Universitatea POLITEHNICA BucurestiFacultatea de Stiinte Aplicate

Studiul unei pico-hidrocentrale folosite pentru alimentarea unui consumator izolat

Autori:Dragos BordescuElena Teleanugrupa 1342

Profesor coord.Laurentiu Fara

1

Cuprins

1.Introducere.........................................................................................................................................2

2.Notiuni generale prinvind constructia unei picohidrocentrale...........................................................4

2.1 Proiectarea unei picohidrocentrale.............................................................................................4

2.2 Componente................................................................................................................................5

2.2.1 Componente civile................................................................................................................6

2.2.2 Componentele statiei de generare a energiei electrice........................................................8

2.2.3 Sistemul de transmisie........................................................................................................12

2.2.4 Controlere electronice........................................................................................................13

2.2.5 Reteaua de transmisie/ distributie.....................................................................................13

2.3 Tipuri de sisteme.......................................................................................................................14

2.3.1 Sisteme bazate pe baterii...................................................................................................14

2.3.2 Sisteme AC..........................................................................................................................15

2.3.3 Sisteme hibride...................................................................................................................15

3.Simularea unei picohidrocentrale folosind Matlab/Simulink............................................................16

3.1 Modelarea turbinei penstock....................................................................................................16

3.2 Simularea dispozitivului de comanda........................................................................................17

3.3 Modelarea dispozitivului alternatorului AC1A...........................................................................18

3.4 Simularea picohidrocentralei.....................................................................................................19

3.5 Rezultate obtinute.....................................................................................................................20

4.Concluzii...........................................................................................................................................21

BIBLIOGRAFIE......................................................................................................................................22

2

1.Introducere

Hidrocentrala este o centrala electrica folosita pentru a transforma energia mecanica produsa de apa in energie electrica. Dat fiind ca hidrocentralele folosesc ca sursa apa unui rau de cele mai multe ori,aceasta urmandu-si cursul ulterior, aceste centrale pot fi trecute in categoria surselor de energie regenerabila.

Modul de functionare este urmatorul: printr-un lac de acumulare a apei pe cursul unei ape curgatoare se realizeaza acumularea de energie potentiala care se trasforma in energie cinetica prin rotirea turbinei hidrocentralei.Aceasta miscare de rotatie este transmisa generatorului care transforma energia mecanica in energie electrica.

Energia hidroelectrica (alaturi de energia eoliana) este cu siguranta cea mai raspandita si cea mai matura aplicatie a energiei regenerabile. 22%din productia mondiala de energie provine de la hidrocentrale, multe dintre ele sunt hidrocentrale de putere mica (SHP) care produc mai putin de 10 MW; sunt mai mult de 17400 de astfel de hidrocentrale in Europa.Energia hidroelectrica se bazeaza pe o tehnologie matura care a evoluat in ultimii 100 de ani.

Puterea unei hidrocentrale este determinata de debitul de apa, de diferenta de nivel si de randamentul hidraulic si al echipamentului. Hidrocentralele moderne au un randament ridicat datorita turbinelor si generatoarelor care pot realiza un randament de pana la 90 %.

Vom numi pico-hidrocentrala, o hidrocentrala ale carei turbine dezvolta o putere mai mica de 10kW (dupa unele surse chiar sub 5kW;diferentierea intre micro- si pico- hidrocentrale nefiind foarte clara este necesar ca pentru fiecare proiect sa fie specificata puterea). Curentul electric obtinut cu ajutorul acestor centrale este rareori pompat in reteaua energetica, ci de cele mai multe ori furnizeaza energie electrica unor comunitati mici sau ateliere.

Pico-hidrocentrala este singura formă de producție de mici dimensiuni de energie regenerabilă, care funcționează continuu, fără depozitare intr-o bateriei. Unde este fezabila, este soluția cea mai rentabilă de a furniza energie electrică. Turbinele pico pot furniza energie pentru grupuri mici sau chiar gospodării unice.

Aprovizionare hidroelectrica individuala reduc eforturile de organizare ale unei comunități. Identificarea, planificarea și gestionarea are o proporție mai mare din eforturilor de instalare cu cat devin mai mici proiectele. Pentru mai puțin de consumatori, specialiștii fac eforturi similare în accesarea locatiilor si realizarea proiectelor. Pe de altă parte, instalatiile mici sunt de multe ori realizate chiar de catre beneficiaruii lor. Folosindu-se de materiale informative si cu indrumarea unui magazin local, consumatorii ar pute sa isi instaleze propriile pico-turbine.

