Elektrotehni čki Fakultet Univerziteta u Beogradu

1. Elektrotehnički Fakultet Univerziteta u Beogradu PRVI DOMAĆI ZADATAK Grupa 4: Specijalne Električne Instalacije Ivan Spasić 02/132 Jovan Dobrota 02/479 Miloš Petrović 03/286

2. Zadatak: Kompleks obradivog zemljišta pokriven je sistemom za odvodnjavanje, korišćenjem “vakuum crpki”, koje pokreće asinhroni motor. Vakuumiranje počinje automatski traje određeno vreme koje zavisi od snage motora. Data su tri motora: istih karakteristika: cos  = 0.86,  = 0.88, Un = 1 x 220 V. Telekomunikacioni interfejs i automatika za merenje nivoa i upravljanje crpkom ima konstantnu potrošnju snagom 100 W u toku merenja, koje se vrši na 15 min i traje 10 sekundi. Pogonski motor i automatika se snabdevaju električnom energijom iz baterije električnih akumulatora, preko invertora(inv = 0.9)Najkraći period između dva vakuumiranja je 30 dana.Baterija od 6 ćelija tipa CH-108 se napaja iz solarnog generatora tipa SM-10 ili vetrogeneratora. Najmanja dohodovnosti sunčanog generatora u toku zimskih 10 dana ima minimalna dohodovnost sunčanog generatora (Qmin); u toku narednih 20 dana solarni generator ima toliku dohodovnost da je ukupna dohodovnost u toku meseca 30 Qsr .

3. Tokom kratkotrajnog pražnjenja usled rada crpke se do određenog stepena iskoristi kratkotrajni kapacitet baterije. Preostali kapacitet u Ah za dugotrajno pražnjenje (desetočasovno) je jednak preostalom procentualnom kratkotrajnom kapacitetu pomnoženom sa nominalnim dugotrajnim (desetočasovnim) kapacitetom. Karakteristike solarnih generatora: Karakteristike olovnih akumulatora: Potrebno je izabrati motor koji najbolje odgovara rešenju i pronaći komercijalni vetrogenerator koji se može koristiti umesto solarnog ya napajanje baterije

4. Blok-šema sistema sa oba obnovljiva izvora Vetro- generator Baterija akumulatora Motor Solarni generator

5. Rešenje sa solarnim generatorom kao izvorom Na raspolaganju su nam tri različita motora za pokretanje“vakum crpki” koji se razlikujupo nominalnoj snazi i vremenu potrebnom za odvodnjavanje.Od brzine njihovog rada zavisi kojombrzinom će uzimati energiju iz baterije akumulatora preko invertora.Kako kapacitet baterije zavisiod struje kojom će se vršiti pražnjenje i od vremena za koje će se to izvršiti jasno je da će u zavisnosti od izbora motora i energetske prilike biti različite. Ako kao uslov pravilnog rada sistema uzmemo to da telekomunikacioni interfejs i automatika imaju dovoljno energije u bateriji u svakom trenutku onda će kritičan period u radu sistema biti u zadatku pomenutih deset dana u toku zimskog perioda kada će dohodovnost solarnog generatora biti najslabija pa će i po prestanku rada motora ostati najmanje energije.  Dakle, proračun ćemo vršiti za pomenutih kritičnih 10 dana!

6. Da bi motor mogao da se primeni u ovom sistemu potrebno je bude ispunjena nejednakost: • 10· (Qtel,aut/dan - 0.9Qmin) < Qpreostalo/10h gde je: Qtel,aut/dan - kapacitet baterije koji se potrosi za napajanje telekomunikacionog interfejsa i automatike u toku jednog dana Qmin- dnevna dohodovnost solarnog generatora u kritičnom desetodnevnom periodu( koeficijent 0.9 predstavlja prosečnu iskoristivost olovnih akumulatora) Qpreostalo/10h - preostali desetočasovni kapacitet baterije akumulatora posle rada motora  Dakle, potrebno je da nakon rada motora u bateriji ostane dovoljan deo njenog dugotrajnog 10-časovnog kapaciteta da to,uz dobitak energije od strane solarnog generatora,bude dovoljno za budući rad elektronike u kritičnih deset dana!

