Proiectarea sistemelor fotovoltaice in zone izolate sau greu accesibile

       Sistemele fotovoltaice, eoliene sau hidro, instalate in zone izolate sau greu accesibile, trebuie proiectate intr-un mod diferit comparativ cu sistemele fotovoltaice din aplicatii standard. Este obligatoriu sa facem acest lucru pentru a obtine o redundata cat mai ridicata a sistemelor aflate in functiune.  Desi Ecovolt ofera beneficiarilor monitorizarea sistemelor fotovoltaice de la distanta prin sistemul integrat de management introdus acum 4 ani, acest lucru nu este intotdeauna posibil.

Pentru realizarea unui asemenea sistem, pe langa datele obligatorii utilizate in proiectarea unei arhitecturi fotovoltaice de acest tip, au fost luate in considerare urmatoarele cerinte minime de proiectare:

•   sistemul trebuie sa fie foarte fiabil
•   sistemul trebuie sa asigure necesarul de energie si in perioada de iarna
•   sistemul trebuie sa aiba mai multe surse de incarcare a bateriilor
•   sistemul trebuie sa fie cat mai simplu de utilizat
•   sistemul trebuie sa aiba o intretinere cat mai redusa
•   sistemul trebuie sa dispuna de echipamente cu redundanta in functionare
•   sistemul trebuie sa coste cat mai putin, fara a pierde nivelul de calitate si performanta

Pentru a atinge aceste deziderate, in prima etapa a fost realizata in urma analizei tehnice, proiectarea standard pentru a obtine datele de mai jos:

    - valorile productiei de energie pe fiecare sezon

    - cantitatea de energie care trebuie stocata 

    - cantitatea de energie care este consumata zilnic si in fiecare sezon

Faceti click mai jos pentru link-ul cu descrierea tehnica a unui astfel de sistem.

Schitul Prislopel - Baile Olanesti - Jud. Valcea

Muntele Stogu situat in apropiere de Baile Olanesti, este cunoscut speologilor pentru peisajul spectaculos dar mai ales pentru cele doua pesteri aflate in vecinatate, Pestera Rac si Pestera Clopot. In aceasta zona superba se afla Schitul Prislopel unde am reusit cu greu sa ajungem pentru a instala un mic sistem fotovoltaic. Accesul la micuta bisericuta a fost o mare provocare, singurul "drum" fiind o poteca foarte ingusta si inclinata pe care se putea urca doar in sir indian si de multe ori folosind arborii din jur pentru sprijin. Lipsa drumului de acces a ridicat valoarea constructiei foarte mult, deoarece toate materialele necesare au fost transportate cu bratele de catre voluntari. Peisajul insa ...este unic !

Haideti sa analizam impreuna structura tehnica a sistemului instalat in locatia de mai sus.

1. Sursa primara si productia de energie

Pentru asigurarea necesarului de energie, in urma proiectarii a rezultat ca utilizarea unei retele fotovoltaice de 1000Wp, va fi suficienta pentru acoperirea necesarului de energie, insa pentru atingerea fiabilitatii va fi nevoie sa selectam o clasa superioara de panouri fotovoltaice. Se stie ca diferenta de productie intre sezonul de vara si sezonul rece este de 4 ori, insa alegerea inteligenta a sursei primare de productie poate reduce intr-o oarecare masura aceasta diferenta.

In cadrul acestui sistem am utilizat panouri fotovoltaice Black-Line cu o putere de 265W fabricate in tehnologie Glass-Glass de catre SOLARA GmbH. Acestea sunt recunoscute de catre piata globala, ca fiind unele dintre cele mai performante panouri fotovoltaice existente in acest moment, fiind fabricate integral in Germania in fabrica din Wismar. 

Utilizarea acestor panouri ne ofera fiabilitatea si performanta de care avem nevoie pentru realizarea acestui sistem. Evident ca exista si alte panouri pe piata, similare ca performanta fabricate de alti producatori, insa experienta celor 14 ani de cand construim aceste sisteme in Romania, ne arata ca alegerea de mai sus este intotdeauna un bilet castigator. Ecovolt utilizeaza o gama larga de panouri fotovoltaice cu grade diferite de performante si pret pentru aplicatile pe care le punem in functiune, insa pentru sistemele greu accesibile, alegem intotdeauna gradul cel mai ridicat de calitate.

Sistemul de panouri fotovoltaice a fost instalat pe o structura reglabila. Acest lucru ne va permite obtinerea unei cantitati de energie suplimentare in fiecare sezon, utilizand unghiul de expunere optim.