Pentru inceperea unui astfel de proiect este necesar sa avem o locatie potrivita, acces la echipamente nu foarte costisitoare si instructiuni de instalare. In multe tari se intalnesc solutii improvizate, in care o roata de apa este cuplata la un alternator de masina pentru a produce curent electric. produsele profesionale ar creste eficienta acestor instalatii, precum si siguranta lor.

3

In imaginea de mai jos sunt figurate principalele tipuri de pico-hidrocentrale, in care termenul head se refera la inaltimea de la care cade apa pe paletele turbinei, iar termenul flow se refera la debitul apei. in functie de sursele de apa pe care le avem la dispozitie putem alege solutia potrivita

In general, o turbina cu curgere transversala (crossflow) are o gama larga de aplicatii si tolerante mai mari la reziduurile din apa.

Turbinele improvizate sunt de obicei de tipul rotilor de apa sau a turbinelor cu palete. Conceptul unor tevi presurizate situate sub capete de apa inalte nu este la fel de intalnit, posibil din cauza necesitatilor de mediu. Tevile trebuie sa fie suficient de lungi (20-60 m) astfel ca intalatia necesita un teren mai intins.

4

2.Notiuni generale prinvind constructia unei picohidrocentrale

2.1 Proiectarea unei picohidrocentrale

Formele naturale de energie hidraulica sunt in fapt caderi de apa de la cote de nivel diferite .Transferul energetic presupune in fapt transformarea energiei potentiale a apei de la cota h1 in energie cinetica si energie potentiala corespunzatoare cotei h2.Ea poate fi realizata si artificial prin pomparea unei cantitati de apa de la o cota inferioara la una superioara, realizând la cota superioara acumulari.

Sistemul e folosit pentru realizarea unor centrale care debiteaza in regim constant.In golul de sarcina, puterea disponibila este folosita pentru pompare, respectiv pentru refacerea rezervei de apa.La vârf de sarcina se foloseste acumularea pentru memtinerea centralei la un nivel de productie constant.Deasemenea, se poate pompa apa dintr-o acumulare, peste o cota superioara, daca pe urma aceasta este folosita prin cadere la o centrala pozitionata sub cota acumularii din care se pompeaza.

Consideram :un volum de apa V [m3],cu densitatea γ= 1 t/m3, nivelul superior al caderii h1[m], nivelul inferior al caderii h2[m]In acest caz lucrul mecanic efectuat este:

L=γ ∙V (h1−h 2 )=γ∗V∗H

Daca tranzitarea volumului de apa V se face in timpul t, rezulta debitul:

Q=Vt

Puterea curentului de apa este data de formula:

Papa=Lt=γ∗Q∗H

După mărimea căderii deosebim:–amenajari de joasa presiune H<15 m–amenajari de medie presiune când 15 m < H < 50 m–amenajari de inalta presiune H> 50 mDaca un volum de apa V dintr-un bazin superior este trecut prin turbine intr-un bazin

inferior, Hs fiind diferenta dintre centrele de masa ale volumelor de apa din cele doua rezervoare, se obtine energia electrica :

L=γ∗V∗H∗ηt∗ηG∗η tr

unde ηt= randamentul turbinei ηG= randamentul generatorului ηtr= randamentul transformatorului

Pentru a determina potentialul energetic al apei curgatoare dintr-un rau sau parau este necesar sa se determine atat debitul cat si caderea de apa.

Debitul este cantitatea de apa care curge prin dreptul unui punc tintr-o perioada de timp data. Unitatile de masura folosite sunt: l/s si m3 /s.

5

Caderea este inaltimea verticala, in metri, de la turbina (punctul in care energia este extrasa din apa) pana in punctul unde apa intra in canalulde admisie.

Energia se pierde atunci cand est econvertit adintr-o forma in alta. Turbinele relativ mici au in foarte putine cazuri un randament mai mare de 80%; restulde 20% este datorat pierderilor prin energie cinetica si zgomot. Se va pierde si energie prin tevi sau canale datorita frecarii. Printr-o conceptie atenta aceste pierderi pot fi minimizate.

2.2 Componente

Pico-hidrocentralele au cateva componente generale caracteristice tuturor instalatiilor, si componente specifice ce pot fi intalnite de la caz la caz.

