CAPITOLUL 2. Modelarea surselor pentru producerea distribuita a energiei electrice

2.1. Generator eolianGeneralitati

Rezervele anuale potenţiale ale energiei eoliene la nivelul globului sunt estimate la 2.6x1014 kWh. Aceste rezerve depăşesc de multe ori consumul mondial anual de energie electrică, dar ele nu pot fi exploatate decât în proporţie redusă din cauza a numeroase constrângeri, determinate de caracteristicile sursei primare de energie: concentrarea relativ mică a energiei (puterea dezvoltată variază proporţional cu cubul vitezei) şi impredictibilitatea acesteia.

Comparativ cu potenţialul energetic solar, cel eolian este mai favorabil, deoarece vânturile bat şi noapte

Generatoare eoliene. Limite de putere.Puterea curentului de aer se obţine cu relaţia:

. (1)

unde q=Sv este debitul masic de aer prin suprafaţa captatorului.Dacă S=1 m2 , ştiind că =1.226 kg/m3, rezultă o relaţie de calcul rapid a puterii:

[kW m-2]. (2)

Turbina cu ax orizontalSe consideră un tub de curent de aer având secţiunea egală cu suprafaţa descrisă de

captatorul eolian de rotaţie (Figura 2.1). În amonte de captator, viteza vântului este v1, iar în aval de acesta devine v2, în dreptul captatorului viteza fiind v.

a) b)

Figura 2.1. Captatorul cu ax orizontal în tubul de curent

Rezultă, pentru condiţia de maxim, ca puterea preluată este

. (3)

Aşadar, puterea maximă preluată poate fi 0,592 din puterea curentului de aer şi se obţine când viteza vântului la ieşirea din turbina eoliană are o valoare de o treime din valoarea iniţială. Această valoare este cunoscută sub numele de limita lui Betz.

2. 1

Turbina cu ax vertical (Figura 2.2)

Figura 2.2. Captatorul cu ax vertical în tubul de curent

. (4)

În general putem exprima puterea preluată de un captator eolian prin relaţia:, (5)

unde Pv este puterea curentului de aer care traversează suprafaţa captatorului, iar cp este coeficientul de putere al acestuia, care depinde de construcţia rotorului şi de regimul de turaţie al acestuia, exprimat prin parametrul

(6)

numit rapiditate. În expresia anterioară u este viteza liniară la periferia rotorului, iar v este viteza vântului. Funcţia cp() prezintă o variaţie neliniară incluzând un maxim, căruia îi corespunde puterea maximă preluată de captator. În figura 2.3 se prezintă o astfel de caracteristică de putere determinată experimental.

Figura 2.3. Caracteristica de putere a unui agregat eolian.

Deoarece puterea dezvoltată de o turbina eoliana nu este constantă, variază proporţional cu puterea a treia a vitezei vântului, puterea nominală a agregatului se consideră egală cu puterea generatorului electric sau a maşinii de lucru antrenate. Pentru a nu se depăşi această putere captatoarele eoliene se prevăd cu sisteme de reglare automată a puterii (prin modificarea unghiului de atac al palelor, a suprafeţei lor etc.), iar la viteze ale vântului care depăşesc viteza maximă admisibilă, funcţionarea va fi întreruptă (prin aşezarea palelor paralel cu direcţia vântului, împiedicarea accesului vântului etc.) pentru a evita distrugerea rotorului. În figura 2.4 este

2. 2

prezentat modul de variaţie a puterii furnizate de o instalaţie eoliană în funcţie de viteza vântului.

Figura 2.4. Variaţia puterii dezvoltate cu viteza.

Tipuri constructive de turbine eoliene1. Captatoare (turbine) cu ax orizontal - Această categorie cuprinde captatoarele cele

mai performante din punct de vedere al coeficientului de putere şi a posibilităţilor de reglare a puterii. În figura 2.5 se prezintă cea mai cunoscută variantă constructivă.

Figura 2.5. Turbină eoliană cu ax orizontal.

Rotorul acestei turbine este echipat cu două, trei sau mai multe pale, asemănătoare cu cele ale unei elice de avion atât în privinţa profilului cât şi a posibilităţilor de rotire în jurul axului propriu (de modificare a unghiului de atac). Cele cu două sau trei pale mai poartă denumirea de moară olandeză, iar cele cu un număr foarte mare de pale poartă denumirea de moară americană. Se poate observa sistemul de orientare după direcţia vântului sub forma unei aripi sau coadă de orientare. Această soluţie constructivă se adoptă şi la puteri mici, dar şi la cele mai mari puteri (diametre peste 100 m).

