COMPENSAREA ENERGIEI REACTIVE LA MOTOR/GENERATOR ASINCRON

În cazul microhidrocentralelor sau a centralelor eoliene motorul asincron este utilizat ca generator. El lucreaza ca motor (la pornire, sau cand viteza vantului este sub o anumita limita) si ca generator. Am numit acest mod de functionare "sistem de cogenerare", adica masina poate functiona in cele doua regimuri: de consumator si de generator. In regim de generator maşina asincronă transformară energia mecanica pe care o primeşte în rotor, de la apa sau vânt, în energie electrică.
Considerăm un motor asincron conectat la o reţea electrică trifazată şi printr-un procedeu oarecare (apă sau vânt) obligăm maşina să se rotească cu o viteză, n2¬ mai mare decât viteza de sincronism n1, (n2> n1). În acest caz alunecare s devine negativă. Asupra rotorului se exercită un cuplu M negativ (n1–n2)<0, iar unghiul (E2,I2) este mai mic de 90 grade.


M =[3E2I2cos(E2,I2)]/(n1–n2)<0, deoarece (n1–n2)<0

În acest regim, maşina asincronă absoarbe de la rotorul de antrenare o putere mecanică

PM = Mn2 = P2 + Pmec + PFe2

Cuplul fiind negativ rezultă şi puterea mecanică negativă, adică maşina absoarbe putere mecanică pe la arbore.
Puterea mecanică acoperă:
- pierderile mecanice de frecări Pmec,
- pierderile în fier din rotor PFe2
- pierderile electrice P2 din înfăşurările rotorului.
Puterea electrică P2 acoperă:
o pierderile în infăşurările rotorice prin căldură, PCu2
o puterea P care se trasmite statorului prin intermediul câmpului electromagnetic şi care o parte se pierde îm înfăşurările statorului, PCu1 iar o parte se transmite reţelei trifazate la care este conectată înfăşurarea statorică

P = 2U1I1 cos(FI)1 < 0, rezultă (FI)1 > (PI)/2

Prin urmare maşina asincronă absoarbe de la reţea o puterea reactivă necesară producerii câmpului magnetic învârtitor. Această putere furnizează curentul de magnetizare, care reprezintă (25…50)% din curentul nominal.
In figura de mai jos este reprezentat bilanţul energetic al generatorului asincron prin diagrama Sankey.



Fig. 1. Bilanţul energetic al maşinii asincrone funcţionând în regim de
generator aincron

Puterea reactivă poate fi furnizată maşinii asincrone de reteaua trifazată sau de o baterie de condensatoare aleasă corespunzător pentru a asigura autoexcitarea generatorului. Pe lângă aceste condensatoare necesare producerii energiei reactive pentru funcţionarea generatorulu asincron este necesar dimensionarea unei baterii de condensatoare automate care să compenseze energia reactivă inductivă.
Controlul energiei reactive în cazul microhidrocentralelor sau a centralelor eoliene care folosesc ca generator motorul asincron este foarte important atât pentru scăderea pierderilor de putere cât şi pentru menţinerea variaţiei căderilor de tensiune la valori foarte mici. Controlul puterii reactive poate fi realizat prin sisteme clasice Automati Power Factory Corrector (APFC) sau sistem moderne folosind electronică de putere, numite Flexible Alternating Current Transmision Systems (FACTS).
Puterea reactivă consumată sau produsă de generatorul asincron (folosit la microhidrocentrale sau la centralele eoliene) variază cu încărcarea acestuia. De exemplu pentru o centrală eoliană se pot evidenţia următoarele regimuri de funcţionare, determinate de viteza vântului:
- generator oprit, viteza vântului este mai mică decât viteza de pornire
- generator în sarcină parţială când viteza vântului este situată între
viteza de pornire şi viteza nominală
- generator în sarcină plină, când viteza vântului este cuprinsă între viteza nominală şi viteza vântului la care instalaţia este scoasă din funcţiune.
Schema cea mai simplă a generatorului asincron conectat la reţeaua trifazată este prezentată în figura de mai jos:


Fig. 2. Schema de forta monofilara a generatorului asincron conectat la o retea trifaztă
Legendă:
T – transformator
a – întreruptor general
e – siguranţe de protecţie
Kwh – contor energie electrică
TC – transformator de current
APFC – automatic power factor controllers
C – condensatoare pentru autoexcitatea generatorului
C1 – Contactor cuplare condensatoare C
I – Softstarter
C2 – Contactor pentru by-pass
GA – Generator asincron