7. Proračun potrošnje svakog od motora u toku jednokratnog rada i preostala količina naelektrisanja u baterijama: • MOTOR 1 : • P1= 1100 W , η= 0.88 , ηinv= 0.9 , Ubat= 12V • Struja motora tokom njegovog rada je: • A, iskorišćeni 15-minutni kapacitet za to vreme je: • Qmotor1 = I1· trada = 115.74 A ·0.25h = 28.93Ah ,jer motor izvrši prepumpavanje za 15 minuta. Nakon rada motora u bateriji ostane: Qpreostalo1= Q15min - Qmotor1 = 31.5Ah - 28.93Ah = 2.57Ah , za 15-minutno pražnjenje, dok to pretvoreno u dugotrajno 10-časovno pražnjenje iznosi:

8. Motor 2 : P2= 550 W , η= 0.88 , ηinv= 0.9 , Ubat= 12V, dobija se: I2 = 57.87A Qmotor2 = 28.935Ah Qpreostalo2 = 23.565Ah , i Qpreostalo2/10h = 62,4Ah I za: Motor 3 : P3= 300 W , η= 0.88 , ηinv= 0.9 , Ubat= 12V, dobija se: I3 = 31.56A Qmotor3 = 28.935Ah Qpreostalo3 = 39.815Ah , i Qpreostalo3/10h = 80,49Ah s tim, što smo ovde 55-minutni kratkotrajni kapacitet Q55min ,koji nije dat u katalogu, dobili interpolacijom između vrednosti Q60min i Q30min iz kataloga!

9. Telekomunikacioni interfejs i automatika se prema uslovu zadatka napajaju preko invertora i totako sto se uključuju na svakih 15 minuta,dakle četiri puta u toku sata,i rade po 10 sekundi štodaje ukupan rad od 40 sekundi u toku sata konstantnom snagom od 100W.Pri tome se ima struja: • i u jednom danu se iz baterije potroši: Qtel,auto/dan = 24h··9.26A = 2.47Ah , a toku čitavih 30 dana: Qtel,auto/30dan = 30·2.47Ah = 74.08Ah Sada se moze izvršiti ispunjenost uslova pravilnog rada: 10· (Qtel,aut/dan - 0.9Qmin) < Qpreostalo/10h za svaki od motora pojedinačno: Za Motor 1 : 10· (Qtel,aut/dan - 0.9Qmin) < Qpreostalo1/10h 10· (2.47Ah - 0.9·0.8Ah) < 11.34Ah 17.5Ah <11.34Ah ,znači ovaj motor ne možemo izabrati!

10. Za Motor 2 : 10· (Qtel,aut/dan - 0.9Qmin) < Qpreostalo2/10h 10· (2.47Ah - 0.9 ·0.8Ah) < 62.4Ah 17.5Ah < 62.4Ah , znači ovaj motor možemo izabrati! Za Motor 3 : 10 · (Qtel,aut/dan - 0.9Qmin) < Qpreostalo3/10h 10 · (2.47Ah - 0.9 · 0.8Ah) < 80.49Ah 17.5Ah < 80.49Ah , znači i ovaj motor možemo izabrati! Motori nominalnih snaga 550W i 300W zadovoljavaju uslove pravilnog rada sistema i mogu se primeniti,međutim prema uslovima zadatka treba izabrati onaj koji izvrši prepumpavanje za kraće vreme a to je motor snage 550W! Može se još proračunati koliko će u bateriji akumulatora ostati naelektrisanja za dugotrajno 10-časovno pražnjenje nakon 30 dana, a dan pre mogućeg ponovnog uključenja motora,u zavisnosti od primenjenog motora: Qbat2/30dan/10h = 30 · Qsr + Qpreostalo2/10h - Qtel,auto/30dan =102.32Ah za Motor 2 , i Qbat3/30dan/10h = 30 · Qsr + Qpreostalo3/10h - Qtel,auto/30dan =120.41Ah , za Motor 3.

