Producerea de energie electrică din surse regenerabile (V)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Producerea de energie electrică din surse regenerabile (V)

În ultimul număr am prezentat soluțiile de obținere a energiei electrice din energie eoliană folosind ca element de conversie generatoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit, respectiv cu rotorul bobinat. De asemenea, în lucrare au fost trecute în revistă efectele instalațiilor eoliene asupra calității energiei electrice injectate în rețea, precum și funcționarea insulară a acestor tipuri de echipamente. În final au fost concluzionate avantajele și dezavantajele conversiei folosind mașina asincronă în regim de generator, energia primară fiind energia eoliană.

1. Introducere

După cum am prezentat anterior, alegerea tipului de grup eolian se face în funcție de câțiva factori, dintre care cei mai importanți sunt legați de tipul de amplasament, de valoarea investiției, de puterea, respectiv energia produsă, dar și de progresele tehnice obținute atât în producția de generatoare electrice, cât și în cea de convertoare statice de putere. Astăzi, tot mai mult, dincolo de aspectele cantitative ale conversiei, contează și aspectele calitative ale energiei produse, randamentul de conversie, precum și cheltuielile specifice pentru obținerea energiei electrice din energie eoliană.

Din cele prezentate anterior putem rezuma o clasificare a grupurilor eoliene după viteza turbinelor și după modul de conversie și anume:

  • grupuri cu viteza fixă realizate cu mașini asincrone cu rotorul în scurtcircuit;
  • Grupuri cu viteza variabilă care se pot clasifica în:
    • Viteza variabilă limitată, realizată cu mașini asincrone cu rotorul bobinat;
    • Cu viteza variabilă și convertor de putere realizat cu mașini asincrone cu rotorul bobinat;
    • Cu viteza variabilă și convertor de putere realizat cu mașini asincrone cu rotorul în scurtcircuit sau cu mașini sincrone clasice și/sau mașini sincrone cu magneți permanenți.

În cele ce urmează voi aborda utilizarea mașinii sincrone în conversia energiei eoliene pentru simplul motiv că este una dintre cele mai folosite conversii, lucru datorat avantajelor acestui tip de mașină.

2. Generatoare sincrone eoliene

Sunt cunoscute calitățile deosebite ale mașinilor sincrone, atât ca generator, cât și ca motor. Ca generator, mașina sincronă se folosește aproape în exclusivitate în procesul de producere a energiei electrice, ea fiind cunoscută în hidrocentrale, în termocentrale și, mai nou, și în transferul energiei eoliene în energie electrică.

Din punct de vedere constructiv, ele sunt regăsite sub diferite forme, cum ar fi:

  • Mașini cu poli aparenți
  • Mașini cu poli înecați
  • O combinație între cele două variante de mai sus.

În funcție de mișcarea relativă dintre cele două armături indus-inductor mașina sincronă poate fi:

  • Mașina în construcție normală statorul-indus și rotorul-inductor.
  • În ultimul timp a apărut și mașina cu rotorul inductor de tip magneți permanenți, progresele făcute în acest domeniu conducând la puteri însemnate similare cu mașina sincronă clasică.

Regimul de generator al mașinii sincrone se obține atunci când rotorul antrenat de palele elicei în relație cu înfășurarea de excitație alimentată în curent continuu creează un câmp magnetic fix față de rotor. Prin rotire se produce un câmp magnetic învârtitor, care va induce în stator o tensiune electromotoare trifazată. La rândul lor, curenții trifazați din stator vor produce un câmp magnetic învârtitor sincron cu câmpul magnetic de excitație, numit și de reacție a indusului. Cele două câmpuri învârtitoare sincrone se compun într-un câmp învârtitor rezultant, mașina sincronă în regim de generator primind energia vântului prin arbore și transformând-o în energie electrică, pe care o cedează spre a fi consumată în rețeaua publică sau în funcționarea izolată unor consumatori predestinați.

Luând ca exemplu mașina sincronă cu poli aparenți în regim de generator, se pot defini câteva dintre elementele care definesc semnificativ această mașină și anume:

2.1 Bilanţul de puteri active la generatorul sincron

Relația care definește acest bilanț este:

P1= Pm+Pe+Pj2+Pfe2+P2 (1)

Unde:

P1 – puterea mecanică (eoliană) primită de mașină la arbore (rotor)

Pm – pierderile de putere mecanică la transferul acesteia către rotor

Pe – pierderi de putere pentru eventuala excitatoare, dacă aceasta există

Pj2- pierderile din puterea electromagnetică, rezultat al conversiei în înfășurările mașinii sub forma de pierderi Joule.

PFe2 – pierderi din puterea electromagnetică, rezultat al conversiei în miezul magnetic.

P2 – puterea electrică disponibilă sarcinii sau rețelei.

