Producerea de energie electrică din surse regenerabile (IV)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Producerea de energie electrică din surse regenerabile (IV)

În numărul anterior am inițializat termenii sub care se obține energia eoliană. În primul rând, am prezentat câteva noțiuni privind teoria conversiei eoliene în energie electrică, parametrii care influențează randamentul conversiei (înălțimea turbinei, puterea dezvoltată de o instalație eoliană etc.). În continuare, m-am referit la tipurile de generatoare utilizate în conversie (generatoare de c.c., asincrone cu rotorul în scurtcircuit, asincrone cu rotorul bobinat și cele sincrone). Am concluzionat cu importanța energiei eoliene în pachetul energetic național, avantajele și dezavantajele producerii acestei forme de energie pentru sistemul național energetic.

1. Introducere

Producerea energiei electrice prin conversia energiei vântului este una dintre cele mai mature tehnologii de conversie, cu costuri specifice mici și cu prețuri comerciale dintre cele mai reduse, în pofida costurilor investiționale relativ mari. În România, obiectivul ,,20%” până în 2020 obținut din energie regenerabilă este de pe acum depășit și acest lucru se datorează în primul rând energiei eoliene puternic dezvoltate pe întreg teritoriul țării.

Principalele elemente ce trebuie analizate pentru acest tip de conversie sunt legate de: 

  • împrăștierea relativ neomogenă a zonelor de vânt intens pe teritoriul țării și, implicit, a puterii generate și absorbite de rețeaua națională; 
  • integrarea în sistemul energetic fără influențe reciproce și fără afectarea consumatorului final; 
  • limitarea influențelor reciproce de tip electromagnetic (variații de tensiune, armonice, fluctuații de putere, tensiune și frecvență etc.); 
  • utilizarea grupurilor eoliene pentru controlul parametrilor rețelelor electrice (controlul Q, controlul f etc.); 
  • zgomotul în apropierea zonelor parcurilor eoliene; 
  • efectele asupra mediului, florei și faunei zonale.

În istoria omenirii, trecută și recentă, energia eoliană a reprezentat o preocupare permanentă, pentru unii, chiar o tradiție. În acest sens, mărturie stau tipurile de turbine eoliene folosite în diverse aplicații de conversie, dintre care trebuie amintite: moara de vânt olandeză, moara de vânt americană, turbina Darrieus, turbina H-Darrieus; turbina cu o pală, cu două pale, cu trei pale etc.

Elementele care le diferențiază sunt legate de: randamentele energetice, costurile investiționale, zgomotul produs, încadrarea în mediul în care se regăsesc aceste turbine, ușurința în conectarea sarcinii și simplitatea utilizării.

În numărul de față voi prezenta conversia energiei eoliene în energie electrică, folosind mașina asincronă în câteva scheme de utilizare, punctând avantajele și dezavantajele fiecărei scheme de utilizare.

2. Conversia energiei vântului folosind maşina asincronă

Alegerea tipului de generator asincron se face în funcție de: 

  • amplasament și viteza vântului; 
  • costurile privind investiția și timpul de amortizare a acesteia; 
  • progresele privind electronica de putere și tehnologia de realizare a mașinilor asincrone.

2.1 Generator asincron cu rotorul în scurtcircuit

Schema de conversie folosind mașina asincronă cu rotorul în scurtcircuit (figura 1) este cea mai simplă și cea mai utilizată schemă de conectare a unei turbine eoliene la rețeaua publică de tensiune pentru puteri însemnate 2-4 MW.

În figura 1, echipamentele utilizate sunt:

  • Mv – multiplicator de viteză n
  • M3~– generator asincron cu rotorul în scurtcircuit 
  • C – baterie de condensatoare pentru compensarea energiei reactive 
  • U – variator de tensiune alternativă 
  • Q1, Q2 – întreruptoare joasă tensiune 
  • T – transformator ridicător de tensiune

Acest tip de conversie folosește o instalație cu viteză fixă, cu avantaj substanțial privind simplitatea, prețul scăzut de investiție și o mentenanță ușoară cu costuri reduse.

Pentru a se realiza o viteză de rotație Ω mai mare decât viteza de sincronism a mașinii asincrone M3~, se folosește multiplicatorul de viteză Mv. Conectarea și deconectarea generatorului la rețeaua publică de tensiune prin intermediul transformatorului T se face folosind variatorul de tensiune alternativă U, iar compensarea puterii reactive se face folosind bateria de condensatoare C.

Schema din figura 1 are un dezavantaj major cauzat de un randament scăzut legat de faptul că viteza de antrenare a mașinii asincrone este dependentă de viteza turbinei, motiv pentru care aceasta nu poate rămâne constantă.

Un avantaj major este însă că acest tip de conversie se realizează în regim de calitate a energiei fără probleme, adică fără nesimetrii și fără armonice.

  • FIGURA 1. Conversia energiei eoliene folosind generatorul asincron cu rotorul în scurtcircuit

Antrenând rotorul mașinii asincrone, palele grupului eolian determină funcționarea acesteia în regim de generator la o turație mai mare decât turația de sincronism. În mașină se produce conversia puterii mecanice primite la ax în putere electrică trimisă în rețea, de unde își ia puterea reactivă necesară magnetizării circuitului magnetic.

