In scopul de a obtine o intelegere generala despre cum pot turbinele eoliene mici sa sprijine cu succes sistemele hibride off-grid, este folosit un exemplu pentru a ilustra procesul de planificare.

 

Scurta introducere a turbinelor eoliene mici (TEM) este urmata de un calcul al cererii de energie pentru un sistem off-grid. Sunt prezentate regimul vantului, alegerea potentialelor turbine si randamentul anual de energie al acestor turbine. Articolul se incheie cu un calcul de rentabilitate si ne ofera rezultate si concluzii.

 

 

1. Cererea de energie si aprovizionarea

Orice entitate electrica, consumatoare de energie, are o cerere specifica, o sursa de curent si, de asemenea, metode si tehnici pentru a le optimiza pe ambele. Urmatoarele subseturi descriu aspectele: cerere, aprovizionare si optimizare.

 

1.1 Cererea

Pentru a determina consumul sistemului de cerere a energiei electrice exista trei metode diferite:

 

(1) Daca exista un contor electric central pentru sistemul general (casa, cabana, ghereta), datele necesare (cererea anuala si zilnica de energie) pot fi usor de citit de pe contor. O cantitate suficienta de seturi a datelor zilnice din fiecare sezon ar trebui luate pentru a calcula necesarul mediu zilnic de energie.

 

(2) Daca sistemul este servit doar de un singur motor cu combustie diesel, consumul de energie poate fi calculat din consumul diesel pe zi si pe an. In dispozitivele moderne, orele de functionare sunt afisate pe panoul de operare, direct la motor. Operatia ore pe zi, inmultita cu consumul diesel specific pe ora (in acest caz: 9.1 litri pe ora), valoarea de incalzire inferioara si eficienta de conversie a energiei electrice, ofera capacitatea maxima de energie electrica pe zi.

 

Calculul este dependent de conditiile externe, la limita, cum ar fi: numarul de ore de operare la sarcina maxima comparativ cu sarcina partiala, temperatura, altitudinea deasupra nivelului marii, calitatea si valoarea de incalzire inferioara a combustibilului care este utilizat. Aceasta valoare se situeaza intre 9.6 – 10.0 kWh per litru de diesel consumat.

 

O verificare foarte simpla este sa ai incredere in datele producatorului si sa inmultesti puterea nominala cu orele de functionare. Verificarea ofera doar o mica diferenta, iar calculul poate fi considerat valid.

 

Ezi = Pelectrica · t

Ezi = 25 kWel · 24h = 600 kWh

 

In aceasta lucrare se utilizeaza un grup electrogen pentru caldura si energie combinate (CEC), de curent nominal electric de 25 kW si energie termica de 45 kW. Sarcinile electrice si termice sunt produse cu o eficienta totala de aproximativ 86%, conform datelor producatorului (kW, 2009, S. 1). Un randament electric de 30% a fost presupus ca un standard al eficientei industriei CEC pentru motoarele moderne. Asta inseamna cu un consum anual de 12 000 l de motorina poate genera urmatoarea cantitate de energie electrica:

 

           

Acest lucru este cu siguranta doar in cazul in care motorul nu este supradimensionat si functioneaza intotdeauna la punctul optim de operare, nefiind intotdeauna cazul, asa cum arata figura de mai jos. Generatorul functioneaza doar cu o incarcatura partiala de 6 kW, in timp ce puterea nominala este de 25 kW.

           

Acest lucru s-a datorat faptului ca bateriile incarcate au putut servi doar necesarul energiei de baza timp de 3 ore. Dupa 3 h, generatorul a inceput automat sa incarce bateriile pentru trei ore. S-a observat aceasta incarcare si descarcare alternativa pe parcursul a trei zile.