Există şi construcţii cu ax orizontal, perpendicular pe direcţia vântului (de tip baraj eolian sau cu mişcare oscilantă), dar mai puţin folosite.

2. Captatoare eoliene cu ax vertical - Acestea au cele mai multe variante constructive. Ele, de regulă, nu au nevoie de sistem de orientare după direcţia vântului:

A. Captatoarele eoliene cu rezistenţă simplă (figura 2.6) - la aceste turbine eoliene, forţa motoare se obţine ca efect al acţiunii vântului pe palele (verticale) care se deplasează în direcţia acestuia. Mişcarea rotorului este posibilă numai dacă o jumătate de circumferinţă este ecranată (varianta a) sau dacă palele sunt articulate în aşa fel încât preiau impuls mecanic numai acelea care se deplasează în direcţia vântului (varianta b).

a) b)Figura 2.6. Turbine eoliene cu ax vertical şi rezistenţă simplă:

a) cu rotor ecranat; b) cu pale batante.

2. 3

Aceste variante s-au realizat practic numai pentru puteri mici. Există un mare număr de brevete cu cele mai diverse şi originale sisteme de anulare a forţei pe o jumătate din rotor.

B. Captatoare eoliene cu diferenţă de rezistenţă - la aceste captatoare forţa motoare se obţine ca diferenţa dintre forţele de rezistenţă exercitate pe palele care se deplasează în sensul vântului (concave) şi palele care se deplasează în sens contrar (convexe), soluţia constructivă fiind prezentată în figura 2.7 a. O variantă interesantă este rotorul Savonius (Figura 2.7 b si c), formată din doi semicilindrii cu axele paralele şi decalate astfel încât să permită intrarea curentului de aer între aceştia. În acest caz, forţa motoare apare atât datorită diferenţei de rezistenţă cât şi datorită impulsului creat prin schimbarea direcţiei curentului de aer în interiorul rotorului. Prin urmare acest tip de turbină necesită pentru demaraj cele mai scăzute viteze ale vântului (3…5 m/s). Această soluţie prezintă şi o posibilitate simplă de reglare a puterii preluate de la curentul de aer prin modificarea distanţei dintre cei doi semicilindrii şi deci a deschiderii rotorului. La depăşirea vitezei admisibile a vântului prin apropierea până la suprapunere a axelor semicilindrilor puterea preluată devine nulă şi turbina nu se mai roteşte.

a) b) c)

Figura 2.7. Turbine eoliene cu ax vertical şi diferenţă de rezistenţă.a) tip morişcă; b) cu rotor Savonius; c) cu rotor Savonius – vedere de sus.

O variantă interesantă este turbina eoliană Darrieus (Figura 2.8), inventată în 1925 şi restudiată după 1970. Aceasta are palele flexibile şi de tip panglică. Acestea în zona activă au un profil asemănător aripii de avion. Fiecare pală (2-3 pale) este îndoită, având forma simetrică pe care o ia o funie atunci când se roteşte în jurul unei axe verticale.

Figura 2.8. Turbina eoliană Darrieus.

2. 4

Palele sunt supuse la întindere în timpul funcţionării. De asemenea această turbină nu necesită un mecanism special de protecţie împotriva vânturilor prea tari, . Un dezavantaj al acestei turbine este că nu porneşte singură. Fie se utilizează, pentru pornire, generatorul electric în regim de motor, fie se montează cu un mic rotor Savonius pe acelaşi ax. Captatoarele eoliene cu ax vertical sunt mai avantajoase decât cele cu ax orizontal, atât prin faptul că sunt omnidirecţionale, nu au nevoie de dispozitive de orientare după direcţia vântului, cât şi datorită faptului că energia mecanică este accesibilă la sol, nu e nevoie de nacelă pentru montarea generatorului.

Instalaţia electrică a centralelor electrice eoliene Principalele domenii de utilizare a energiei mecanice obţinute la axul turbinei eoliene

sunt: pomparea apei, comprimarea aerului, producerea de căldură dar cel mai important domeniu este producerea de energie electrică. Energia electrică produsă pe cale eoliană are câteva caracteristici specifice care afectează utilizarea ei şi integrarea generatoarelor electrice eoliene în sistemele electroenergetice:

a) este accesibilă în multe ţări dar concentrată în arii specifice;b) intermitentă, adică are caracter aleatoriu;c) fluctuantă, adică chiar când avem vânt producerea de energie electrică

se poate schimba în câteva secunde;d) difuză, adică în zonele favorabile, turbinele se amplasează pe suprafeţe

întinse (km2);e) imprevizibilă, nu se poate prevedea decât pe termene foarte scurte.

