Universitatea Politehnica din Bucuresti

Facultatea de Automatica si Calculatoare

Lucrare de cercetare pentru dizertatie

Dobre Robert

Conducator Stiintific: Prof. Radu Varbanescu

Ianuarie 2014, Bucuresti

Abstract

Energia regenerabila se refera la forme de energie produse prin transferul energetic al

energiei rezultate din procese naturale regenerabile. Astfel, energia luminii solare, a

vanturilor, a apelor curgatoare, a proceselor biologice si a caldurii geotermale pot fi

captate de catre oameni utilizand diferite procedee. Sursele de energie ne-reinnoibile includ

energia nucleara precum si energia generata prin arderea combustibililor fosili, asa cum ar fi

titeiul, carbunele si gazele naturale. Aceste resurse sunt, in chip evident, limitate la

existenta zacamintelor respective si sunt considerate in general ne-regenerabile. Dintre

sursele regenerabile de energie fac parte:

energia eoliana

energia solara

energia apei

o energia hidraulica

o energia mareelor

energia geotermica

energie derivata din biomasa: biodiesel, bioetanol, biogaz

Toate aceste forme de energie sunt valorificate pentru a servi la generarea curentului

electric, apei calde, etc.

Dezvoltarea energiei regenerabile a devenit un obiectiv pe care Uniunea Europeana si l-a

asumat din doua motive: pe de o parte pentru a scadea dependenta Uniunii de importurile de

energie (peste 50% in prezent), pe de alta parte tinand de o idee aproape iluminista prezervarea unei planete sanatoase, deja atinsa de flagelul incalzirii globale.

Energia verde are marele merit de a nu emite noxe, dand o sansa ca si urmasii nostri sa poata

locui intr-un mediu sanatos.

Cuvinte cheie: energie eoliana, energie solara, panouri fotovoltaice, acumulatori, invertoare,

motoare.

Cuprins

1. Introducere

2. Turbine eoliene 2.1 Producerea de energie electrica la tensiune continua 2.2 Producerea de energie electrica la tensiune alternativa cu generatoare sincrone 2.3 Producerea de energie electrica la tensiune alternativa cu generatoare asincrone

3. Sisteme fotovoltaice

4. Acumulatori

5. Concluzii si dezvoltari ulterioare

1. Introducere

Partea de cercetare care mi-a revenit este reprezentata de turbinele eoliene, sisteme fotovoltaice

si baterii de acumulatori.

Este clar ca domeniul de interes nu este intregul sistem de fotovoltaice sau de turbine eoliane ci

partea electrica respectiv partea mecanica care poate fi de folos sau reprezinta un prim pas in

proiectul abordat dar am sa fac si o trecere rapida in revista a intregului sistem.

2. Turbinele eoliene

Rolul unei turbine eoliene este conversia energiei eoliene in energie mecanica si apoi in energie

electrica.

In realitate, energia eoliana este o forma transformata a energiei solare. Radiatiile soarelui

incalzesc diferite parti ale pamantului la diferite niveluri mai ales in timpul zilei si al noptii,

dar, de asemenea, atunci cand diferite suprafete (de exemplu apa si solul) absorb sau reflecta la

niveluri diferite. Din aceasta cauza, portiuni din atmosfera se se incalzeasc in mod diferit.

Astfel ca aerul cald se ridica, reducand presiunea atmosferica la suprafata pamantului, si aerul

rece este tras, ca sa-l inlocuiasca. Rezultatul este vantul.

Aerul este in masa, si cand este in miscare, contine o energie a miscarii ("energie cinetica"). O

parte din aceasta energie poate fi convertita in alte forme de energie mecanice sau in

electricitate pe care le folosim apoi in activitatile curente.

Functionarea unei turbine eoliene

Principiul este foarte simplu: vantul antreneaza in rotatie palele care sunt fixate pe arborele

turbinei; energia mecanica obtinuta prin rotatia arborelui este convertita in energie electrica de

catre un generator de curent electric.

Elementele componente ale unei turbine eoliene

Nacela 6, montata pe stalpul 11 contine principalele elemente componente ale turbinei. Palele 1

sunt montate pe butucul 2. Amplificatorul de turatie 3 are rolul de a mari turatia de la valoarea

redusa a arborelui principal la valoarea ridicata (pe arborele secundar) de care are nevoie

generatorul electric 9. In cazul unor viteze mari ale vantului care ar putea pune in pericol buna

functionare a turbinei, cuplajul cu ambriajul electromagnetic 4 , care primeste comanda de la

sistemul de control 7, poate intrerup rotatia palelor. In cazul supraincalzirii, ventilatorul 8 reduce

temperatura sistemului. Girueta 5 determina directia vantului si de asemenea exista si un

anemometru cu rolul de a masura viteza vantului, dar nu este reprezentat pe desen. Sistemul de

pivotare 10 orienteaza turbina cu rotorul perpendicular pe directia de actiune a vantului.

Arborele principal sau arborele de turatie scazuta are o turatie redusa si transmite miscarea de

rotatie de la butucul turbinei la amplificatorul de turatie cu roti dintate. In functie de tipul

turbinei eoliene, turatia arborelui principal poate sa varieze intre 20 si 400 rot/min.