11. Ako bi se desilo da odmah po isteku 30 dana startuje sa radom izabrani motor za njegov rad bi u bateriji akumulatora bilo: za Motor 2,dok je za Motor 3: Vidimo da je: i da je: što znači da će bilo koji motor koji izaberemo imati dovoljno energije za rad ako se uključi posle tačno 30 dana

12. Rešenje sa vetrogeneratorom kao izvorom

13. Opšte o Vetru i Vetrogeneratorima • Vetar predstavlja značajan resurs u proizvodnji električne energije • Spada u obnovljive izvore energije • Ne zagadjuje životnu sredinu • Tehnologija vetrogeneratora je prošla dalek put, a najviše je napredovala u poslednjih 10 godina! • Vetar stvara 200 puta više energije nego što je danas svetu potrebno! • Vetroturbine se lako instaliraju kako na kopnu tako i na moru! • Brzina gradnje farme vetrogeneratora maksimalno 1-2 godine

14. Jedna velika vertroturbina može snabdevati nekih 1000 domaćinstava električnom energijom npr. u Danskoj je 2002. sagradjena farma od 80 vetrogeneratora koja napaja grad od 150000 stanovnika! Tehnički detalji: Mehanika Vetroturbina: Visina stubova vetrogeneratora od 10 – 200m! Uglavnom se koriste vetrogeneratori sa 3 lopatice (elise) Ali, postoje i sa dve i sa jednom! Problem! potreban je teg  Problem  Veličina lopatice

15. I najzad elektro karakteristike: Generatori koji se koriste kao vetrogeneratori: • Vetroturbina sa indukcionim generatorom sakaveznim rotorom za konstantne brzine(fixed-speed) Najčešćese sreće tamo gde sevetrogenerator direktno priključuje namrežu (bezinvertora!). Brzina obrtanja rotora, odnosno klizanje,se menjaju u zavisnosti od generisane snage. Aliipak supromene brzine male i kreću se u granicama1 do 2%. Najčešće se koristi generator kojiradi na dve, ili više, brzina promenom broja paripolova statorskog namotaja, ili čak dva generatora,jedan manje snage za manje brzine vetra, a drugi veće snage za veće brzine. Postoji i rešenje sa otporom na strani rotora gde brzina moze biti i do 10%. Mane: treba mu reaktivna snaga, pa se koriste kondezatori, nije je moguće koristiti pri turbulentnim brzinama vetra, jer bi došlo do varijacije snage! Prednost: jednostavnost!

16. Vetroturbina sa sinhronim generatorom sa promenljivim brojem pari polova • Radi sa punim opsegom brzina.Dobro upravljanje.Česta u ponudi proizvodjača. Manja brzinaniži napon, pa koristi čoper! Nema reduktor. Gubici 2-3% generisane snage! • Vetroturbina sa indukcionim generatorom sa kaveznim rotorom za pun opseg brzina (variable speed) Redje se sreće. Ima menjač izmeđuosovine vetrenjače i vratila generatora. Prednosti: jednostavnost i cena. Mane: potrebni su veliki kondezatori i 3% su gubici generisane snage • Vetroturbina sa dvostruko napajanim indukcionim generatorom (namotanim rotorom) Za snage preko 1MW. Ima konvertorinvertor kombinaciju za nadoknadjivanjem energije rotoru. Kada je brzina bliska sinhronoj stator je priključen na mrežu. Manje brzinedopuna rotora, veće brzinedeo energije vraća mreži! Kolo rotora uvek povezano na mrežu preko konvertor-invertor veze. Mali gubici 0.6-0.9%. Kvarovi. Problem starta.