           

(3) Daca nu exista niciun contor si consumul de diesel este necunoscut, sau in cazul unui sistem hibrid fotovoltaic / diesel care ofera unele incertitudini, cererea este dificil de estimat. In acest caz se recomanda calculul de catre un aparat electric si ore de utilizare normala. Acest lucru necesita o lista detaliata a tuturor consumatorilor si timpul de utilizare, presupunand caracteristici normale de functionare (vezi Tabelul 2).

           

Dupa reducerea sarcinilor electrice inutile, cererea de energie a casei ar trebui sa fie la 99 kWh / zi in timpul sezonului de vara (Deubler, 2009, S. 17) (Gehling, 2012, S. 55). Aceasta valoare medie este compromisul ideal intre eficienta maxima si un comfort doar putin mai redus, luand in considerare, de asemenea, cel mai mare numar de vizitatori. Acest lucru duce la calculul cererii anuale de energie, care este de 99 ori kWh inmultit cu 287 zile, adica 28 413 kWh / a. Daca obiectivul de reducere nu va fi atins, cererea anuala de energie este de 46 523 kWh / a.

 

          Tabelul 1 Generatorul CEC la Rotwandhaus trei zile in ianuarie 2011 (Deubler, 2009, S. 1)

          Tabelul 2 Cererea de energie prin listarea aparatelor electrice si orelor de utilizare normala

          Tabelul 3 Cererea energiei electrice prin exemplul Rotwandhaus

 

          1.2 Oferta actuala de energie si modificarile posibile

          

Oferta actuala de energie are doua generatoare diferite. Coloana vertebrala a intregului sistem este un motor cu combustie electrica de 25kW. Acesta este optimizat pentru arderea de ulei de rapita, cu o clasa a pericolului de apa foarte buna (CPA). Acesta este un avantaj in zonele de conservare a naturii, care merita o atentie speciala.

 

Valoarea inferioara de incalzire (VII) este aceeasi ca si a diesel-ului. Sistemul combinat de caldura si energie descris mai sus (si CCE) reprezinta o solutie fiabila, chiar daca toate celelalte surse regenerabile dau gres. Pe langa acest motor cu ardere exista un generator fotovoltaic. Toata energia generata alimenteaza prima data consumatorii actuali, iar daca nu este nevoie de energie, aceasta este stocata in bateriile cu gel de plumb.

           

Bateriile sunt conectate la convertoare pe baza de energie a bateriei. Aceste dispozitive constau in invertoare pentru a converti curentul DC in curent AC si invers. In al doilea rand, convertorul functioneaza ca un controlor al incarcarii.

 

Acesta reglementeaza si netezeste curentul de incarcare pentru baterii, pentru a mentine cat mai multe cicluri de incarcare si descarcare posibile, pentru a obtine o viata cat mai lunga a bateriei. Proiectul-exemplu foloseste o banca de celule pe baza de gel din acid de plumb. Controlorul de incarcare este setat pentru a lasa o adancime de descarcare (DOD max) nu mai mica de 40% din sarcina bateriei.

 

Controlorul pazeste, de asemenea, procesul dinamic de incarcare a generatoarelor si previne supraincarcarea. Modulele fotovoltaice furnizeaza, in mod normal, o energie anuala de 5000 kWh. Ele sunt conectate la reteaua de curent alternativ cu 3 faze. Datorita procesului de imbatranire a modulelor fotovoltaice, astazi puterea maxima fotovoltaica este de aproximativ 3500 kWh / a. (Deubler, 2009, S. 25)

            

Cererea zilnica de energie de 99 kWh determina dimensiunea bateriilor si a generatoarelor. Pentru moment exista 24 de celule pe baza de gel din plumb de 2 V si 1700 Ah instalate. Asa cum a aratat Deubler, capacitatea maxima teoretica de stocare a curentului de celule noi ar trebui sa fie la 81.6 kWh (Deubler, 2009, S. 26) (Gehling, 2012).