Compoentele principale ale unui sistem sunt:-o turbina care converteste energia data de apa care curge sau cade pe paletele ei in

energie mecanica transmisa unui generator care ulterior o va transforma in energie electrica-un mecanism de control care sa ofere energie electrica constanta in timp-circuite de transmisie a energiei electrice la consumator/consumatori.In functie de proiect, anumite componente specifice pot fi necesare:-un baraj pentru a devia curgerea apei de la cursul ei normal-un canal sau o conducta pentru a conduce curgerea apei -un bazin de acumulare si un filtru pentru a retine grohotisuri sau alte resturi purtate

de apa, prevenind astfel eventuala blocare a turbinei -o conducta penstock care sa transporte apa catre centrala electrica-o turbina care sa transforme puterea apei in curent electric-un sistem care sa trimita apa inapoi pe cursul raului.Componentele pot fi clasificate in trei categorii:-componente ce tin de constructiile civile (baraje,stavilar,bazin de acumulare si de

decantare a malului,conducte penstock, statia generatoare si sistem de recirculare a apei)-componentele statiei generatoare (turbine,generatoare, transmisia,controlere)-retea de transmisie si distributie.

Fig.1 Schema generala a unui sistem pico-hidro

6

Cele mai multe hidrocentrale de dimensiuni mici functioneaza in regim „of river” ceea ce inseamna ca nu sunt construite baraje sau rezervoare de stocare a apei si nu este inundat terenul. Este folosita doar o parte din din debitul disponibil la un moment dat, ceea ce face ca aceste constructii sa aiba un impact minim asupra mediului.Cantitatea de energie care poate fi captata depinde de debitul apei si de inaltimea de la care cade aceasta.(pune in alta parte).

2.2.1 Componente civile

Constructiile de deviere a cursului – sunt formate din baraj, intake si lucrari de protectie care sa asigure preluare in siguranta a apei in canalul de conducere catre turbina. In unele constructii, conductele penstock sunt instalate direct din baraj.

Gura barajului – converge debitul necesar de apa din cursul raului si il trimite prin stavilar catre bazin.Este construit in asa fel incat sa asigure ca intregul debit ajunge la turbina. Deoarece multe proiecte sunt construite fara devierea cursului, se poate folosi un baraj de mici inaltimi pentru a se obtine un debit constant.

Sistem de separare si indepartare a grohotisului – este construit aproape de baraj pentru a preveni ca diferite resturi organice, pietris sau nisip sa ajunga in canalul penstock. Aceste filtre au de obicei un mecanism de deviere a excesului de apa inapoi pe cursul raului si de a elimina resturile sedimentare in rau dar in aval de baraj. Gura de eliminare este proiectata astfel incat sa reziste si sa protejeze barajul in cazul unor inundatii masive.

Stavilarul – transporta apa de la baraj la bazinul de acumulare. In general , canalul este construit paralel cu cursul raului la o o inaltime usor mai mare care ii ofera picohidrocentralei inaltimea de cadere necesara. sectiunea canalului si aliniamenteul trebuie alese astfel incat sa duca la performante optime si la economie pentru a reduce pierderile datorate scurgerilor. Poate fi folosit fie un canal deschis , fie de tipul unor tevi pentru a transporta apa la bazin.

Bazinul de acumulre si decantare – bazinul de decantare este construit pentru ca suspensiile solide sa se aseze baza bazinului si pentru a realiza scurgerea acestuia.Bazinul de acumulare conecteaza canalul cu tevile turbinei penstock. Bazinul permite ca particulele mici sa se decanteze inainte ca apa sa intre in conductele turbinei. Este folosit un filtru fin pentru a preveni resturile si gheata sa intre si sa strice turbina si valvele.

Conductele penstock – transporta apa sub presiune de la bazinul de acumulare catre turbina, unde energia potentiala a apei este transformata in energie cinetica rotind palele turbinei. Conducta penstock este de multe ori cea mai costisitoare componenta putand ajunge si la 40% din pretul intregului proiect in cazul constructiilor cu o cadere foarte mare. Este necesar ca design-ul acesteie sa fie cat mai optimizat pentru a reduce cheltuielile. Algerea tipului si marimi conductei depinde de cativa factori care cauta un echilibru intre cost si pierderile de inaltime.