Maşina porneşte în regim de motor iar la atingerea vitezei 2 trece în regim de generator. Condensatoarele C au rolul de a furniza puterea reactivă necesară autoexcitării. Ele sunt fixe şi sunt dimensionate pentru regimul nominal. Softstarterul I asigură pornirea uşoară a maşinii iar după pornire este by-passat de contactul C2.
Sensul de circulaţie a puterii reactive cât şi mărimea depind de sarcina maşinii cât şi de regimul de funcţionare (motor sau generator). Se poate spune că maşina asincronă funcţionează în regim de co-generare. Aşadar prin transformatorul, TC, fluxul circulă în ambele sensuri.
Pentru controlul circulaţiei puterii reactive, schema este prevăzută cu o baterie de condensatoare în trepte, complet automatizată de controlerul APFC şi contactoarele de energie reactivă, montată pe linia (barele) de distribuţie. Controlerul se conectează la transformatorul de curent (montat pe una din fazele reţelei trifazate) şi la celelalte două faze (pentru măsurarea tensiunilor).
În regim de co-generare controlerele trebuie să:
- funcţioneze în toate cele patru cadrane (sistemul consumă energie – cos (FI) pozitiv sau produce energie – cos (FI) negativ).
- poată fi setat pentru un anumit sens de circulaţie al curentului prin reductorul de curent (sens direct sau sens invers).





Pe lângă controlul circulaţiei puterii reactive trebuie acordată o atenţie deosebită controlului calităţii energiei electrice. Centralele eoliene sau microhidrocentralele pot sa funcţioneze ca:
- surse de generare distribuită (adică energia produsă este consumată local iar cea care este în plus poate fi transferată unei reţele electrice)
- surse de generare centralizată
Indiferent de sistemul de de generare, atunci când o sursă de energie produce, trebuie analizate unele aspecte tehnice cum ar fi:profilul tensiunii, circulaţia de putere reactivă şi posibilitatea de control a tensiunii, solicitările reţelei, pierderile de energie, emisia de armonici şi interarmonici, nesimetria, etc. Fiecare din aceste probleme tehnice constitue cerinţe referitoare la capabilitatea centralelor electrice (eoliene sau microhidrocentralelor) de a produce energie electrică. Aceste cerinţe diferă dela ţară la ţară şi sunt impuse prin normative şi directive.