Arborele de turatie ridicata (denumit si arborele secundar sau cuplajul) are rolul de a transmite

miscarea de la amplificatorul de turatie la generator. Turatia acestui arbore ca si cea a

generatorului electric, are valori cuprinse intre 1200 si 1800 rot/min.

La eficienta unei turbine contribuie dimensiunea palelor si tipul convertorului din miscare

axiala in electricitate si nu in ultimul rand viteza vantului.

Puterea generata de o turbina eoliana depinde de viteza vantului, conform relatiei:

P=0,5 * * v3 * A * Cp , unde reprezinta densitatea aerului (=1,2255 kg/m3 la nivelul

marii); v viteza vantului; A aria rotorului turbinei; Cp coeficientul de putere, Cp=m * e

* a, unde m este randamentul transmisiei mecanice(m=0,95..0,97), e - randamentul

componentelor electrice (e=0,97..0,98), a eficienta aerodinamica (depinde de

caracteristicele zonei; are valoarea maxima de 0,59 stabilita de Betz).

Fig. 1 Curba de putere

Viteza vantului este un parametru care influenteaza in mod hotarator alegerea turbinei

eoliene tinand seama de influenta vitezei vantului asupra curbei de putere a turbinei (fig.1). In

alegerea turbinei eoliene trebuie sa se tina seama de viteza vantului la care aceasta incepe sa

genereze puterea nominala (nominal wind speed 12 m/s fig.8) si de viteza vantului la

care aceasta incepe sa functioneze (cut-in wind speed 3 m/s fig.1).

Principalele domenii de utilizare a energiei mecanice obtinute la axul turbinei eoliene sunt:

pomparea apei, comprimarea aerului, producerea de caldura dar cel mai important domeniu

este producerea de energie electrica. Energia electrica produsa pe cale eoliana are cateva

caracteristici specifice care afecteaza utilizarea ei si integrarea generatoarelor electrice eoliene

in sistemele electroenergetice:

a)este accesibila in multe tari dar concentrata in arii specifice;

b)intermitenta, adica are caracter aleatoriu;

c)fluctuanta, adica chiar cand avem vant producerea de energie electrica se poate

schimba in cateva secunde;

d)difuza, adica in zonele favorabile, turbinele se amplaseaza pe suprafete intinse (km2);

e)imprevizibila, nu se poate prevedea decat pe termene foarte scurte.

Instalatia electrica a centralelor electrice eoliene

Curentul electric obtinut este, fie transmis spre imagazinare in baterii si folosit apoi cu ajutorul

unui invertor DC-AC in cazul turbinelor de mica capacitate , fie livrat direct retelei de curent

alternativ ( AC) spre distribuitori.

Turbinele eoliene au doua destinatii majore: includerea intr-o centrala eoliana sau furnizarea de

energie locuintelor izolate. Din aceasta privinta sunt foarte asemanatoare cu proiectul de fata,

deoarece si aici exista doua optiuni: producerea de energie electrica pentru consum propriu sau

pentru debitare in SEN.

Mai multe turbine eoliene, de regula, in grup de pana la 30-50 unitati alcatuiesc o centrala

(ferma) eoliana (CE), care prin intermediul unui sau a mai multor transformatoare de ridicare a

tensiunii sunt conectate la reteaua publica de putere considerabil de mare in raport cu puterea

totala a instalatiilor eoliene (fig. 2).

Aceasta varianta de folosire a energiei este cea mai raspandita in localitatile cu conditii eoliene

favorabile si in care exista sisteme energetice publice. Energia generata de CE este cedata

sistemului energetic in intregime pe baza comerciala. Consumatorii proprii ai CE, de

asemenea, sunt conectati la reteaua publica, consumul fiind contorizat.

Fig. 2 Schema de conexiuni electrice a unei centrale eoliene:

1 - aerogenerator; 2, 3,4, 6, 7 - intrerupatoare automate; 5 - transformator 10/35kV; 8 - transformator 10/0,4 V; 9 - consumatori proprii.

2.1 Producerea de energie electrica la tensiune continua

Se utilizeaza in prezent in instalatiile de putere mica si utilizeaza fie generatoare de c.c. sau

alternatoare asociate cu un redresor. Ultima solutie este mai avantajoasa, alternatorul avand un

gabarit mult mai mic. Energia obtinuta poate fi stocata in acumulatoare si apoi distribuita la

tensiune constanta. In figura 3 se prezinta schema bloc a unei astfel de instalatii eoliene (la

puterea ei mica este impropriu sa-i spunem centrala).Turbinele eoliene folosite sunt de regula

cu ax vertical.

Fig. 3 Schema bloc a unei instalatii de putere mica

2.2 Producerea de energie electrica la tensiune alternativa cu generatoare sincrone

In acest caz, generatorul sincron poate functiona fie la turatie variabila, fie la turatie constanta.

Varianta cu turatie variabila se utilizeaza in retele izolate. Aceasta energie nu indeplineste

indicatorii esentiali de calitate pentru retelele de distributie la tensiune alternativa si nu poate fi

utilizata decat la anumite aplicatii: incalzire electrica si iluminat. Varianta cu turatie constanta

implica existenta unor mijloace de reglare sofisticate a turatiei prin reglarea inclinarii palelor

turbinei si nu se justifica decat la puteri mari. Aceste generatoare eoliene pot fi conectate la

sistemul electroenergetic. Un sistem foarte des utilizat este prezentat in figura 4.