Pierderile la cadere datorate frecarilor in conducta penstock depind in principal de viteza apei, de rugozitatea peretelui conductei si de lungimea si diametrul conductei. Pierderile scad substantial cu cresterea diametrului. Dar si costurile conductei cresc cu

7

diametrul acesteia.Trebuie deci gasit un compromis intre cost si performanta. Primul pas este identificarea optiunilor disponibile pe piata si sa se aleaga o pierdere tinta de 5-10 % sau mai putin, si sa se foloseasca o conducta de lungime minim necesara. Se vor analiza optiunile in privinta dimensiunilor si a tipurilor de materiale pentru a gasi solutia potrivita. O conducta mai mica va reduce costurile de achizitie, dar va aduce si pierderi in generarea de curent.In sisteme mici, pentru uz propriu se accepta pierderi de pana la 33%.

Factorii care trebuie luati in calcul in alegerea materialului conductei sunt urmatorii presiunea pentru care este proiectata, rugozitatea interiorului conductei, greutatea, usurinta instalarii, accesibilitatea zonei in care este instalata, metoda de imbinare, viata pentru care este proiectata si lucrarile de mentenanta necesare, conditiile meteo, disponibilitate,cost relativ si probabilitatea de aparitie defectelor de structura. Presiunea in conducte este critica deoarece trebuie ca peretele sa reziste in conditiile in care presiunea este maxima; in caz contrar exista riscul de a aparea fisuri.Presiunea in conducta depinde de inaltimea de cadere; cu cat este mai inalta cu atat riscul creste.Turbinele devin mai scumpe pe masura ce sunt proiectate sa reziste la presiuni mai mari.

Materialele cel mai des folosite sunt pentru constructia turbinelor penstock sunt HDPE(polietilena cu densitate mare), uPVC(polivinilin neplastificat) si oteluri moi datorita caracteristicilor acestora de disponibilitate, pret convenabil si adaptabilitate. Design-ul conductelor depinde de materialul din care sunt realizate, de natura terenului si de consideratiile de mediu.Sunt de doua tipuri: de suprafata sau ingropate. Trebuie avuta o atentie deosebita cand turbina este instalata intr-o zona in care temperaturile sunt joase; in acest caz trebuie avuta in vedere o modalitate de protectie a conductelor.In zonele in care stratul de gheata persista pe perioade indelungate, se recomanda folosirea unor conducte ingropate sub stratul de gheata.Este preferat acest tip in general,chiar daca nu exista un strat de gheata, pentr a oferi protectie fata de animale,caderi de copaci sau fata de dilatare. Datorita variatilor de temperatura , conducta se poate dilata si contracta. Sunt folosite articulatii expansibile pentru a compensa pentru variatile in lungime.

Fig.2 Comparatie intre principalele materiale folosite pentru turbine[ref]unde =slab si = excelent

In cadrul componentelor civile intra de asemenea constructia care adaposteste componentele ce transforma energia mecanica in energie electrica. Arata ca o cabana simpla, dar fundatia sa trebuie sa fie una solida.Constructia este in legatura cu un canal care permite recircularea apei in cursul raului de provenienta.

8

2.2.2 Componentele statiei de generare a energiei electrice

Turbina – consta intr-un roata de actionare conectata la un arbore care converteste energia potentiala a apei in cadere in putere mecanica. Turbina este conectata la generator fie direct, fie prin roti dintate sau curele si roata de transmisie, in functie de viteza ceruta de generator.Alegerea turbinei depinde in principal de inaltimea de cadere si de designul de curgere pentru instalatia in cauza.Alegerea trebuie facuta si in functie de viteza la care se doreste sa functioneze generatorul. Se mai ia in calcul daca turbina trebuie sa produca putere mecanica si in conditii de reducere a debitului. Fiecare turbina functioneaza la capacitate maxima in anumite conditii de viteza a apei, inaltime de cadere si debit. Pentru a fi potrivite pentru o varietate cat mai mare de conditii in ceea ce priveste inaltimea de cadere si debitul, turbinele sunt impartite in patru grupuri (inalt, mediu,jos si foarte jos) si in doua categorii (impuls si reactie).

Fig.3 Turbina PeltonTurbinele Pelton si Turgo sunt cele mai folosite turbine tip-impuls. Sunt simplu de

realizat, relativ ieftine si au eficienta si fiabilitate bune. Ajustarea variatiilor de debit in cazul acestor turbine este controlata usor prin ajustarea dimensiunii duzei.Turbinele Pelton sunt folosite pentru proiecte cu debit mic si inaltime de cadere mare.Pelton este o turbina frecvent utilizata, constând dintr-un disc circular cu o coroana pe care sunt montate ( pe periferia discului) un set de cupe duble. Puterea se regleaza prin reglarea debitului de apa introdus prin injector.