2. Conversia si procesarea energiei electrice produsa fotovoltaic

Odata rezolvata problema tehnica a fiabilitatii productiei de energie, va fi nevoie sa ne oprim la alegerea sistemului de conversie a energiei. Din start stim ca pentru a maximiza productia de energie si a reduce pierderile la minim, trebuie sa utilizam un regulator (controler) MPPT.  Trebuie doar sa aveti in vedere utilizarea unui regulator MPPT digital si nu a unuia analogic. Desi sunt similare ca principiu de functionare, exista o mare diferenta intre cele doua modele si tehnologii. Pentru ca acest sistem este instalat intr-o zona foarte greu accesibila, fiabilitatea acestor regulatoare este esentiala. Vom alege intotdeauna un regulator MPPT digital, fara ventilatoare incorporate pentru a elimina zgomotul si probabilitatea unei defectiuni.

Regulatoarele XW produse de Schneider Electric sunt printre cele mai performate existente in acest moment pe piata. Aceste regulatoare sunt produse de peste 18 ani pe piata, avand unul dintre cele mai avansate sisteme de incarcare a acumulatorilor. Ecovolt a instalat cateva sute de astfel de regulatoare in Romania si toate functioneaza impecabil.  

3. Sistemul de stocare a energiei

Alegerea sistemului de baterii pentru sistemele cu energie solara, va fi intotdeauna o operatiune dificila. Trecand peste analiza capacitatii de stocare si metodologia determinarii cantitatii de energie stocate, putem spune cu certitudine ca utilizarea unor baterii fara intretinere, va fi cea mai buna alegere pentru un sistem instalat intr-o zona izolata. Alegerea acumulatorilor in acest caz, se va baza mai ales pe numarul de cicli, durata de viata si rezistenta la variatia de temperatura. Nu orice tip de acumulator prezinta performantele necesare aplicatiei, iar aparitia in ultimii ani a unei game foarte variate de acumulatori pe piata, va face alegerea si mai dificila. Avem totusi cateva criterii care ne vor ajuta sa facem alegerea cea mai corecta. In primul rand trebuie sa tineti cont ca pretul unui acumulator va fi ultimul criteriu care trebuie luat in calcul. Am descoperit ca foarte multi beneficiari fac exact opusul, iar rezultatul este intotdeauna un dezastru. 

Pentru acest sistem am ales acumulatorii fabricati de Rolls Canada cu o capacitate de 200Ah. Acest model de acumulator indeplineste toate criteriile impuse de performantele cerute de la acest sistem fotovoltaic si se pliaza foarte bine pe necesitatile de energie solicitate de consumatori.  Criterile de rezistenta ohmica interna si gestiunea capacitatii de stocare la temperaturi joase, au fost definitorii in alegerea modelului de acumulator. 

4. Sistemul de transfer la 230Vac/50Hz

Asa cum am spus in repetate randuri in cadrul acestui articol, modul de acces in locatia instalarii sistemului este extrem de dificila.  Pentru alimentarea consumatorilor in curent alternativ la 230Vac a fost nevoie de instalarea unui invertor, obligatoriu cu unda sinusoidala pura, cu o putere in jur de 1500W.  Am ales invertorul produs de Phocos care realizeaza necesarul de putere impus.

Acest model de invertor este cu unda pura generata in frecventa si nu cu transformator. Desi invertoarele dotate cu transformator sunt mai performante si mai potente, in acest caz consumatorii care trebuie alimentati, nu necesita performanta impusa de invertoarele cu transformator.  Acest lucru a fost un avantaj , pentru ca invertoarele in frecventa au o greutate foarte mica in comparatie cu cele cu transformator.  Greutatea lor aducand un aport substantial la transportul sistemului in locatie. 

5. Sistemul de incarcare secundara

Sistemul de incarcare secundara a fost ales dupa mai multe analize si discutii tehnice referitoare la tipul si modelul care va necesar sa fie instalat. 

Pentru incarcarea acumulatorilor cu ajutorul unui generator diesel, am ales sa utilizam doua redresoare de incarcare in 3-trepte, conectate in paralel. Acest lucru va crea un avantaj superior, desi solutia tehnica este mai costisitoare.  Se va obtine redundanta necesara acestui sistem izolat, dar mai ales vom putea opera gradual cu incarcarea indiferent cat de deteriorat sau neproductiv va fi generatorul pe benzina sau diesel. In acest zone izolate, rareori gasim in functiune generatoare pe benzina performante. Utilizarea unor redresoare programabile ar fi impus o anumita intelegere de operare si configurare din partea beneficiarilor, ceea ce in acest caz nu era posibil. 