Fig. 4 Posibilitatea de functionare a unui generator eolian cu turatie variabla si conectat la

sistemul electroenergetic

Acesta permite utilizarea generatorului sincron la turatie variabila (la diferite viteze ale

vantului), sau chiar utilizarea unui generator sincron inelar cu un foarte mare numar de perechi

de poli, frecventa marita, deoarece tensiunea generata este oricum redresata. Acest sistem se

poate racorda la sistemul electroenergetic. Exista si generatoare sincrone functionand la turatie

variabila si racordate la reteaua de frecventa industriala fara convertizor de frecventa, dar

prevazute cu un sistem complex de reglare cu orientare dupa camp.

2.3 Producerea de energie electrica la tensiune alternativa cu generatoare asincrone

In centralele electrice eoliene, generatorul asincron sau de inductie este cel mai utilizat datorita

urmatoarelor avantaje:

- este mai ieftin si necesita intretinere mult mai putina in raport cu celelalte tipuri de

generatoare;

- pornirea si punerea in paralel cu sistemul electroenergetic nu necesita dispozitive speciale;

- functionare mai sigura la defecte in retea (disparitia tensiunii), repornirea este insotita doar de

un curent mai mare de cateva ori decat cel nominal.

Dezavantajele lui ar fi curentul mai mare la pornire si consumul de energie reactiva din retea.

Ele se prevad cu baterii de condensatoare pentru producerea energiei reactive, pentru a putea fi

folosite si izolat, nelegate la sistemul electroenergetic.

Generatoare asincrone sunt preferate pentru CE de puteri mari datorita fiabilitatii inalte,

pretului de cost si cheltuielilor de intretinere minime. In mod automat se rezolva problema

sincronizarii.

Nivelul stabilizat al tensiunii si frecventei la bornele generatoarelor este impus si mentinut de

reteaua puternica, fara interventia oricarui sistem de reglare. Sistemul de comanda intervine

doar cu semnale de deconectare a generatorului de la retea atunci cand viteza vantului este prea

mica si aerogeneratorul ar putea trece in regim de ventilator cu consum de energie de la retea.

Turatia practic constanta a generatorului, impusa de frecventa tensiunii in retea va conditiona

o functionare a turbinei in regim nu totdeauna optim. In aceste conditii pot fi utile urmatoarele

modalitati de asigurare a regimului optim de conversie a energiei in turbina:

se utilizeaza un generator asincron cu numar de perechi de poli care se regleaza in trepte in functie de viteza instantanee a vantului;

generatorul functioneaza cu turatie optima variabila in functie de viteza instantanee a vantului, energia obtinuta (cu frecventa si tensiunea nestabilizate) se redreseaza, apoi se

transforma in energie de curent alternativ cu parametrii stabilizati, folosind un invertor

comandat de retea. Turatia motorului se regleaza in functie de viteza vantului, modificand

sarcina invertorului (puterea energiei cedate spre retea);

in anumite limite poate fi largit domeniul de variatie a turatiei turbinei, modificand caracteristica electromecanica a generatorului asincron, folosind impendante reglabile in

circuitul static al acestuia.

O varianta de perspectiva reprezinta instalatiile cu generator asincron cu intrefier axial si

rotorul disc, a carui viteza nominala joasa concordeaza favorabil cu viteza aeromotoarelor,

pastrand in acelasi timp toate avantajele generatoarelor asincrone clasice.

Acestea sunt cazurile cele mai raspandite. Mai exista si cazuri particulare care nu prezinta

interes pentru proiectul de fata.

3. Sisteme fotovoltaice

Energia solara reprezinta energia electromagnetica transmisa de soare generata prin fuziune

nucleara. Nivelul intensitatii radiatiei solare, in afara limitelor atmosferei, este relativ constant,

a fost denumit constanta solara si aceasta valoare a fost determinata experimental prin

masuratori cu tehnologie specifica satelitilor, obtinandu-se o valoare de cca. 1350...1366W/ . De la limita atmosferei, pana la suprafata terestra , intensitatea radiatiei solare se reduce

datorita catorva efecte cunoscute (reflexie, dispersie, absorbtie, etc.), iar valoarea intensitatii

radiatiei solare, la nivelul solului, prezinta valori diferite, in functie de:

-pozitia geografica(latitudine, longitudine, altitudine);

-conditii meteorologice;

-prezenta sau absenta poluarii, etc.