1. Producerea de energie electrică la tensiune continuaSe utilizează în prezent în instalaţiile de putere mică şi utilizează fie generatoare de c.c.

sau alternatoare asociate cu un redresor. Ultima soluţie este mai avantajoasă, alternatorul având un gabarit mult mai mic. Energia obţinută poate fi stocată în acumulatoare şi apoi distribuită la tensiune constantă. În figura 2.9 se prezintă schema bloc a unei astfel de instalaţii eoliene (la puterea ei mică este impropriu să-i spunem centrală).Turbinele eoliene folosite sunt de regulă cu ax vertical.

Figura 2.9. Schema bloc a unei instalaţii eoliene de putere mică

2. 5

2. Producerea de energie electrica la tensiune alternativa cu generatoare sincroneÎn acest caz, generatorul sincron poate funcţiona fie la turaţie variabilă, fie la turaţie

constantă. Varianta cu turaţie variabilă se utilizează în reţele izolate. Această energie nu îndeplineşte indicatorii esenţiali de calitate pentru retelele de distributie la tensiune alternativa şi nu poate fi utilizată decât la anumite aplicaţii: încălzire electrică şi iluminat. Varianta cu turaţie constantă implică existenţa unor mijloace de reglare sofisticate a turaţiei prin reglarea înclinării palelor turbinei şi nu se justifică decât la puteri mari. Aceste generatoare eoliene pot ficonectate la sistemul electroenergetic. Un sistem foarte des utilizat este prezentat în figura 2.10.

Figura 2.10. Posibilitatea de funcţionare a unui generator eolian cu turaţie variabilă şi conectat la sistemul electroenergetic.

Acesta permite utilizarea generatorului sincron la turaţie variabilă (la diferite viteze ale vântului), sau chiar utilizarea unui generator sincron inelar cu un foarte mare număr de perechi de poli, frecvenţă mărită, deoarece tensiunea generată este oricum redresată. Acest sistem se poate racorda la sistemul electroenergetic. Există şi generatoare sincrone funcţionând la turaţie variabilă şi racordate la reţeaua de frecvenţă industrială fără convertizor de frecvenţă, dar prevăzute cu un sistem complex de reglare cu orientare după câmp.

3. Producerea de energie electrica la tensiune alternativa cu generatoare asincroneÎn centralele electrice eoliene, generatorul asincron sau de inducţie este cel mai utilizat

datorită următoarelor avantaje:- este mai ieftin şi necesită întreţinere mult mai puţină în raport cu celelalte tipuri

de generatoare;- pornirea şi punerea în paralel cu sistemul electroenergetic nu necesită

dispozitive speciale;- funcţionare mai sigură la defecte în reţea (dispariţia tensiunii), repornirea este

însoţită doar de un curent mai mare de câteva ori decât cel nominal.Dezavantajele lui ar fi curentul mai mare la pornire şi consumul de energie reactivă din

reţea. Ele se prevăd cu baterii de condensatoare pentru producerea energiei reactive, pentru a putea fi folosite şi izolat, nelegate la sistemul electroenergetic.

Model matematic

Pentru simularea turbinei eoliene s-a utilizat modelul oferit de biblioteca PSCAD. Una dintre modalitatile de control al puterii active a generatorului eolian este de a controla coeficientul de putere cP, care poate fi calculat conform [4] cu β unghiul de atac:

2. 6

, (7)

Figura 2.11. Modelul schematic al unei centrale eoliene cu generator asincron [3].

Simulare

2. 7

Figura 2.11 prezenta modelul schematic al unei centrale eoliene cu generator asincron (PSCAD – [3]). Figura 2.12, a si b, prezinta rezultatele simularii in acest caz avand drept parametrii de intrare urmatoarele date:

viteza vantului v=15 m s-1; unghiul de atac β=14º; puterea ceruta P=1,44 MW; turbina eoliana tip MOD 2 [3].

Figura 2.13 prezenta modelul schematic al unei centrale eoliene cu generator sincron (PSCAD – [4]). Figura 2.14 a si b prezinta rezultatele simularii in acest caz avand drept parametrii de intrare urmatoarele date:

viteza vantului v=14 m s-1; unghiul de atac β=11,5º; puterea ceruta P=2 MW; turbina eoliana tip MOD 2 [3].

Figura 2.12. Rezultatele simularii in cazul unei eoliene cu generator asincron.(a)

2. 8

Figura 2.12 Rezultatele simularii in cazul unei eoliene cu generator asincron. (b)

2. 9

Figura 2.13. Modelul schematic al unei centrale eoliene cu generator sincron [3].

2. 10

Figura 2.14. a) Rezultatele simularii in cazul unei eoliene cu generator sincron.

Figura 2.14. b) Rezultatele simularii in cazul unei eoliene cu generator sincron.