Acestea sunt considerentele cele mai importante care trebuie luate in calcul si modul in care ele au fost rezolvate pentru Schitul Prislopel.

Solutia tehnica aleasa in acest caz este de departe solutia optima pentru a atinge toate criterile impuse la demararea acestui proiect.

De ce nu sunt populare turbinele eoliene verticale ??

In cei 10 ani de experienta am descoperit ca unii utilizatori de turbine eoliene cu ax vertical, se opun constant tehnologiilor care utilizeza turbine eoliene cu ax orizontal, care sunt cel mai utilizate în mod normal. De asemenea ei fac o varietate de afirmatii ca in procesul de generare a energiei, se produce foarte mult zgomot, afecteaza pasările, iar alții în imaginatia lor fac din turbinele cu ax vertical o tehnologie superioară. 

Deci in esenta intrebarea este, de ce turbinele eoliene cu ax vertical (VAWT) în diferitele lor forme, sunt utilizate mai putin decat clasicele turbine cu ax orizontal (HAWT) ? 

Răspunsul scurt: 

Turbinele eoliene cu ax vertical aduc unele avantaje tehnice in detrimentul altora, și din pacate nu o fac in mod favorabil. Ele au nevoie de obicei de o arie de captarea vantului de două ori mai mare decat tubinele orizontale și de patru ori mai multe materiale pentru a genera aceeași cantitate de energie electrică comparativ cu turbinele eoliene orizontale. În acest moment, nimeni nu a fost în măsură sa incline balanta definitiv în favoarea lor, cu excepția unor situatii cu totul si cu totul izolate. Vorbind sincer, ele sunt rezolvarea unor probleme care nu exista de fapt :)

Răspunsul lung: 

Merită sa începem cu câteva exemple ale diferitelor forme de turbine eoliene cu ax vertical si iată doua modele de turbine eoliene verticale cu lame aerodinamice:

                        

Există generatoare eoliene mai puțin eficiente și mai putin silentioase, create in special pe baza unor principii foarte vechi, cum ar fi proiectarea turbinelor Savonius (numite dupa un inginer finlandez care a creat o variantă în anul 1922), din care avem un exemplu prezentat mai jos.

    

Turbinele eoliene cu ax vertical (cele simple) -au o istorie lungă, iar o versiune primitiva a fost folosita ca prima turbină eoliană pentru generarea a energiei electrice, construita de profesorul James Blyth din Scoția pentru a alimenta casa sa de vacanță din 1887. 

si aici, pentru a avea o comparație, avem un exemplu de turbine eoliene off-shore cu ax orizontal (HAWT), extrem de rafinate, cu trei pale:

Caracteristica lor principala sunt cele trei lame aerodinamice care se rotesc în jurul unei axe orizontale. 

Sustinatorii Turbinelor Eoliene Verticale (VAWT) exagereaza avantajele:

1) Fermele eoliene de putere mare pentru injectie in retea, sunt înființate în zonele în care vitezele vântului este relativ stabila, astfel încât spunad ca ele pot sa  prindă vântul din orice direcție nu este neaparat un avantaj. 

Am intalnit in numeroase cazuri ca susținătorii și inventatorii susțin că turbinele VAWT prind vântul din orice unghi, ceea ce le face mai eficiente decât turbinele HAWT. Prinderea vântului din orice direcție este doar un avantaj în situații punctuale de mici dimensiuni, cum ar fi mediul urban sau pe acoperișuri. Turbinele eoliene cu ax orizontal (HAWT) sunt realizate în zonele cu viteze ale vanturilor echilibrate, iar lamele sunt cu mult peste turbulentele de la nivelul solului, care de obicei sunt turbulențe variabile. Avantajul VAWT este  atins doar în situatii complet particulare.

2) Pentru turbinele VAWT, palele sunt rareori la un unghi optim de vânt, astfel încât acestea nu pot fi la fel de eficiente ca o turbina HAWT cu trei pale și nu va genera mai multă energie electrică.

Susținătorii și inventatorii susțin că turbinele VAWT pot genera mai multă energie electrică decât turbinele HAWT. In punctul 1 de mai sus am demonstrat ca problema e relativa, dar ce altceva vine în joc? Generarea de energie este un factor al suprafeței aerodinamice ale palelor expuse la vânt. Pentru a obtine maximum de energie la turbinele HAWTS palele acestora sunt foarte aerodinamice (unele cu pas variabil, iar suprafața lor de-a lungul lungimii lor, este proiectata pentru a ține cont de viteze diferite a vantului).  Standardul de trei pale permite aerului sa se deplaseze in direcția vântului, înainte de lama următoare sa treaca prin acelasi punct, lasand in spate curentii turbionari generati de rotire.