Exista doua tipuri de radiatie solara, care se manifesta la nivelul solului si anume radiatia

directa si radiatia difuza, suma dintre cele doua reprezentand radiatia totala. In urma

fenomenelor enumerate mai sus, radiatia solara care ajunge la suprafata Pamantului, masurata

in Europa de vest, nu depaseste 1000 W/

Producerea de energie electrica din energie solara se bazeaza pe instalatii termice si pe

panourile fotovoltaice. O lista partiala a aplicatiilor energiei solare cuprinde incalzirea si racirea

spatiului cu ajutorul arhitecturii solare, furnizarea de apa potabila prin distilare si dezinfectie,

iluminatul, producerea de apa calda, gatitul cu ajutorul energiei solare si caldura de proces de

inalta temperatura utilizata in scopuri industriale. Pentru a utiliza energia solara, se folosesc de

obicei panourile solare. Tehnologiile solare pot fi, in general, pasive sau active in functie de

modul in care energia solara este captata, convertita si distribuita. Tehnicile solar active includ

utilizarea panourilor fotovoltaice si a colectoarelor termice pentru captarea energiei. Tehnicile

solare pasive includ orientarea unei cladiri spre soare, selectarea materialelor cu o masa termica

favorabila sau cu proprietati de dispersie a luminii, precum si proiectarea spatiilor in asa fel

incat aerul sa circule in mod natural.

Fig. 5 Schema interactiunii dintre energia solara si atmosfera

Aplicatii tehnice ale energiei solare

Cu ajutorul tehnologiilor se poate beneficia de energia solara in mai multe moduri:

Celulele solare care produc direct curent electric (fotovoltaic) ; Panourile solare care genereaza caldura (solar termic); Centralele solar-termice care produc electricitate prin utilizarea caldurii si aburului; Sobele solare sau cuptoarele solare sunt utilizate la incalzirea hranei sau la sterilizarea produselor medicale.

Si deoarece subiectul acestei clasificari este energia solara, putem adauga si centralele eoliane

si hidro.

Din interactiunea dintre energia solara, atmosferasi oceane, rezulta vantul si aproximativ 30 %

din energia solara captata de atmosfera este consumata de ciclul hidrologic care determina

aparitia precipitatiilor si de potentialul energetic al raurilor din zonele montane.

Cercetarea, insa, presupune o analiza a panourilor fotovoltaice. Panourile fotovoltaice

realizeaza conversia directa a luminii in energie electrica la nivel atomic. Unele materiale au

proprietatea de a absorbi fotoni de lumina si a elibera electroni. Acest efect poarta numele de

efect fotoelectric. Atunci cand acesti electroni sunt captati rezulta un curent electric care poate

fi utilizat ca electricitate.

Fig. 6 Principiul de functionare al unei celule fotovoltaice (celula solara)

Celulele solare sunt realizate din materiale semiconductoare, cum ar fi siliciul, utilizate in

industria microelectronicii. Pentru celulele solare, un strat subtire semiconductor este tratat

special pentru a forma un camp electric, pozitiv pe o parte si negativ pe cealalta. Atunci cand

energia luminoasa ajunge la celula solara, electronii se elibereaza din atomi in materialul

semiconductor. Daca se ataseaza conductori electrici pe partile pozitive si negative, formand un

circuit electric, electronii pot fi captati sub forma de curent electric - adica, energie electrica.

Un numar de celule solare conectate electric unele cu altele si montate pe un suport sau un

cadru formeaza un modul fotovoltaic. Modulele sunt proiectate sa furnizeze energie electrica la

o anumita tensiune. Curentul produs depinde direct de modul in care lumina ajunge la modul.

Se poate conecta un numar mare de module pentru a forma o retea. In general, cu cat este mai

mare suprafata unui modul sau a unei retele, cu atat va produce mai multa electricitate.

Modulele fotovoltaice si retelele produc energie electrica in curent continuu (cc). Ele pot fi

conectate atat in serie, cat si paralel, pentru a produce tensiunea/curentul care sunt necesare.

Panourile solare se pot conecta si ele la randul lor in serie - paralel formand sisteme de puteri

mai mari.

Un sistem solar ce va fi contectat la un singur charger trebuie sa aiba panouri solare de acelasi

tip, acelasi producator, aceasi orientare si inclinare si sa nu fie umbrit partial. Daca acest lucru

nu este posibil, se folosesc mai multe chargere.

Eficienta de conversie a energiei

Eficienta de conversie a energiei in cazul unui modul solar este raportul dintre puterea electrica

maxim produsa si puterea luminii utilizate in conditii de testare "standard". Radiatia solara

"standard" are o densitate de putere de 1000 W/ . Eficienta tipica a unui modul pentru celulele solare multicristaline cu ecran imprimat disponibile pe piata este de aproximativ 12%.

Astfel, un panou solar obisnuit de 1 aflat in bataia directa a razelor soarelui va produce aproximativ 120 W putere la varf.

Orientarea panourilor fotovoltaice

Panourile fotovoltaice se impart in doua mari categorii: panouri fixe si panouri mobile.

In Romania, tara aflata in emisfera nordica, este recomandat ca panourile fixe sa fie orientate

catre sud. Daca orientarea perfect sudica nu este posibila, o orientare intre sud-est si sud-vest

de asemenea ofera randament ridicat. Inclinatia cea mai buna este intre 35-45 grade fata de

orizontala.

In vederea maximizarii cantitatii de radiatie solara captata de sistemele de conversie, se

utilizeaza cu precadere sisteme de orientare. In functie de numarul axelor de miscare, sistemele

de orientare se impart in doua mari categorii: sisteme monoaxiale si sisteme biaxiale. Desi

aspectul economic al realizarii si implementarii sistemelor biaxiale reprezinta un dezavantaj,

castigul energetic este considerabil, in raport cu castigul energetic al sistemelor monoaxiale.

