunecarea de sincronism și cea nominală.
  • este o mașină de putere însemnată, deci cu un aport energetic important.

Are și dezavantajul consumului de energie reactivă impusă de magnetizarea mașinii, ceea ce conduce la utilizarea unor echipamente de compensare. În figura 3 este prezentată schema electrică de principiu.

  • FIGURA 3. Sistem de conversie cu generator asincron cu rotorul în scurtcircuit

3.3 Generator asincron cu rotorul bobinat

Este o soluție mai puțin utilizată, dat fiind faptul că pentru conversie este necesară utilizarea unor cascade sincrone sau subsincrone care asociază mașinii suficiente echipamente bazate pe electronică de putere.

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 4:

  • FIGURA 4. Sistem de conversie cu generator asincron cu rotorul bobinat

  • FIGURA 5. Sistem de conversie cu generator sincron

3.4 Generator sincron

Soluția cu generator sincron este utilizată astăzi pe scară largă. Principalele motive și avantaje în același timp sunt legate de:

  • mașina sincronă este o mașină de putere mare și foarte mare, utilizată atât în hidrocentrale, cât și în termocentrale;
  • are posibilitatea de a nu folosi cutia de viteze, conversia făcându-se printr-un convertor dual ce permite trecerea energiei prin faza de c.c.;
  • sunt mașini cu un număr foarte mare de perechi de poli ce le fac din punct de vedere constructiv de anvergura unor „discuri”;
  • în ultimul timp, exactitatea mașinii a fost înlăturată prin folosirea soluției cu magneți permanenți.

Soluția cu generator sincron prezentată în figura 5 va fi dezvoltată într-un număr viitor.

4. Concluzii

Am prezentat cu caracter general o inițiere în obținerea energiei electrice folosind ca sursă primară de energie energia vântului. Deși este inepuizabilă, această energie oferită de mediul care ne înconjoară are dezavantajul, ca și energia solară, că trebuie consumată în mod curent, când este produsă. În caz contrar, ea trebuie stocată, stocarea oferind, dincolo de problemele tehnice specifice, și cheltuieli importante de investiție.

Coroborat cu faptul că însuși sistemul de conversie presupune o investiție importantă, cu faptul că zonele de vânt cvasiconstant sunt oarecum rare, consider că, deși la prima vedere energia eoliană este „gratuită”, producerea ei și punerea la dispoziția consumatorului „măria sa” sunt o activitate relativ scumpă. Astăzi, ea este mai utilizabilă decât energia solară și viitorul este de partea ei.


Ion Potarniche

Conf. dr. ing. Ion POTÂRNICHE, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 38 de ani de activitate de cercetare aplicativă în cadrul ICPE

  • Autor al: 12 invenţii brevetate, 76 lucrări publicate în reviste de specialitate, 60 lucrări practice elaborate, 119 lucrări publicate în sesiuni de comunicări ştiinţifice, 5 cărţi publicate.
  • Experienţă în managementul proiectelor de cercetare naţională, coordonator al 19 contracte de cercetare aplicativă din cadrul PNCDI
  • Membru al: Consiliului Inovării - AMCSIT, CT 36-Electronica de Putere al Comitetului Electrotehnic Român, AGIR, Patronatelor din Energetică
  • Membru de onoare al CNR-CME
  • Vicepreşedinte al APREL
  • Vicepreşedinte al A.P. ENERGIA
  • Consultant ştiinţific al Federaţiei Patronale din Construcţii de Maşini
  • Activitate didactică la U.P.B. şi Universitatea Valahia
  • Membru al ASTR

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.