2. 11

2. B. Bibliografie:

[1] Simoes, M; Farret, F. Integration of Alternative Sources of Energy. Wiley Press, January 2006.

[2] Gow, J.A.; Manning, C.D. “Development of a Photovoltaic Array Model for Use in Power-Electronics Simulation Studies.” Electric Power Applications, IEEE Proceedings, Vol.146, Issue 2, March 1999, pp. 193–200.

[3] PSCAD help file.[4] EDSA help file.[5] Perdana, A.; Carlson, O.; Persson, J. “Dynamic Response of Grid-Connected Wind Turbine

With Doubly Fed Induction Generator During Disturbances.” Available at http://www.elkraft.ntnu.no/norpie/10956873/Final%20Papers/054%20-%20Abram_DynamicResponseDFIG.PDF.

[6] Ye, Z.; Walling, R.; Garces, L.; Zhou, R.; Li, L.; Wang, T. Study and Development of Anti-Islanding Control for Grid-Connected Inverters. NREL/SR-560-36243. Work performed by the General Electric Global Research Center, Niskayuna, NY. Golden, CO: National Renewable Energy Laboratory, May 2004.

[7] Simoes, M.; Farret, F. Renewable Energy Systems: Design and Analysis with Induction Generators. CRC Press, May 2004.

[8] S.M. Amel, B. Agnew, I. Potts, Integrated distributed energy evaluation software (IDEAS), Ap-plied Thermal Engineering 27 (2007) 2161–2165.

[9] Simulation of a micro-turbine based CHP system, Renewable Energy 31 (2006) 2370–2384, Technical Note

[10]Hua, G.C. , Tabisz, W.A.; Leu, C.S.; Dai, N.; Watson, R.; Lee, F.C., Development of a DC dis-tributed power system, Conference Proceedings - IEEE Applied Power Electronics Confer-ence and Exposition - APEC, v 2, 1994, p 763-769

[11]J.D. Maclay, J. Brouwer, G.S. Samuelsen, Dynamic modeling of hybrid energy storage sys-tems coupled to photovoltaic generation in residential applications, Journal of Power Sources 163 (2007) 916–925

[12]Vădan I. Energetica generală şi conversia energiei, Mediamira, Cluj – Napoca 1998.

2. 12

[13]Darie, S., Vădan, I., Producerea, Transportul şi Distribuţia Energiei Electrice. Instalaţii pentru producerea energiei electrice, U.T. PRES, Cluj-Napoca, 2003.

[14]R. Tirnovan, A. Miraoui, R.Munteanu, I.Vadan, H. Balan, Identification of a Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) Using an Empirical/Mathematic Technique, Acta Electrotehnica, Academy of Technical Sciences of Romania, Volume 47, Number 4, 2006 pp.169-175. Selected paper from the 1st International Conference on Modern Power Systems MPS 2006, Cluj-Napoca, Romania. ISSN 1841 - 3323

[15]R. Tirnovan, S. Giurgea, A. Miraoui, M. Cirrincione, Surrogate model for proton exchange membrane fuel cell (PEMFC), Short communication, Journal of Power Sources 175 (2008) 773–778.

[16]R. Tirnovan, S. Giurgea, A. Miraoui and M. Cirrincione, Surrogate modelling of compressor characteristics for fuel-cell applications, Applied Energy, In Press, Corrected Proof, Available online 26 November 2007.

[17]R. Tirnovan, A. Miraoui, R. Munteanu, I. Vadan, H. Balan, Polymer electrolyte fuel cell system (PEFC), performance analysis, 2006 IEEE-TTTC International Conference on Automation, Quality and Testing, Robotics AQTR 2006, May 25-28, Cluj-Napoca, Romania, IEEE Catalog Number: 06EX1370, ISBN: 1-4244-0360-X, Library of Congress: 2006924077.

[18]R. Tirnovan, A. Miraoui, and S. Giurgea, Modeling and analysis of a high pressure operating fuel cell hydrogen/air system, International Conference on Clean Electrical Power ICCEP 2007. Renewable Energy Resources Impact. IEEE Catalog Number: 07EX1528 - ISBN: 1-4244-0631-5. Library of Congress: 2006932315 - @2007 IEEE, Capri (ITALY) May 21st-23rd, 2007, pg.433-438.

[19]B. Blunier, A. Miraoui, Piles à combustible, principe, modélisation et applications avec exer-cices et problèmes corrigés. Technosup. 2007, France.

[20]N. Brooks, T. Baldwin, T. Brinson, J. Ordonez, C. Luongo, Analysis of fuel cell based power systems using EMTDC electrical power simulator, 0-7803-828 1-1/04/$20.00 02004 IEEE

2. 13