Ca o curiozitate in domeniu, voi aminti de sistemele de concentrare fotovoltaica. Energia

solara concentrata este data de sistemele care utilizeaza lentile sau oglinzi pentru a

concentra lumina soarelui pe o suprafata mare , sau energia termica solara pe o suprafata

mica. Energia electrica se produce atunci cand lumina concentrata este transformata in

caldura care pune in miscare un motor cu abur (de obicei o turbina cu abur) conectat la un

generator de energie electrica.

Sistemele fotovoltaice cu concentrare utilizeaza lumina solara concentrata pe suprafetele

fotovoltaice pentru a produce energie electrica. Se pot utiliza concentratoare solare de toate

felurile care sunt adesea montate pe un dispozitiv de urmarire solar pentru a mentine punctul

focal pe cel ula pe masura ce soarele avanseaza pe bolta cerului.

Concentratoarele solare luminiscente (atunci cand sunt combinate cu o celula fotovoltaica

solara) pot fi considerate si ca un sistem cu concentrare fotovoltaic . Concentratoarele solare

luminiscente sunt utile deoarece pot imbunatati performanta panourilor solare fotovoltaice in

mod semnificativ. Proprietatile semiconductoarelor permit celulelor solare sa functioneze mai

eficient cu lumina concentrata, atata timp cat temperatura de jonctiune a celulelor este

mentinuta scazuta de chiuvetele de caldura potrivite. Sistemele functioneaza cel mai

eficient cand vremea este insorita intrucat norii si cerul innorat creeaza o lumina difuza care

nu se poate concentra.

Eficienta unor astfel de instalatii ajunge la valori apropiate de 50%.

Inmagazinarea energiei electrice

Energia solara nu e accesibila noaptea, astfel inmagazinarea energiei este o chestiune

importanta. Puterea vantului si cea a soarelui sunt surse de energie intermitente, ceea ce

inseamna ca trebuie folosite atunci cand sunt accesibile si eventual stocate pentru o folosire

ulterioara sau transportate in locuri unde pot fi folosite. Puterea vantului si a soarelui sunt

oarecum complementare, cu tendinta de mai mult vant iarna si mai mult soare vara, dar in ziele

fara vant si fara soare necesarul de energie trebuie obtinut intr-un fel sau altul.

Atat sistemele fotovoltaice cat si cele eolienele "off-grid" (neconectate la reteaua electrica) au

baterii reincarcabile traditionale pentru stocarea electricitatii in exces. Sistemele conectate la

retea se pot fi divizate in sisteme pentru care reteaua publica joaca rolul de susrsa auxiliara de

energie (grid back-up), cele in care excesul de energie produsa este furnizata in retea si

centralele care furnizeaza toata energia produsa in retea.

Sistemele de panouri fotovoltaice, atat cele off-grid cat si cele conectate la retea presupun

existenta unui invertor. Doar in cazul in care unicul scop al panourilor este iluminatul,

invertorul poate lipsi. In cazul sistemelor on-grid lipsesc bateriile.

Invertoarele OFF-GRID difera de cele ON-GRID si permit mai multe functii managementul alimentarii cu energie al consumatorilor si al panourilor fotovoltaice, folosirea surselor

alternative generatoare pe combustibil, sisteme de cogenerare etc.

Invertoarele off-grid sau de baterii sunt de unidirectionale si asigura conversia energiei de

curent continuu de la bornele acumulatorilor in energie de curent alternativ pentru alimentarea

consumatorilor.

Invertoarele de baterii bidirectionale sunt utilizate in sistemele fotovoltaice de tip magistrala de

curent alternativ si asigura, pe linga conversia energiei de curent continuu stocata in

acumulatori in energie de curent alternativ, si controlul tensiunii si al curentului de incarcare al

bateriilor. Ele sunt recomandate pentru sistemele monofazate si trifazate cu puteri mai mari de

2 kilowati.

Exista trei categorii mari de invertoare off-grid : invertoarele de baterii clasice, invertoare de

baterii cu incarcator incorporat si invertoare de baterii cu sincronizare la reteaua electrica. Cele

mai simple sunt invertoarele clasice care sunt destinate alimentarii unor consumatori de curent

alternativ de la o baterie de acumulatori si in functie forma tensiunii si curentului de iesire pot

fi cu unda pura sau cu unda modificata. Odata cu dezvoltarea sectorului energiei alternative au

aparut invertoarele de baterii cu incarcator incorporat avind o eficienta imbunatatita si functii

noi precum incarcarea bateriei de acumulatori, pornirea automata a unui generator, functie de

bypass, etc. Cele mai performate invertoare de baterii sunt prevazute cu algoritm de

sincronizare cu reteaua electrica si pot fi utilizate atit pentru a genera energie in retea cit si

pentru a functiona ca sisteme de alimentare independente.