TURNURI SOLARE DIN COŞURI DE FUM

1. Generalităţi

Pentru tot ce primim de la natură sub formă de materie primă, pentru tot ce transformăm după voinţa noastră în cadrul proceselor tehnologice, adică efectiv pentru tot, trebuie să plătim cu energie.
De la vechii greci ne-a rămas minunata legendă despre titanul Prometeu, care a răpit cerurilor focul şi l-a adus oamenilor. Cu această legendă ni s-a transmis, peste milenii, vestea unui mare eveniment din istoria omenirii: omul a folosit în scopul său o mare forţă a naturii, focul. Acesta a sporit puterea omului, dar până la inventarea substantelor explozive cu ardere rapidă şi a maşinii cu abur, posibilitatea efectuării de lucru mecanic a fost foarte limitată.
A urmat apoi cucerirea energiei apelor (folosită mult timp la roţile hidraulice) şi a energiei vânturilor (folosită la bărcile cu pânze,, mori de vânt, etc.), energiei aburului (maşini hidraulice), energiei electrice, energiei atomice, etc.
Nu există un hotar, exact între descoperirile din istoria omenirii. Si nici nu există o limită în evoluţia omenirii. Cu fiecare deceniu, cu fiecare an cresc nevoile de energie şi este neîndoelnic că vor fi găsite metode şi procedee de a obţine energie din surse încă nebănuite. Pe pământ ca şi în ceruri există încă focuri care îşi aşteaptă Prometeii.
Energia (într-o definiţie nu destul de riguroasă) reprezintă capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic. Practic noi creeăm rezervoare artificiale – acumulatoare de energie – pentru cele mai variate scopuri, prin trecerea energiei dintr-o formă în alta, dintr-un loc în altul. Se pune întrebarea firească: unde se află sursa primară de energie?
Oricât ne-am deplasa spre sursele primare de energie nu vom putea să aflăm izvoarele. A spune că energia vine pe Pământ de la Soare, nu reprezintă un răspuns la esenţa întrebării de mai sus. În aplicaţiile şi realizările cotidiene se constată că aproape toate izvoarele de energie de pe pământ, îşi datorează existenţa Soarelui. Însă de unde îşi ia Soarele imensa energie pe care o răspândeşte atât de generos?
Generatorul de energie solară se află în adâncurile Soarelui. Acolo, în condiţiile unor presiuni colosale şi temperaturi de câteva milioane de grade, au loc reacţii termonucleare de sinteză – unirea atomilor de hidrogen în atomi de heliu – în urma cărora se degajă cantităţi uriaşe de energie. Se ştie că Soarele constă în 50% hidrogen. Înseamnă, oare, că izvorul primar de energie al Soarelui este hidrogenul?
Razele emise de suprafaţa incandescentă a Soarelui, străbătânt abisul negru al spaţiului cosmic, ajung la Pământ. Se estimează că energia radiantă care se revarsă asupra globului pământesc anual este de 20 x 1023 KWh. O parte a acestei energii este reţinută de atmosferă, se estimează o valoare medie de 40% iar restul de 60% ajunge pe suprafaţa Pământului reprezentânt cca. 43,6KWh de energie, mai mult decât s-a folosit de omenire până astăzi.
Pământul, încălzit de la Soare, emite într-un an de zile în spaţiul cosmic aproximativ atâta energie câtă primeşte de la soare.
Razele solare care ajung pe globul pământesc cad în cea mai mare parte pe suprafaţa mărilor şi oceanelor transformându-se în energie termică determinând evaporarea apei, care în cursul transformărilor ulterioare devine energia hidraulică a cursurilor de apă, aceasta reprezentând aproximativ 0,04% din energia solară.
Ceva mai puţin de 15% din energia solară revine uscatului acoperit de vegetaţie. Plantele consumă doar 0,012%, restul fiind folosit pentru încălzirea uscatului care la rândul lui emite energie.
Pe lângă motor al uriaşei pompe de apă, energia solară contribuie în mare măsură la mişcarea învelişului de aer al Pământului, aproximativ 2,5% se transformă în energie eoliană.
Plantele pe seama energiei solare şi a anumitor substaţe din exterior, produc substanţe utilizate de fiecare plantă în parte (pentru creştere, dezvoltare, etc) iar altă parte ca hrană pentru oameni şi animale. Practic noi folosim indirect energia solară prin hrana animală sau vegetală.
Combustibili naturali rezultaţi din ţesuturile cândva vii ale vegetaţiei, sunt datoraţi tot energiei solare, asigurând cca. 95% din consumul mondial de energie.
Cea mai largă utilizare a energiei este energia electrică. Rămâne să ne îndreptăm interesul spre un anumit tip de tansformare pentru a obţine energa electrică.

2. Puterea dezvoltată de o instalaţie eoliană.

Aproximativ 2,5% din energia solară se transformă în energie eoliană. Există,
aşadar, o cantitate de energie imensă care poate fi transformată în energie electrică.
Energia cinetică a vântului este:

W = 1/2 mv2 (1)

Puterea totală dezvolată de o masă de aer este:

P = W/t = 1/2 x m/t x v2 = 1/2 x (ro x V)/tv2 (2)
Unde:
V – volumul masei de aer
A – secţiunea transversală
 - densitatea aerului
t – timpul
d – distanţa
Înlocuind în relaţia (2) pe V = a x d şi v = d/t rezultă

P = 1/2 x (ro) x A x v3 (3)

Se constată că puterea vîntului depinde de densitatea aerului, secţiunea baleată de pale cât şi de cubul vitezei vântului. Betz arată că puterea vântului nu poate fi convertită în totalitate în putere utilă şi în formula (3) introduce un coeficient de putere mecanică (factor Betz), Cp = 0,593. În realitate acest coeficient este mai mic şi este funcţie de caracteristicile aerodinamice ale palelor (se dă în tabele).
Există zone în care viteza vîntului este relativ mare şi pot fi dezvoltate parcuri eoline. Dar există foarte multe locuri unde viteza vântului nu asigură suficientă putere. În acestă situaţie se poate beneficia şi de ajutorul direct al razelor solare.


3. Tirajul coşului de fum

Tirajul se datoreşte, în general, diferenţei dintre presiunea (mai mare) din spaţiu în care
se produce arderea şi presiunea coloanei de gaze din coş, produsă, parţial de diferenţa de temperatură a două coloane de gaze având înălţimi egale cu înălţimea coşului (una exterioară coşului având temperature şi greutatea specifică a aerului atmospheric, iar alta interioară coşului, având temperature medie şi greutatea specifică a gazelor de ardere).
La tirajul natural, diferenţa de presiune e funcţie numai de înălţimea coşului.