 

Din moment ce bateriile nu ar trebui sa fie descarcate sub 40%, banca bateriei este capabila sa furnizeze 48,96 kWh, care ofera numai un timp teoretic de autonomie, de o jumatate de zi. Aceasta inseamna ca sistemul poate rula cu energia tamponata aproximativ 0,5 zile. Dupa cum arata Tabelul 1, timpul efectiv de autonomie este chiar mai mic (3 ore), datorita celulelor imbatranite ale bateriei.

            

Acest lucru nu este suficient pentru a raspunde recomandarilor Bopp (2002). El arata ca un sistem care cere mai mult de 25 kWh pe zi trebuie sa aiba un timp de autonomie a bateriei de o zi si o rata de acoperire solara de 25%.

 

Daca nu exista nici soare si nici vant, coloana vertebrala a sistemului este, in orice caz, generatorul CCE. Potrivit Bopp (2002, S. 26), suma nominala de putere a tuturor generatoarelor ar trebui sa corespunda cu suma tuturor sarcinilor absolut necesare. In acest caz este vorba de un motor CCE de 25 kWel si un generator fotovoltaic de 5 kW.

            

Bopp afirma, de asemenea, ca o turbina eoliana suplimentara mai mica nu ar trebui sa depaseasca o treime din rezerva totala de energie pentru intregul sistem. Un posibil plan pentru viitor este de a reduce consumul de combustibil prin modernizarea sistemului hibrid existent (vezi figura 1) si inlocuind o parte din rezerva cu generarea de la o turbina eoliana mica.

 

2. Energia Eoliana

          Acest capitol descrie masurarea potentialului eolian, alegerea unei turbine eoliene mici si metoda de estimare a randamentului energetic.

 

          2.1 Potentialul eolian

 

Proiecte mici de succes din domeniul energiei eoliene necesita o buna intelegere a potentialului eolian local. Prin urmare, este esential sa se faca o evaluare adecvata a locatiei, luand in considerare toate impactele posibile. Costurile de masurare a energiei eoliene sunt puternic dependente de masurarea inaltimii si de dispozitivele care sunt folosite.

 

Proiectul actual s-a presupus a avea costuri de masurare intre 3% si 7% din bugetul complet al proiectului. Tipic pentru proiectele eoliene mici si micro, s-a ales aici o solutie de buget foarte mica. Din acest motiv, ar putea exista unele incertitudini in interpretarea datelor.

 

Figura 1 Un sistem-hibrid modular cuplat AC in trei faze

Figura 2 Pozitia anemometrului (foto M. Gehling)

Figura 3 Combinate: anemometrul si paletele eolienei

 

Pentru evaluarea curenta a locatiei, sistemul de masurare "Power predictor" a fost montat la nacela Rotorulu-H (vezi Figura 2). Rotorul-H a fost vechea turbina eoliana demontata in octombrie 2011. In aceasta pozitie, dezavantajosii curenti de aer turbulenti pot perturba acuratetea datelor masurate, dupa cum se va discuta mai tarziu.

 

Dispozitivul de Masurare: Power Predictor la inaltimea de 6.30m Perioada de Masurare: 26.02.2011 pana la 19.06.2011

Masuratorile datelor eoliene au inceput in decembrie 2010. Dupa rezolvarea unei probleme electronice cu anemometrul, primele masuratori valide au inceput pe data de 26 februarie 2011.

 

Perioada de masurare a continuat pana la 19 iunie 2011, cand bateria a fost schimbata. Desi planul a fost de masurare a vantului timp de 365 zile, anemometrul a fost distrus atunci cand Rotorul-H a fost demontat, in octombrie 2011. Cardul-SD cu datele stocate pana in octombrie a fost, din pacate, furat.

 

Macar vantul dintr-un sezon de iarna si de vara a fost masurat. Din acest motiv, autorul a presupus o distributie anuala si o viteza medie a vantului, printr-o intindere sintetica a datelor colectate, pentru o perioada de un an. Pe baza acestei ipoteze, viteza medie a vantului a fost calculata de la 115 in loc de 365 de zile, pentru a da urmatoarea estimare a randamentului energetic.