Invertoarele on-grid. Conversia energiei electrice de curent continuu nestabilizata generata de

panourile fotovoltaice in energie electrica de curent alternativ, se realizeaza cu echipamente

electronice speciale numite invertoare de retea. Energie obtinuta la iesirea lor este injectata

integral in sistemul energetic national sau in magistrala de curent alternativ a sistemelor

fotovoltaice independente. In functie de puterea de intrare si iesire, plaja tensiunii si curentului

de intrare, numarul de faze ale retelei electrice, existenta separari galvanice intre intrarea de

current continuu si iesirea de curent alternativ.

Cele mai performante invertoare sunt invertoarele on grid sau de retea. Au eficienta de pina la

98%, sunt construite fara transformatoare si sunt prevazute cu algoritm de determinare si

urmarire a punctului de putere maxima. Invertoarele de retea se sincronizeaza la frecventa

retelei si nu functioneaza decit daca sunt conectate la un sistem de tip SEN (sistem energetic

national). In cazul intreruperii legaturii la SEN, invertoarele de retea se opresc automat pentru a

preveni defazajele care pot aparea intre frecventa lor si a retelei la refacerea legaturii cu

aceasta.

Pentru o conceptie mai buna asupra lucrurilor am atasat, mai jos o schema electrica a unui

sistem fotovoltaic off-grid (fig. 7).

Fig. 7 Schema electrica a unui sistem fotovoltaic off-grid

Desi schema pare complicata, ea poate fi impartita in cateva zone.

Zona de producere a curentului continuu. Aceasta este alcatuita din grupul de

panouri fotovoltaice (1) si regulatorul de incarcare (2). Grupul de panouri este alcatuit

din 5 perechi, fiecare cu o tensiune de 12V si puterea nominala de 90W. Fiecare

pereche produce 24V care este tensiunea nominala a sistemului. Puterea de 90W se

obtine numai in conditiile de iluminare maxima cand razele soarelui cad perpendicular

pe suprafata panoului. Deci, grupul de panouri poate produce 900W intr-o ora cu

iluminare corespunzatoare. In timpul verii insa productia de energie depaseste

capacitatea de inmagazinare a bateriilor. Pentru ca acestea sa nu se deterioreze prin

supraincarcare, este nevoie de un dispozitiv care sa reduca curentul de incarcare. Aici

intervine regulatorul de incarcare (2). Acesta stabileste care e curentul optim de

incarcare si opreste incarcarea in momentul in care bateriile sunt complet incarcate.

Zona de stocare a energiei electrice. Aceasta zona este alcatuita din grupul de baterii

(3) si sistemul de protectie (TD1). Grupul de baterii este alcatuit din 3 perechi de baterii

cu gel (baterii cu regimuri de incarcare-descarcare foarte lente). Fiecare baterie este de

12V cu o capacitate de 200Ah. Bateriile sunt inseriate cate 2 pentru a realiza tensiunea

nominala a sistemului de 24V. Cele trei perechi in paralel pot inmagazina 600Ah. De

aceea a fost introdus grupul de protectie (TD1) compus din trei sigurante cu mare putere

de rupere de 160A. Bateriile sunt garantate la 15 ani de functionare la descarcare de

pana la 90%. Daca bateriile sunt descarcate complet de fiecare data durata de viata

poate scadea si la 1 an. O data pe luna este recomandat sa fie incarcate pana la 100%.

Zona de producere a curentului alternativ. Consumatorii obisnuiti din Europa sunt

alimentati cu un curent alternativ la o tensiune intre 220V- 240V 50 Hz in functie de cat

de departe sunt de transformatorul de joasa tensiune ce alimenteaza imobilul respectiv.

De aceea sunt dimensionati pentru o tensiune de 230V la o frecventa de 50Hz. Pentru

aceasta se foloseste invertorul (4) de 3000VA la 24Vcc care produce o tensiune de

230V la 50Hz sinusoida pura (acest tip de invertor desi mai scump favorizeaza

randamente maxime pentru consumatori, foarte util in perioadele mai sarace in energie

fotovoltaica).

Zona auxiliara de energie. Pentru situatiile in care soarele lipseste mai mult timp

sistemul este prevazut cu un modul (TD3) prin care poate prelua energie din surse

externe cum ar fi un generator standard (6) sau orice alta sursa de curent de 220V 50

Hz. (7). Aceasta energie poate fi folosita pentru a incarca bateriile prin intermediul

incarcatorului cu doua trepte (5). In cazul in care comutatorul (10) este deschis

sistemul incarca cu max 30A (24V) respectiv ~800W (220V) daca acest comutator este

inchis sistemul incarca cu max 60A (24V) respectiv ~1600W (220V). Functionarea in

doua faze este utila in cazul in care energia este luata de la un generator pentru a nu

cupla sarcina maxima. Totodata este util pentru cazul in care sursa auxiliara nu permite

preluarea mai unei puteri mai mari de 2KVA. Incarcatorul are rolul si de regulator de

incarcare. Acesta regleaza curentul pe toata perioada incarcarii. Curentul este mai mare

la inceputul incarcarii si scade spre 0 in momentul in care bateriile sunt incarcate.

Sistemul poate fi cuplat si direct la sursa auxiliara de energie prin intermediul

stabilizatorului de tensiune (9) de 220V si 3000VA si a comutatorului (11) din tabloul

(TD4).