Există multe zone în România, foste industriale, unde coşurile de fum sunt nefolosite. Neexistând diferenţă de temperatură semnificativă, în starea lor actuală, şi tirajul este redus. Pentru creşterea valorii tirajului trebuie ca aerul la baza coşului să aibă o temperatură superioară celui de la partea superioară. Aceasta se poate obţine prin instalarea unor sere din sticlă, corect dimensionate, care pe baza efectului de seră pot încălzi aerul suficient ca să existe un tiraj natural.


4. Realizarea turnurilor solare

Turnurile solare combină energia solară şi energia eoliană transformându-le în energie electrică. Principiul de funcţionare este relativ simplu şi se bazează pe tirajul natural al turnurilor (coşurilor de fum) înalte.
Părţi componente:
- turn (coş de fum), pentru obţinerea tirajului.
- colector (seră din sticlă şi folie), pentru încălzirea aerului de la baza coşului, prevăzut cu sistem de înmagazinarea a căldurii (ţevi cu apă), încojoară turnul.
- turbină eoliană (pale, generator asincron, sistemul de multiplicare al turaţiei, frână)
- priza de aer şi canalul pentru admisia aerului în colector.
- echipamentul electric de automatizarea, măsurarea şi furnizarea energiei electrice

Funcţionare:
Aerul întră prin priza de aer şi canalul de admisie în colector unde este incălzit la o
temperatură de 60…700C şi este dirijat prin tiraj spre baza turnului (coşului de fum) unde se amplasează turbinele eoliene. Curentului de aer cald, având viteza determinată de tirajul turnului, pune în mişcare palele generatoarelor eoliene.
Pentru mărirea randamentului colectorul va fi prevăzut cu acumulatoare de căldură (ţevi cu apă), care noaptea cedează căldura înmagazionată în timpul zilei.

Date tehnice:
În proiectare şi dimensionarea turnurilor solare, pentru reducerea costurilor de execuţie se pleacă de la dimensiunile coşurilor de fum existente (combinate siderurgice, uzine chimice, etc).
O posibila aplicaţie poate fi fostul Combinat Siderurgic de la Hunedoara,
unde sunt concentrate pe o suprafaţa corespunzătoare, 8 coşuri ale fostei Oţelării Siemens Martin.

Sistemul necesita o investitie nu foarte mare, (ţinând seama că structura coşurilor există) dar care ulterior se amortizeaza prin costurile mici de exploatare si a randamentului ridicat, turnul functionind atit ziua cit si noaptea.

Date constructive: (propunere pentru un turn, urmând ca pentru orice proiect să se întocmească documentaţia tehnică şi economică aferentă)
Inaltimea turnuluit: 110 m
Diametrul turnului: 5 m
Raza acoperisului colector: 150m
Inaltimea acoperisului: 1,85 m
Nr. palete pe turbina: 3
Tip profil paleta pentru viteza aer cald 10 – 15 m/sec: FX W-151-A
Diferenta de temperatura dintre aerul din colector si turn: min = (35 – 40)0 C
Puterea nominala: 35 kW
Suprafata collector : 70650m2
Costurile rezultate pentru energia livrata :…………. Eur/KWh
Ing. Sorin MORANCEA
SC Melior Electroinstal SRL Hunedoara
meliorelectroinstal@yahoo.com

ROMÂNIA ENERGETICĂ – ÎNCOTRO ?

          

