Perspektywy inteligentnego dołączania nieznanych źródeł energii

Turbina wiatrowa z prądnicą synchroniczną jako przykład współczesnego źródła energii elektrycznej 

Prądnicą synchroniczną nazywa się maszynę prądu przemiennego, w której strumień magnesów wiruje synchronicznie ze strumieniem twornika, a więc której prędkość obrotowa jest ściśle zależna od liczby par biegunów i częstotliwości. Przy znamionowej prędkości obrotowej i znamionowym obciążeniu na zaciskach prądnicy uzyskiwane jest napięcie znamionowe, natomiast przy dalszym wzroście prędkości obrotowej napięcie na jej zaciskach nadal rośnie, gdyż sama prądnica nie jest wyposażona w żaden ogranicznik prędkości obrotowej czy napięcia [4, 6].

Schemat zastępczy dla układu turbiny wiatrowej napędzającej prądnicę synchroniczną przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Schemat zastępczy prądnicy napędzanej przez turbinę

 

Ponieważ SEM = c_p · i_w · ω , wówczas transmitancja dla układu przyjmuje postać:

                                                 U(s)                    R_{0 ·} c_p · ω
                                              ———— = ——————————————
                                               U_w(s)       (sL + R + R₀) (sL_w + R_w)

Schemat elektrowni wiatrowej przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 4. Schemat elektrowni wiatrowej [7]

Najważniejszym elementem jest inwerter. Nie tylko przetwarza prąd stały na prąd przemienny, ale i reguluje napięcie i częstotliwość. Taka synchronizacja jest konieczna dla bezproblemowego działania urządzenia, ale przede wszystkim wymagana przez zakład energetyczny dla bezpieczeństwa funkcjonowania sieci elektroenergetycznej [7].

Nowe rozwiązanie w zakresie używania prądnic w elektrowniach wiatrowych powstało w BOBRMEKomel. Opracowano tam prototyp nowoczesnego, wolnoobrotowego generatora synchronicznego z magnesami trwałymi, przeznaczonego do zastosowania w małych i bardzo małych elektrowniach. Generator ten jest przyłączany do sieci energetycznej za pośrednictwem dedykowanego przemiennika częstotliwości. Zastosowanie nowoczesnego rozwiązania zespołu prądotwórczego (generator synchroniczny + przemiennik częstotliwości) skutkuje znaczącym podniesieniem sprawności wytwarzania energii elektrycznej w tychże elektrowniach.

Poprawa sprawności jest uzyskiwana poprzez [5]:

• wprowadzenie możliwości płynnej regulacji prędkości obrotowej turbiny w szerokim zakresie, stosownie do zmian warunków w miejscu zainstalowania turbiny;
• zastąpienie generatora asynchronicznego klatkowego wysokosprawnym generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi;
• wyeliminowanie przekładni mechanicznej między turbiną a generatorem (generator i turbina montowane są na wspólnym wale);
• oddawanie mocy do sieci przy wysokim współczynniku mocy.

Dołączanie znanego źródła energii 

Rozróżnia się dwa rodzaje systemów dołączania źródeł energii do istniejącej instalacji elektrycznej [8]:

a) systemy autonomiczne, niedołączone do sieci (ang. off-grid)

• oddalone od sieci (ang. away from the grid lub stand-alone),
• z możliwym dostępem do sieci (ang. within reach of the grid);

b) systemy dołączane do sieci (ang. on-grid)

• rozproszone (moc rzędu kilku kilowatów),
• scentralizowane (moc rzędu megawatów) – (ang. power plants).

Wemach autonomicznych (rys. 5) sposób podłączenia źródła zależy od jego charakterystyki wyjściowej. Źródła stałoprądowe, takie jak panele PV czy ogniwa paliwowe, dołączane są poprzez falownik DC/AC do sieci. W przypadku źródeł zmiennoprądowych (turbina wiatrowa, turbina wodna, generator spalinowy) należy pamiętać o regulatorze napięcia (transformatorze), aby zapewnić odpowiednie parametry napięcia, takie jak panują w sieci. Opcjonalnie można dołączyć także akumulatory z regulatorem ładowania, aby móc nadwyżkę wygenerowanej energii zmagazynować i wykorzystać w przypadku jej niewystarczającej ilości z bieżącej produkcji [8].

Rys. 5. Schemat systemu off-grid [8]

W przypadku systemu podłączonego do sieci elektroenergetycznej należy jeszcze dołączyć licznik energii (rys. 6). Akumulatorem energii jest w tym wypadku system elektroenergetyczny, jednak można także dołączyć własne magazyny energii. Zaletą systemu on-grid jest stabilizacja pracy źródła i opłacalny odbiór produkowanej energii, natomiast wadą – uzależnienie pracy źródła od stanu sieci oraz konieczność spełnienia przez infrastrukturę elektrowni wielu wymagań związanych z ich współpracą [8, 9].

Rys. 6. Schemat systemu on-grid [8]