Schema de mai jos oferă o perspectivă cu privire la modul in care palele HAWT operează în aer:

Turbinele VAWT pe de altă parte, au dificultăți extreme in realizarea aceleiași balanțe de suprafață, aerodinamica pentru a realiza cel mai bun flux in aer. In cea mai mare parte a timpului palele nu ofera zona optimă a suprafeței de vânt din sens opus, ci mai degrabă o zona sub-optimă a suprafeței. Numai pala din față ataca corect aerul atunci când lamele se rotesc. De obicei se obtine un aer foarte turbulent cu randament mult mai mic de aerodinamica. 

Acest grafic ilustrează în mod clar zonele de turbulență la partea din spate a turbinei.

Sansele ca o turbine VAWT de suprafață echivalenta , sa genereze mai multă energie ca o turbina HAWT cu trei pale sunt practic zero, iar ei de obicei, vor folosi patru ori mai mult material pentru a genera jumătate din energia electrică.

3) Turbinele HAWT nu se defecteaza aproape niciodata din cauza stresului lateral, iar turbinele VAWT genereaza de obicei o uzura foarte asimetrica pe rulmenți lor.

Susținătorii și inventatorii susțin că turbinele VAWT produc mai puțin stres pe pilon. În prezent, turbinele VAWT nu generează suficientă electricitate pe care putem sa o evaluam si sa sustinem ca sunt mai perfomante dect turbinele HAWT. In schimb costurile induse de turbinele VAWT cu levitatie magnetica a lagarelor, sunt la nivel foarte ridicat.

4) Turbinele HAWT sunt mult mai sislentioase decat versiunile vechi, iar turbinele eoliene moderne genereaza de 10 ori  mai puțin zgomot decât cele mai vechi turbine eoliene aflate in uz.

Susținătorii și inventatorii susțin că turbinele VAWT sunt mai silențioase. Aceasta este un lucru inca nedovedit.Caracteristicile de zgomot sunt nedefinite încă. O turbina eoliana de 4,5 MW este doar cu 1 dB sau 2 dB mai zgomotoasa decât o turbină de 1,5 MW , si este mult mai silentioasa decât o turbina veche de 600 kW. Turbinele  VAWT nu s-au dovedit a fi mai silentioase și se află în concurență cu tehnologia care este deja foarte evoluata. 

5) Pentru a genera aceeași energie electrică, turbinele VAWT ar trebui să fie la fel de înalt ca turbinele HAWTs, astfel încât impactul vizual va fi practic identic. 

Susținătorii și inventatorii susțin că turbinele VAWT au un impact vizual mai mic. Acest lucru este valabil numai pentru generatoarele eoliene mai mici, situate mai aproape de sol, care ar fi valabil și pentru turbinel HAWT mai mici, de asemenea. Acest lucru este un punct foarte subiectiv. 

Există un model de turbina cu ax vertical  (VAWT) care a revendicat un anumit avantaj prin faptul că se auto-stabilizeza la 27 de metri pe secundă, permițând ca acest model să fie utilizat pentru generarea de energie electrica în zone cu frecvente vânturi foarte puternice. Desigur, turbinele HAWT de mare putere au sisteme de control care frânează automat și opresc palele in aceste conditii, fără nici un fel de problemă, dar turbinele HAWT mici, nu au aceste sisteme de control. Este o nișă, care merită luat în considerare.

Performanta sistemelor cu hidrocentrale - proiecte individuale

      Sistemele cu hidrocentrale au reprezentat intodeauna optiunea valabila pentru producerea curentului electric. Exista mai mai multe tehnologii pentru implemementarea acestor sisteme, insa cele mai utilizate sunt turbinele hidro Pelton, Turgo, Francis sau Kaplan. Fiecare din aceste tehnologii inglobeaza angrenajele mecanice si electrice care permit producerea curentului electric. Daca in cazul Pelton sau Turgo avem nevoie de debite mici de apa si diferente de nivel ridicate, pentru tehnologia Francis este exact pe dos. 