În cazul generatoarelor asincrone, alunecarea s este negativă.

n1 este turația de sincronizare (în funcție de numărul de perechi de poli); n este turația rotorului care pentru regimul de generator este mai mare decât n1

Puterea mecanică primită la ax Pmec este:

unde:

PG – puterea electrică debitată în regim de ge-nerator; PJ – pierderile Joule în înfășurările mașinii; PFe – pierderile în circuitul magnetic al mașinii.

Randamentul generatorului asincron este: (3)

O soluție tot mai întâlnită cu utilizarea generatorului asincron cu rotorul în scurtcircuit este prezentată în figura 2.

  • FIGURA 2. Utilizarea conversiei energiei eoliene cu generator asincron cu rotorul în scurtcircuit și convertizor de frecvență (R, I)

Convertizorul de frecvență, format din redresorul R și invertorul I, are rolul de a controla atât puterea activă vehiculată între pale și rețea, cât și puterea reactivă absorbită din rețea, precum și tensiunea în circuitul intermediar de c.c. (f=o), astfel încât variatorul de tensiune alternativă U poate să lipsească în acest mod de conversie. 

2.2 Generatorul asincron cu rotorul bobinat 

Dezavantajele utilizării generatorului asincron cu rotorul în scurtcircuit au reprezentat motivul folosirii mașinii asincrone cu rotorul bobinat în regim de generator. Soluția constă în utilizarea cascadei Scherbius în circuitul rotoric, obținându-se o eficiență sporită în randamentul conversiei.

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 3.

Conversia energiei eoliene se face pe două căi, și anume:  

  • pe linia statorică, similar cu mașina asincronă cu rotorul în scurtcircuit;  
  • pe linia rotorului, circa 30% din puterea vehiculată prin stator, astfel încât vom avea un efect dublu din punctul de vedere al eficienței energetice, atât prin modulul energiei debitate în rețea, cât și prin domeniul de abatere a vitezei palelor turbinei eoliene cu circa ± 30% în plus față de soluția precedentă. 

  • FIGURA 3. Conversia energiei eoliene folosind generatorul sincron cu rotorul bobinat

3. Efectul instalaţiilor eoliene asupra calităţii energiei electrice injectate în reţea

În cazul utilizării mașinii asincrone în regim de generator, atât în varianta cu rotorul în scurtcircuit, cât și cu rotorul bobinat, din cauza faptului că mașina este legată direct la rețea, conversia energiei eoliene în energie se realizează cu influențe neplăcute asupra calității energiei produse. Dincolo de legătura directă, motivele importante sunt legate de: n

  • variațiile lente ale vitezei vântului; 
  • fenomenul de „umbrire” la trecerea palelor prin fața stâlpului; 
  • fluctuații rapide ale vitezei arborelui mecanic la pornire.

Principalele efecte ce vizează calitatea energiei sunt fluctuațiile de tensiune și armonicele formei de undă a tensiunii produse.

Din analiza problemelor legate de calitatea energiei electrice în relația generator-rețeaua publică, putem spune că există un deranj reciproc între cele două elemente care concură la transferul energiei electrice. În acest sens, se pot departaja două direcții:

a. perturbații determinate de generatoare în rețeaua electrică, de tipul: 

  • armonice ale curentului injectat în rețea; 
  • nesimetrii ale curentului electric debitat; 
  • putere reactivă debitată în rețea; 
  • variații importante de putere activă debitată; 
  • fluctuații de tensiune.

b. perturbații determinate de rețea asupra calității energiei produse de generatoarele instalațiilor eoliene: 

  • goluri de tensiune; 
  • supratensiuni; 
  • fluctuații de tensiune; 
  • întreruperi de tensiune; 
  • nesimetrii între fazele tensiunii produse; 
  • distorsiuni ale tensiunii produse.

Indiferent de tipul efectului amintit mai sus, două lucruri trebuie cunoscute, din dorința de a cuantifica în orice moment calitatea energiei în punctul de injecție: 

  • măsurători continue ale factorului de distorsiune THDI și THDU și consemnarea acestor mărimi într-un grafic de analiză permanent; 
  • la proiectare trebuie avută în vedere puterea de scurtcircuit în punctul de conectare, mărime care poate afecta în ambele sensuri ale calității energiei produse. 

4. Concluzii

Datorită simplității soluțiilor de producere a energiei eoliene folosind generatoarele asincrone, astăzi cele mai multe dintre instalațiile eoliene realizate sunt cele prezentate în materialul de mai sus. Ele acoperă puteri individuale de până la 5-6 MW, iar ca pondere din total, energia produsă reprezintă peste 50%. Timpul efectiv de lucru al instalațiilor eoliene mult sub cele de 8760 h/an le fac cu atât mai utilizabile ca soluție. Dezavantajele sunt cele prezentate în cap. 3, iar pentru înlăturarea efectelor negative sunt necesare costuri suplimentare care le apropie, per investiție, de soluția cu generatoare sincrone. Transferul tehnologiilor dinspre Vest spre Est le face prezente în număr mare și în țara noastră, dar viitorul nu le asigură o prezență mai mare, generatorul sincron fiind din ce în ce mai mult utilizat în astfel de aplicații.


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.