           

Vitezele vantului pentru exact aceeasi perioada au fost verificate cu datele din Biroul Statiei Meteorologice Germane (DWD) din dealul Wendelstein, la aproximativ 12 km nord-est de Rotwandhaus. Aceasta statie meteo DWD este locul de referinta pentru a evalua toate calculele ulterioare. Un instrument particularizat Excel este utilizat pentru calcularea si ilustrarea distributiei vantului si a randamentului energetic, cu o turbina specifica.

 

Rezultatele instrumentului Excel sunt verificate cu o versiune gratuita a WASP 10.1 de la Universitatea Tehnica din Danemarca (DTU). Potrivirea Weibull a fost facuta cu Gnuplot. Estimare finala a productiei de energie a fost, de asemenea, verificata cu “Estimatorul Randamentului unei Turbine Eoliene Mici" de Fraunhofer IWES.

            

Validarea a aratat ca datele masurate s-au corectat destul de bine cu locul de referinta. Calculul de profil al jurnalului eolian a vitezei medii a vantului la Rotwandhaus a fost de 5,26 m / s si la Wendelstein 5,52 m / s.

 

Cu unele incertitudini din cauza rugozitatii si efectelor de adapostire a unei creste de munte, datele ar putea fi considerate valabile. Roza vanturilor arata efectul protector al varfului Rotwand, dar si mai mult, efectul de mascare a partilor din nord a catargului vechiului Rotor-H (vezi roza vanturilor Figura 5 si Figura 6).

 

Distributia naturala a directiei vantului ar trebui sa arate, in mod normal, ca in Figura 7. Cu toate acestea, compararea distributiei vitezei vantului la ambele locatii a oferit rezultate similare (vezi Figura 7). Toate datele din setul colectat nu este perfecte datorita circumstantelor descrise, dar ar trebui sa fie suficiente pentru o prima evaluare a vantului la fata locului.

 

Figura 4 Viteza vantului la Rotwandhaus din ianuarie in iunie 2011

Figura 5 Raportul WAsP a climatului eolian observat

 

Potrivit Detaliilor despre Informatiile Eoliene NREL (2013): Harti Dinamice, Date GIS si Instrumente de Analiza – densitatea puterii eoliene in Rotwandhaus, la o viteza medie a vantului de 4.2 m / s, este de doar 100 W / m.

 

Fisierul cu informatiile scrise ale anemometrului ce prezice puterea masurata a fost importat in instrumentul Excel si in WAsP si, de asemenea, WASP a aratat o densitate a puterii eoliene foarte scazuta, in acelasi interval (84 W/m2), la inaltimea turnului. Locatia Rotwandhaus ar trebui sa fie considerata ca fiind o zona cu vant slab, care este in conformitate cu NREL, “nepotrivita in general" pentru proiecte eoliene de mari dimensiuni.

 

          2.2 Selectarea Turbinei Eoliene Potrivite

 

Selectarea unei turbine eoliene mici nu este o sarcina usoara si exista mai mult de 200 de producatori la nivel mondial. Deoarece industria nu este inca dezvoltata, un numar de turbine de slaba calitate sunt disponibile pe piata. Cea mai buna optiune pentru consumator este sa aiba incredere in sistemele de certificare.

 

           2.2.1 Modele Certificate

Pentru moment, in lumea intreaga, exista trei sisteme de certificare: MCS – Schema de Certificare a Microgenerarii (Marea Britanie), SWCC – Consiliul de Certificare a Eolienelor Mici (SUA) si procedura de testare in conformitate cu IEC 61400-2 – (DK), care permite organismelor de certificare neacreditate sa efectueze certificarea, daca este aprobata de Agentia Daneza pentru Energie si daca suprafata rotorului este mai mica de 5 m2 (Parlamentul, 2008, S. 6).