4. Bateriile de acumulatori

Sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride independente necesita dispozitive speciale pentru

stocarea energiei pentru a fi utilizata atunci cind generatorul nu produce sau produce sub

nivelul consumului. Cele mai la indemina dispozitive de stocare a energiei sunt bateriile de

acumulatori, care au rolul de a inmagazina energia electrica produsa atunci cind sursa de

energie a generatorului (iradianta solara, viteza vintul) este disponibila si de a o reda pentru a fi

utilizata pe timpul noptii sau atunci cand viteza vintului este sub limita de functionare a

turbinelor eoliene. Bateriile de acumulatori pentru sisteme fotovoltaice, eoliene sau hibride sunt

de constructie speciala, fara intretinere si suporta un numar mare de cicluri de incarcare-

descarcare.

Cele mai utilizate tipuri de baterii de acumulatori in sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride

independente sunt bateriile plumb-acid. Mai nou au fost dezvoltate baterii cu Li-Ion si nichel -

cadmiu (Ni-Cd) pentru capacitati mari, dar preturile lor sunt deocamdata destul de mari si

algoritmii controlerelor de incarcare ai invertoarelor de baterii nu sunt verificati suficient.

Bateriile plumb-acid continua sa reprezinte principala optiune pentru stocarea energie, avind

avantajul pretului si al disponibilitatii pe linga faptul ca pot elibera o cantitate foarte mare de

energie intr-un interval foarte scurt de timp putind suporta curenti foarte mari. Bateriile plumb-

acid utilizate in sistemele fotovoltaice, eoliene sau hibride sunt incapsulate si nu necesita

completare cu apa si intretinere, supapa regulatoare (VLRA) realizind recombinarea oxigenului

si a hidrogenului rezultati in urma reactiilor chimice de la nivelul anodului si catodului.

Temperatura optima de functionare a unei bateri de acumulatori acid-plumb este 20C - 5C si influenteaza direct durata de viata a bateriei. In cazul in care bateriile de acumulatori

functioneaza la temperaturi superioare acestui domeniu, durata de serviciu se reduce drastic, iar

la temperaturi inferioare se reduce capacitatea. In afara intervalului optim de temperatura este

necesara de asemenea, compensarea tensiunii de incarcare cu temperatura. Curentul de

incarcare al unei baterii de acumulatori trebuie sa se incadreze in domeniul 10% pina la20% din

capacitatea ei nominala.

Bateriile plumb-acid au electrolitul din acid sulfuric diluat cu apa in stare lichida in bateriile

clasice (electrolit lichid), retinut prin efectul capilar in separatoare din fibra de sticla sau silicat

de bor (baterii AGM) sau retinut in Gel (baterii cu Gel).

Bateriile cu gel au electrolitul sub forma unei mase viscoase si imobile avind acidul sulfuric

retinut in gel. Pot fi instalate in orice pozitie, au rezistenta mare la temperaturi scazute, socuri si

vibratii, dar necesita tensiuni de incarcare mai mici decit in cazul bateriilor din clasa lichid si de

asemenea nu necesita incarcare de egalizare.

Aceasta parte a proiectului de cercetare ramane in stadiul actual deoarece depinde de solutia

aleasa inainte de a se ajunge aici.

5. Concluzii si dezvoltari ulterioare

Toate acestea sunt generalitati. Pentru a putea continua este nevoie sa clarificam scopul

proiectului propus. Astfel energia recuperata de la benzile de alergare va fi folosita pentru

alimentarea consumatorilor proprii sau pentru a fi debitata in sistemul electroenergetic national.

Cea de a doua varianta intampina cateva dificultati, dintre care cea mai importanta este

inexistenta unui cadru legislativ pentru o astfel de energie. Pentru a obtine un certificat de

debitare de energie regenerabila in sistem si aprobare trebuie pus la punct un proiect detaliat

care sa convinga autoritatile de valoarea si siguranta acestui tip de energie.

Din punct de vedere constructiv aceasta solutie este foarte asemanatoare cu utilizarea

centralelor eoliene, insa necesita un studiu de caz amanuntit din care sa rezulte un numar mediu

benzi in functionare si deasemenea ore de functionare. Un avantaj ar fi faptul ca cea mai mare

parte din energia produsa are loc la orele de consum de varf (in principal seara).

Dezavantajele sunt urmatoarele:

a)este accesibila numai in conditiile unui numar mare de biciclete stationare, intr-o sala de

fitness foarte frecventata;

b)intermitenta, adica are caracter aleatoriu;

c)fluctuanta, producerea de energie electrica se poate schimba in cateva secunde;

d)imprevizibila, nu se poate prevedea nici macar pe termene foarte scurte.

Se observa ca dezavantajele sunt aceleasi ca si la centralele eoliene, cu specificatia ca par putin

mai aspre. Avand in vedere aceste dezavantaje este clar ca o utilizare efifienta a acestei energie

este off-grid. Dar electronica de putere evoluand foarte mult in ultimul timp, se poate folosi si

on-grid.

Intrebarea ramane: folosirea generatorului de curent continuu sau de curent alternativ?

Dimensiunile de gabarit nu reprezinta un factor de excluziune a niciuneia dintre solutii

deoarece ambele tipuri de generatoare se gasesc in comert intr-o forma compacta.