2. 2 Tensiunea electromotoare a generatorului sincron

Relația care definește această mărime este:

Ē = Ū + RĪ + jXσĪ (2)

Unde :

Ū – tensiunea la bornele înfășurării statorice

R – rezistența de dispersie a înfășurării statorice (pe fază)

Xσ – reactanța de dispersie pe fază a înfășurării statorice

Ī – curentul statoric pe fază

Ē – tensiunea electromotoare în sarcină, pe fază a generatorului

2.3 Cuplul electromagnetic al mașinii sincrone 

Relația care definește această mărime este:

 Unde:

E0 – tensiunea electromotoare de mers în gol

I – curentul de sarcină pe fază în stator

Ω – viteza unghiulară a rotorului

Xs – reactanța sincronă a mașinii

δ – unghiul intern al mașinii sincrone

Observații:

Semnul (-) are semnificația faptului că în regim de generator, cuplul electromagnetic este antagonic cuplului activ la arbore.

2.4 Puterea reactivă a mașinii sincrone

Una dintre proprietățile importante ale mașinii sincrone este aceea că în regim de generator poate genera putere reactivă în anumite regimuri de funcționare.

Relația care definește această putere este: 

3. Integrarea generatorului sincron în conversia energiei eoliene

Față de soluția prezentată cu utilizarea mașinii asincrone, generatorul sincron transferă energia produsă spre rețea prin intermediul unor convertoare statice, fapt care permite utilizarea unor generatoare sincrone cu un număr important de poli, deci de turație mică în detrimentul unor gabarite importante.

Avantajele acestei soluții constau în următoarele:

  • Variația frecvenței tensiunii la bornele generatorului sincron datorată vitezei variabile a vântului nu se simte în lanțul de conversie, deoarece prin utilizarea convertorului de frecvență între generator și rețea se trece iminent prin circuitul de c.c. În acest fel, la ieșirea invertorului frecvența rezultată este compatibilă cu frecvența rețelei, obținându-se astfel un transfer constant de putere activă
  • Variația tensiunii la bornele generatorului cu regimuri dinamice importante este atenuată până la injecția în rețeaua publică
  • Prezența circuitului de c.c. pe lanțul de conversie determină o simetrie sigură a fazelor tensiunii de ieșire a invertorului și implicit la intrarea în rețea.

În cele ce urmează voi prezenta două scheme de conversie a energiei eoliene folosind mașina sincronă, diferențierea făcând-o structura de magnetizare a acesteia.

3.1 Mașina sincronă cu magneţi permanenţi

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 1.

Notațiile din figură corespund:

G – Generator sincron cu magneți permanenți

U1– Redresor

C – Filtru în circuitul de c.c.

U2– Invertor

F – Filtru de curent alternativ

T – Transformator de ieșire

Avantajele acestui sistem constau în:

  • Funcționarea independentă de rețeaua electrică

  • FIGURA 1 -  Schema de conversie energie eoliană folosind generatorul sincron cu magneți permanenți

 

  • Autoexcitarea mașini
  • Factor de putere ridicat
  • Randament ridicat.

Dezavantajele soluției sunt legate de:

  • Tehnologie deosebită de realizare a rotorului pentru a se obține o caracteristică magnetică deosebită;
  • Costurile ridicate pentru materialele magnetice realizate din „pământuri rare”
  • Dependența materialelor magnetice cu temperatura.

3.2 Mașina sincronă cu înfășurare de excitaţie

Schema electrică de principiu este prezentată în figura 2

  • FIGURA 2Schema de conversie energie eoliană folosind generatorul sincron cu înfășurare de excitație

Avantajele acestei soluții constau în controlul puterii reactive și a tensiunii la borne, control facil și sigur.

Dezavantajul important constă într-un randament de conversie inferior primei soluții, lucru datorat energiei necesare excitării mașinii. Indiferent de soluție, utilizarea mașinii sincrone și implicit a convertorului de frecvență are avantajul utilizării unei mașini cu un număr important de poli, deci de turație redusă, apropiată de viteza de rotație a elicei. Dezavantajul major este strâns legat de utilizarea convertoarelor statice de putere și de consecințele funcționării lor: armonice, interarmonice de curent și tensiune. Și ca un corolar al prezentării tuturor soluțiilor de conversie a energiei eoliene, putem concluziona că folosirea generatoarelor sincrone asigură un transfer în limite largi ale vitezei vântului, un randament sporit de conversie, nefiind necesar multiplicatorul de viteză de rotație a elicei. Singurul aspect negativ este legat de costurile sporite, atât de investiție, cât și de mentenanță, pentru acest tip de generator.

4. Concluzii

Folosirea energiilor regenerabile în general, a energiei eoliene în particular, este în condițiile actuale o necesitate obiectivă. În condițiile creșterii continue a necesarului de energie, a scăderii sigure a resurselor energetice fosile, în condițiile încălzirii globale, trebuie să constatăm că una din resursele inepuizabile ale omenirii este energia neconvențională obținută din conversia de energie solară, respectiv a vântului. Dar pentru că există un dar, această energie este una care trebuie consumată când se produce, altfel se pierde. Deci trebuie să o înmagazinăm, să o stocăm. Stocarea dincolo de cheltuieli atrage procese de producere care cer tot componente fosile. De asemenea pentru a se asigura o siguranță sporită a consumului, energia regenerabilă trebuie compensată, altfel spus avem nevoie de o energie obținută tot prin mijloace clasice, în cel mai bun caz energie hidro, dacă nu avem la îndemână necesarul stocat. Iată întrebări la care vom căuta răspunsuri și soluții în următorii ani.


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.