17. Unutrašnjost vetroturbine 1. Elisa (lopatica) 2. Kapa sa 3 elise 3. Mogućnost okretanja 4. Kočnica 5. Osovina male brzine 6. Menjač 7. Generator 8. Kontroler 9. Anemometar 10. Vetrokaz 11. Korpa vetroturbine 12. Osovina velike brzine 13. Pogon za skretanje 14. Motor skretnog pogona 15. Toranj

18. Cene i proizvodjači vetrogeneratora  Vetrogeneratori se proizvode u opsegu snaga od 1kW (za kućnu upotrebu na primer ili neke male potrošače) do 6MW (za mrežu) • Vodeći svetski proizvodjači vetroturbina: • Gamesa Eolica, Nordex, Enercon, Vestas, Micon, De Wind, Bergey..... • Enercon je postavio(postavlja, oktobar 2007) vetroturbinu od 6MW snage (model E-126) ukupne visine 198m! • Cena: • 1000-1500 $ po kW instalisane snage •  Zanimljivost: Potencijal proizvodnje el. energije iz vetra u Srbiji 15000 MW godišnje (2006 godina, podaci iz publikacije FACTA UNIVERSITATIS (NIŠ ))

19. Izbor vetrogeneratora za rešenje zadatka • U proračunu zadatka smo koristili model vetroturbine Bergey BWC XL.1 od 1kW američkog proizvodjača Bergey, koji se usko specijalizovao za proizvodnju vetroturbina malih snaga u komercijalne svrhe od 1kW do nekih 15kW. • Model Bergey XL.1 je snage 1000W, generator je sinhroni sa permanentnim magnetima koji indukuje trofazni sistem napona na napokretnom namotaju vezanom za osovinu generatora.Okolno kućište koje rotira sastoji se od stalnih magneta.U samom generatoru nalazi se trofazni ispravljač tako da se na izlazu dobije napon 24V DC. Performanse iz prospekta proizvodjača 

20. Proračun smo radili za najkritičniji period, od X-III meseca, dakle zimi! Karakteristika vetra na našoj lokaciji je data na slici  Karakteristika vetrogeneratora koju daje proizvodjač  Pa dobijamo sledeću tabelu

21. Dakle, na dnevom nivou generator daje nešto preko 6kWh • Teoretski u bateriju akumulatora bismo mogli akumulisati: • Wbat/dan = 0.7·6060Wh = 4242Wh električne energije, • a pretvoreno u kapacitet: • Qbat/dan = Napomena: koeficijent 0.7 je stepen energetskog iskorišćenja olovnog akumulatora! Najkritičniji period u toku dana je kada je brzina vetra manja od 3m/s, a to je period od 9h do 12h! U ovom periodu telekomunikacioni interfejs i automatika potroše: Qtel,auto/sat = ·9.26A = 0.102Ah ,a to je za 3 sata Qtel,auto/3sat = 3 · 0.102Ah = 0.306Ah što je još uvek dosta puta manje od preostalog kapaciteta posle rada motora: Qpreostalo1/10h = 11.34Ah, Qpreostalo2/10h = 62,4Ah Qpreostalo3/10h = 80,49Ah Dakle, izabraćemo motor snage 1100W!!!

22. Regulacija Uz vetrogenerator proizvođač isporučuje uređaj koji sadrzi svu neophodnu elektroniku za optimalno upravljanje sistemom(tzv. PowerCentar) čime se reguliše brzina generatora,upravlja se viškom energije(poseduje otpornik za trošenje viška) a u slučaju da je višak energije previsok generator se usporava i konačno pusti se da radi u praznom hodu uz kontrolu brzine zbog mogućnosti mehaničkih oštećenja.

23. Za potrebe rešavanja zadatka korišćene su informacije: www.windpower.orgwww.nordex-online.com www.windpower.comwww.gamesa.es www.enercon.dewww.vestas.com www.bergey.com ees.etf.bg.ac.yu (opšta energetika) Kao i fajlovi: Predavanja iz specijalni instalacija časovi 13-15 Prospekt i uputstvo proizvodjača Bergey (fajlovi XL1.Spec.pdf i XL1.Tilt.IM.4.pdf) BEST bilten (januar 2003) i CleanEnergyTourSerbia (CleanEnergyTour_Exh_Serbia.pdf)