 

Cel putin un certificat este suficient pentru a sustine o decizie de cumparare. Toate acestea demonstreaza ca turbina eoliana este fabricata in conformitate cu standardele internationale in ceea ce priveste:

• Performanta

• Zgomotul

• Securitatea

           Urmatoarea lista din anul 2012 arata toti producatorii care au cel putin un model certificat.

 

           2.2.2 Dimensionarea

          

Dupa cum se mentioneaza mai sus, pana la o treime din cererea anuala poate fi acoperita de o turbina eoliana mica. Totusi, acest lucru necesita conditii de vant suficiente si o turbina care este adaptata in mod specific la aceste conditii.

          

Pentru proiectul Rotwandhaus, o turbina eoliana mica adecvata are aproximativ aceeasi rata de acoperire ca si modulele fotovoltaice, care sunt, pentru moment, la 8%. Acest lucru ofera o cerere anuala de energie electrica eoliana de 3 700 kWh / a. In aceasta lucrare, turbinele eoliene mici au fost impartite in doua clase, care pot acoperi probabil cererea. O clasa este de 5 kW, iar cealalta este clasa de 10 kW.

 

Figura 6 Distributia vantului si directia vantului la Rotwandhaus

Figura 7 Distributia vantului si directia vantului la Wendelstein

Figura 8 Distributia vitezei vantului: Rotwandhaus: rosu, Wendelstein: albastru

Tabelul 4 Producatorii cu cel putin o turbina eoliana mica certificate

 

          2.3 Estimarea Anuala a Randamentului Energetic

Conform Tabelului 4, in fiecare clasa au fost alese doar turbinele certificate. Turbina Gaia este potrivita pentru locatii cu vant slab, cum ar fi regiunea Rotwandhaus, din cauza suprafetei mari a rotorului in raport cu generatorul.

 

Arata cea mai buna acoperire in zona vantului cu viteze mici (dungile verzi in histograma de distributie a vitezei vantului, vezi Figura 9). Pentru a avea valori fiabile, toate curbele de putere au fost corectate la altitudinea de 1737 m, deasupra nivelului mediu al marii (1,024 kg / m3).

 

Toate clasele de viteza ale vantului au fost montate la o curba Weibull, pentru a obtine cele mai probabile valori de distributie naturala a vantului. Frecventa claselor de viteza a vantului cu valorile curbei de energie si orele dintr-un an, rezulta in randamentul anual de energie. Erorile de operatie, pierderile si un factor de incertitudine pentru anii slabi din punct de vedere a vantului au fost luate in considerare si randamentele anuale ale energiei pentru cele trei turbine sunt cuprinse in Tabelul 5.

 

Acelasi calcul a fost facut cu doua turbine mai mici. Singura turbina ne-certificata a fost KD Promekon 5. Aceasta este singura axa verticala a unei turbine eoliene mici in acest raport.

 

Scopul dorit, pentru a acoperi 8% din cererea anuala de energie de 46,523 kWh,  poate fi atins cu turbinele din Easywind si KD Promekon. Turbinele din clasa de 10 kW ofera mult mai mult decat este necesar si sunt mai aproape de treimea acoperita, recomandata de catre Bopp. Intrebarea despre care turbina functioneaza in cel mai economic mod este discutata in capitolul urmator.

 

           3. Fezabilitate economica – Vant fata de CEC

In acest capitol fezabilitatea economica a unei turbine eoliene mici se arata in raport cu un motor CEC pentru proiectul actual si conditiile de vant actuale.

 

Pentru motorul CEC, costurile de investitii au fost 44.500 de euro. Pretul uleiului de rapita a fost de 1.08 EUR / l, iar valoarea calorica inferioara a fost calculata cu 9,7 kWh / l. Investitia necesara pentru centralele electrice eoliene a fost intre 25.500 EUR si 46.000 EUR. O medie de viata pentru functionarea CEC a fost stabilita la 15 ani.