Sistem cu turbine Pelton 

Video cu sistemul inslatala la Viseul de Sus 

Sistem cu turbine Turgo 

Video cu sistemul instalat la Busteni - centru de instruire energie verde

Sistem cu turbine low-head Francis 

Video cu sistemul instalat la Baile Herculane - pastarvarie si pensiune

Bateriile cu plumb in cadrul sistemelor cu energie solara,eoliana si hidro, vor rămâne cele mai populare tehnologii in anul 2015

Ati observat desigur ca foarte multe tari au inceput in urma cu cativa ani, sa taie subvențiile pentru utilizatorii de panori fotovoltaice legate la rețea (cu injectie), iar un număr tot mai mare de proprietari investesc în acumulatori pentru a stoca energia din surse regenerabile atat fotovoltaice sau eoliene dar si microhidrocentrale, folosind banii pe care îi pot salva din facturile la utilități. Deci va intrebati ce tehnologie de stocare vor prefera acesti utilizatori? În prezent, acumulatorii cu plumb-acid cu electrolit lichid și acumulatorii cu plumb-acid sigilati in tehnolgie GEL sau AGM au cea mai mare cota de piata, urmate de baterii cu celule litiu-ion în anumite aplicații. Bateriile litiu-ion ofera densitate mare de energie per Kg și necesarul de de întreținere foarte redus, iar acesti doi factori au contribuit la dominația lor de pe piața electronicelor portabile. Cu toate acestea, costul tehnologiei litiu-ion - de multe ori peste 60.000 de Euro, pentru a realiza o baterie de backup pentru o casă de dimensiuni medii - le face prohibitive în majoritatea sistemelor cu energie alternativa. În plus, bateriile litiu-ion contin materiale toxice, care trebuie să fie obligatoriu eliminate în depozitele de deșeuri speciale. Deci, din pacate aceste baterii care sunt proiectate pentru a stoca energie verde, de fapt vor afecta mediul. Bateriile cu plumb in acest moment sunt cele mai populare sisteme de stocare a energiei pentru energia din surse regenerabile. Avem dovada celor peste 100 de ani de cand utilizam aceasta tehnologie. Datorită flexibilitatii și a duratei lor în utilizare, știm că nu e nici un pericol de colaps al acestei industrii in urmatorii ani. Inovatiile din ultima perioada au facut ca inginerii care proiecteaza baterii sa dezvolte procesul de fabricație și de proiectare, fiind în măsură sa reduca costurile, marind calitatea, fiabilitatea și durata de viață. Trebuie sa stiti ca aceste baterii plumb-acid sunt 97% reciclabile - avand cel mai mare procent de reciclare a oricărui produs. Poate pentru unii este surprinzator dar este total adevarat. Deoarece bateriile din sistemele cu energie alternativa, sunt supuse unor condiții de funcționare brutale, unele baterii se încadrează intr-o zona cu durata mica de viață, performanță și valoare. De aceea, una dintre cele mai mari schimbări din industrie producatoare a bateriilor este în implementarea proceselor automatizate de fabricație, pentru a produce baterii avansate in tehnologie plumb-acid. Aceasta schimbare a dus la un control computerizat al calității iar asamblarea robotizata poate produce acumulatori care dureaza mai mult si care sa livreze mai multă putere. Fabricile traditionale de baterii plumb-acid au petrecut zeci de ani îmbunătăți proiectele lor. Dar chiar și bateria cea mai bine proiectata si realizata, va muri mai devreme sau mai tarziu și va performa - sub valoarea optima - în cazul în care este forțata să funcționeze la temperaturi extreme. În mod ideal, baterii plumb-acid ar trebui să fie utilizate la temperaturi de 25 ° C. Cu toate acestea, multe sisteme cu energie alternativa, expun in perioada de vara bateriile la o temperatura de 35°- 38° C sau mai mult, și iarna la temperaturi de inghet. Aceste condiții extreme toate baterile pierd din capacitatea lor de stocare și de asemenea aceste conditii poate reduce durata de viață a bateriei cu mai mult de 50%. De aceea, chiar și bateriile cele mai performante din lume, trebuie să fie protejate ,acesta fiind un factor cheie a duratei lor de viață. In acest moment cel mai important eveniment a fost , dezvoltarea pentru prima dată a unei structuri prefabricate de sine statatoare pentru a proteja bateriile și alte componente ale sistemului de energie alternativa, de fenomene meteo si temperaturi extreme. Datorită eficienței lor dovedite, un raport cost/beneficii pozitiv și sustenabilitatea mediului, aceste baterii cu plumb-acid vor rămâne cea mai populara tehnologie pentru piata energei alternative. Variante posibile : http://www.lpelectric.ro/ro/products/battery_ro.html

Sistem fotovoltaic off-grid - Sala polivalenta Cluj Napoca

Mai multe informatii la http://www.ecovolt.ro si la http://www.lpelectric.ro