  Tot ascultând poveştile pricepuţilor teleanaliştilor, mi-am amitit de un episod din istoria ştiinţei. Cam cu două, trei secole în urmă, în Anglia, la Birmingham, a luat naştere o asociaţie a savanţilor, de tipul unei academii de ştiinţe, neoficială. Amintesc aici pe vestitul chimist şi om politic Joseph Priestlez, pe Erasmus Darwin bunicul lui Charles Darwin, Watt şi alţii. Societatea lor era denumită “Asociaţia prietenilor Lunii”, fiindcă membrii ei se adunau numai atunci când era lună plină. Acest lucru era necesar deoarece ei era obligaţii să se întoarcă acasă noaptea târziu şi cum străzile oraşului nu erau pavate sau luminate singurul ajutor a lor era Luna care le lumina drumul.
           Cam două, trei secole despart străzile nepavate şi neiluminate din Birmingham de epoca noastră (cu străzi iluminate, pavate şi mijloace de transport moderne). Ce s-a întâmplat în acest timp?
          Producţia de bunuri şi mărfuri a omenirii a crescut nemăsurat de mult, a crescut de asemenea şi cantitatea de energie produsă şi consumată. Dacă resursele energetice ar fi uşor de procurat, dacă unele efecte (cum ar fi poluarea) nu ar fi dăunătoare pentru omenire, atunci ar trebui să fim liniştiţi, să dezvoltăm în continuare ramuri industriale fără să ţinem seama de costurile energetice sau să nu ne pese de răul produs prin poluare.
          Aşa cum în secolul al XVIII-lea, la Birmingham, beneficiind din plin de lumina Lunii, savanţi renumiţi aveau timp şi minte să se întâlnească pentru a găsi soluţii la problemele pe care îi preocupau, cred că e momentul ca oamenii pricepuţi din domeniul energetic, care beneficiază din plin de binefacerile “energiilor”, să-şi facă timp, în asociaţii oficiale sau neoficiale, pentru a discuta în modul cel mai adecvat cu putinţă problemele energetice ale României.
           România este o ţară bogată în resurse energetice “sărace”. Cărbunele românesc are o putere calorică scăzută, resursele de petrol şi gaze se cam termină iar amenajările hidro implică costuri deosebite (cele mai avantajoase fiind deja construite). Enegetica nucleară, rămasă mult în urmă, implică şi ea costuri mari, cantităţi însemnate de apă de răcire (daca se pune problema finalizărilor grupurilor trei şi patru de la Cernavodă, s-ar putea să nu fie suficientă apă de răcire chiar dacă centrala este situată în apropierea Dunării).
Bine, bine veţi spune, mai există celelalte resurse energetice numite, din comoditate,
“neconvenţionale” (poate peste doi, trei ani vor fi “convenţionale” şi la noi!). Haideţi să vedem care ar fi aceste resurse. Ar trebui să începem cu energia eoliană. Puterea energetică a vânturilor din România este, este relativ ridicată, dezavantajul fiind concentrarea ei în proporţie mare în Dobrogea. Dac[ ar fi tarnsformată în energie electrică reţelele de transport nu pot asigura transportul acestei puteri. Dacă tot suntem în Dobrogea ar trebui amintite aici energia solară, încă foarte scumpă, şi energia valurilor – nu se pune problema. Deplasându-ne încet spre alte meleaguri trebuie, neapărat, să amintim de energia biomasei. Cred că se pretează uşor la condiţiile de relief şi sol ale României. Imi amintesc că pe vremea studenţiei, am văzut undeva pe lângă Timişoara, în apropierea unui renumit complex agrozootehnic încercări reuşite în acest sens.
Toate aceste variante de dezvoltare energetică implică cheltuieli. Dar absolut toate implică ţi dezvoltarea altor segmente economice. De exemplu amenajările hidroenergetice asigură locuri de muncă pentru construcţii, biomasa dezvoltă sectorul agricol, etc. Numai că ar trebui să existe un plan coerent, unic şi de perspectivă de dezvoltare energetică şi eficienţă.
         Până la elaborarea, adoptarea şi menţinea acestui plan o perioadă mai lungă, trebuie să avem grijă de consumurile energetice. Există o lege care impune realizarea unor audituri energetice de agenţi economici care realizează anumite consumuri de energie. Oare rerspectăm această lege? Oare nu putem ca într-un interval de timp decent să realizăm un bilanţ energetic (electric şi termic) naţional, să vedem consumurile dar mai ales pierderile şi măsurile care trebuie implementate pentru eliminarea pierderilor?
Cum vom putea să realizăm eficient normele impuse de Uniunea Europeană de eliminarea emisiilor de CO¬2 dacă nu ştim, bănuim doar, pierderile din sistemul energetic sau din sistemul de încălzire al României.
Până la urmă, aşa cum se spune, cea mai ieftină energie este cea economisită. Dar cum să economiseşti dacă nu ştii cum şi cât?
         Cred că ar trebui ca la nivel local să existe mai multă aplecare spre domeniul energetic. Există ţn toate primăriile, prefecturile, consiile judeţene tot felul de referenţi, consilieri, etc. Cu tot felul de denumiri care mai de care, dar nu am preaam întâlnit un consilier energetic sau un serviciu energetic sau o direcţie energetică. Să nu mai vorbim de necesitatea unui minister al energiei care să coordoneze toate activităţile aferente. Şi de ce nu, poate ar fi bine sa existe un Comitet (Comisie, Consiliu, Asociaţie, Agenţie...) Energetic Roman care să cuprindă toate minţile luminate din domeniul energetic românesc şi care, asemenea Asociaţiei Prietenilor Lunii din sec al XVII-lea, să-şi înceapă munca dimineaţa şi să plece acasă la lumina lunii. Spun asta stiind ca: "Toti suntem in sant, dar unii dintre noi privesc catre stele".