 

Aceeasi medie de functionare a fost presupusa pentru toate turbinele eoliene mici. Costurile variabile au fost: costurile de mai sus ale combustibilului, costurile de exploatare de 0,01 EUR / kWh, energia auxiliara anuala (CEC) 2%, si asigurarea anuala de 1% din costurile de investitii.

          

Cea mai eficienta turbina pentru locatia cu putere scazuta a vantului este, de departe, turbina Gaia de 11 kW, cu doua pale si cu un diametru al rotorului de 13 m. Clasicele turbine cu trei pale ale lui Bergey si Aircon au fost totusi putin mai favorizate decat motorul CEC. Cea care a depasit cu mult gama medie de cost a turbinelor bine stabilite a fost Promekon, cu cele mai mari costuri de productie a energiei electrice.

Tabelul 7 Costurile pentru kWh de energie electrica la locatia Rotwandhaus

 

           4 Concluzii si Perspective

Locatia evaluata poate fi considerata ca un loc cu viteza scazuta a vantului, care necesita gasirea unei turbine eoliene speciala mica pentru aceste conditii.

          

Singura care a fost gasita a fost turbina Gaia, care este putin mai mare si este una dintre cele mai scumpe turbine dintre toate cele calculate. Cu toate acestea, cea mai mica investitie este pentru turbina Easywind. Ambele turbine au fost cele mai eficiente turbine in clasele lor pentru aceasta locatie, prin urmare au si cele mai mici costuri de productie a energiei electrice.

          

Actuala industriae a eolienelor mici este foarte eterogena. Exista un numar mic de producatori care construiesc si ofera turbine foarte bune la un pret rezonabil, dar marea majoritate inca sunt in stadiul de dezvoltare.

 

Astfel, este dificil pentru un consumator obisnuit de a gasi turbina potrivita pentru proiectul sau. Majoritatea locatiilor ce candideaza au conditii sarace de vant, care fac obiectul unor turbulente deranjante de la cladiri si turnuri insuficiente de inaltime mica.

          

Provocarea pentru consumator este de a gasi un model care respecta standardele inalte de calitate si functioneaza eficient la locatia specifica. Pentru moment, doar cativa producatori pot raspunde acestor asteptari. Cu situatia actuala a pietei, exista inca un drum lung de parcurs pentru a stabili turbinele eoliene mici ca fiind un jucator serios in procesul de tranzitie catre energia din surse regenerabile.

           

Referinte

Bopp, G. (2002). Planungsleitfaden für Energiekonzepte von BerghüttenFreiburg: Fraunhofer ISE, Deutsche Bundesstiftung Umwelt DBU.

Deubler, H. (2011). Datenauswertung 01-2011, Berchtesgaden.

Deubler, H. (2009). Energiekonzept Rotwandhaus. Berchtesgaden. Gehling, M. (2012). Small Wind Turbines to Support Self-Sufficient Off-Grid Energy Systems. Hamburg. KW, E. (2009). Blockheizkraftwerk KWE 25P-4 SPN – Datenblatt. Freystadt.

NREL's Geographic Information System (GIS), T. (2013).

NREL: DynamicMaps, GIS Data, and Analysis Tools – Wind Data Details. Retrieved 03 2013, from http://www.nrel.gov/gis/wind_detail.html

 Parliament, D. (2008). Danish Electricity Supply Act, cf. Consolidated Act no. 1115, Executive Order no. 651. Copenhagen.

Steinbacher, G. (2010). Leitlinien für Planung und Errichtung sowie Betrieb und Wartung der Ver- und Entsorgungsanlagen bei Berg- und Schutzhütten.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5 motive pentru care puteti deveni  PARTENER  Add-Energy Renewable Romania

Pentru  a deveni PARTENER  ADD ENERGY ,accesati  sectiunea      

Pentru mai multe detalii accesati sectiunea