Folosirea servomotoarelor de curent continuu fara perii par o solutie avantajoasa. Aceste

motoare se gasesc in componente electronice de inalta calitate (CD-ROM, computere,

imprimante) si sunt o adevarata opera de arta din punct de vedere al preciziei cu care sunt

realizate. Unele folosesc magneti deosebiti de puternici ( Nd-Fe-B dar destul de rar). Turatia

este controlata de un sistem electronic de obicei extern motorului. Avantajul il reprezinta

acceptarea unei plaje mari de viteze de la foarte mici la foarte mari. Servomotoarele de curent

continuu au caracteristici mecanice si de reglaj practic liniare, cuplu de supraincarcare mare,

greutate specifica mica, moment de inertie redus etc. Dezavantajele sunt legate de colector,

fenomene de comutatie, uzura si scanteiere.

Exemplu: motorul de curent continuu fara perii, cu magneti permanenti, flux axial, fara

crestaturi, fara miez. Acest tip de motor nu are fier in stator si singurele pierderi care apar sunt

pierderile prin conductie in conductorul de cupru al infasurarilor.

Avantaje

Pierderi in fier nule

Randament ridicat

Cupluri parazite de agatare nule

Stabilitate ridicata ca servo-motor

Functionare silentioasa la turatii reduse

Zgomot scazut

Volum redus

Numar de componente redus

Caldura degajata redusa

Intretinere usoara

Cuplu proportional cu valoarea curentului

Pulsatii reduse ale cuplului

Curentul maxim de aproximativ 10 ori mai mare decat curentul nominal

Inductivitate redusa

Specificatii tehnice

Rezistenta: 0,144 Inductivitate: 0,128 H Numar de poli magnetici: 24

Tensiunea electromotoare: 70 V/krpm

Greutatea totala: 40 kg

Clasa de izolatie: F

Momentul de inertie: 148 kgcm2

Generator

o Puterea nominala: 1400 W

o Turatia nominala: 370 rpm

o Curentul nominal: 38 A

Solutia optima pentru a produce curent alternativ cred ca este generatorul cu magneti

permanenti, constructie proprie. Servomotoarele sincrone se construiesc intr-o gama foarte

larga de puteri, de la zecimi de watt pana la zeci de kilowatti si intr-o plaja larga de turatie, de

la 1 [rot/luna] pana la 300.000 [rot/min] .

Aceste servomotoare prezinta cateva avantaje fata de motoarele sincrone clasice, cum ar fi:

- absenta contactelor alunecatoare (perii - inele), ceea ce mareste viteza de functionare, reduce

frecarea, nivelul de zgomot si uzura,

imbunatatind fiabilitatea;

- intretinere usoara si posibilitatea functionarii in medii explozive.

In cazul proiectului propus, trebuie luat in calcul faptul ca exista doua tipuri de benzi de

alergat: magnetice si electrice.

Banda de alergat magnetica nu dispune de un motor care sa puna in miscare suprafata de

alergare. Practic, suprafata de alergare va fi impinsa de propriile picioare, iar partea magnetica

din interiorul ei va opune rezistenta, asa incat se depune un efort considerabil pentru

functionarea benzii. Alergarea pe o banda magnetica este similara cu alergatul pe o suprafata

plana (teren de sport, parc, etc) pentru ca viteza de alergare este stabilita de miscarea propriilor

picioare daca se alearga mai tare, banda se misca mai repede, iar daca ritmul este incetinit,

banda se misca mai incet.

Banda de alergat electrica este actionata de un motor. Se seteaza viteza dorita (ale carei limite

depind de la un producator la altul) si se alearga pentru a se pastra ritmul. La o scurta navigare

pe internet am observat ca puterea motorului bicicletelor electrice variaza intre 1,5 CP (1119W)

si 4 CP (2984 W). Stim ca nu se poate produce mai mult decat se consuma, deci avem si o idee

despre limita superioara a valorii energiei produse.

Nu trebuie uitat faptul ca pentru ca proiectul de fata sa functioneze trebuie ca producatorul sa

alungeasca in lateral arborele din spate al benzii (conform figurii de mai jos fig.8) astfel incat

sa permita cuplarea la un multiplicator de viteza sau direct la generator.

Deasemenea pentru producator de benzi de alergare electrice, inseamana un produs cu totul nou

prin faptul ca apare o rezistenta in plus (rezistenta mecanica), deci calculul programelor trebuie

refacut in totalitate.

Fig.8 Banda de alergare arbore de cuplaj la generatorul electric

Vorbind la un nivel de idei, ramanem deocamdata la banda de alergare electrica. Aceasta are un

mare avantaj prin posibilitatea setarii vitezei de alergare. Ceea ce ne impune limite in alegerea

generatorului de folosit.

Implementarea acestui sistem pe o banda de alergare magnetica va crea un nou tip de energie

regenerabila. Pentru aceasta este nevoie cu siguranta de un multiplicator de viteza, iar energia

produsa va reprezenta un profit direct.

O sala de fitness care va combina acest tip de instalatie cu altele precum pardoseli pentru

obtinerea energiei piezoelectrice si cu o efiecientizare a consumului de energie electrica,

reprezinta un pas in fata pe drumul autonomiei energetice.