9

Fig.4 Turbina cu flux incrucisatTurbina cu flux incrucisat este o turbina mai complexa, care foloseste un impuls

secundar reglabil. Sistemul, cu modificari minore se preteaza foarte bine pentru autoreglare. Puterile instalate pe un grup sunt de ordinul a 1MW, putând fi exploatate caderi de apa intre 1 si 200 m.

Fig.5 Turbina FrancisTurbina Francis este formata dintr-un stator, denumit uzual echipament director, cu

paletaj reglabil, si un rotor, cu paletaj fix, o camera de intrare de forma spirala denumita uzual si “camera spiral”.Turbinele au mai multe moduri de amplasare, putând fi cu camera deschisa sau spirala si cu ax orizontal sau vertical.

10

Fig.6 Turbina KaplanTurbinele se gasesc in variante de turbine elicoidale ( tip elice ) diferind prin gradul

de reglare. Au un rotor echipat cu 4 sau 5 palete. Prin reglarea unghiului paletelor se poate regla puterea.

Fig.7 Turbina Banki

Majoritatea turbinelor cu reactie de dimensiuni mici nu sunt usor de adaptatat la debite variabile, si cele care au aceasta calitate sunt costisitoare datorita vanelor si lamelor variabile ale unitatii.Turbinele cu reactie au avantajul de a folosi la capacitate maxima intreaga cadere de apa. Acest fapt se datoreaza conductei de admisie folosita alaturi de turbina care recupereaza o parte din presiunea de cadere dupa ce apa iese din turbina. Sunt construite turbine cu reactie care pot genera putere si dintr-o inaltime de cadere de 1m.

Fig.8 Turbinele recomandate in functie de caracteristicile locului de implementare

11

Pompe cu rol de turbina (pump-as-turbin,PAT) – actiune unei pompe centrifugale cand functioneaza invers este asemanatoare unei turbine de apa.Deoarece pompele sunt produse pe scara larga, presinta o disponibilitate mai mare si sunt mai ieftine decat turbinele.Se estimeaza ca costul unei PAT este de 50% sau mai putin din costul unei turbine comparabila. Pe de alta parte, pentru obtinerea unor performante adecvate este necesar sa avem un debit si o inaltime de cadere destul de constanta, deoarece PAT au o eficienta slaba la debit redus.Pentru a obtine eficienta maxima din partea pompelor, pot fi instalate mai multe unitati, care vor fi pornite si oprite in functie de apa disponibila.Eficienta maxima se obtine pentru inaltimi de cadere in intervalul 13-75 m.

Fig.9 Pompa cu rol de turbina

Rotile de apa – sunt varianta traditionala de conversie a energiei apei in curgere sau in cadere in energie mecanica.Desi nu la fel de eficienta ca si turbinele, rotile de apa sunt inca o varianta viabila pentru producerea de energie electrica pentru un consumator casnic. Sunt simplu de controlat, simplu de realizat pe cont propriu fara ajutorul unui specialist sunt placute la vedere.Exista trei tipuri de baza: cu aruncarea apei pe dedesubt, prin mijloc sau pe deasupra.Dezavantajul principal este faptul ca functioneaza relativ incet si necesita o transmisie cu amplificare mare sau alte metode a creste viteza pentru a putea porni generatorul.

Eficienta turbinelor.Turbinele sunt alese, sau, uneori, fabricate pentru conditiile proiectului in cauza.Trebuie avute in vedere costul, variatii in caderea de apa, variatii de debit, cantitatea desedimente din apa si fiabilitatea in general a turbinei.

12

Fig.10 Eficienta diferitelor tipuri de turbine

Generatoarele – convertesc energia mecanica de rotatie produsa de turbina in energie electrica.Principiul de functionare al unui generator este urmatorul: cand o bobina este miscata intr-un camp magnetic, este indus un curent electric in fir.Generatoarele de curent alternativ (numite si alternatoare) genereaza o tensiune electrica variabila deasupra si sub valoare de 0V.Acest proces produce electricitate AC.

Exista doua tipuri de generatoare: sincrone si asincrone. Generatoarele sincrone sunt standard generarea de curent electric si sunt folosite in cele mai multe centrale electrice. Generatoarele asincrone sunt cunoscute ca generatoare inductive. Ambele tipuri sunt disponibile pentru sisteme monofazate sau trifazate.Generatoarele cu inductie sunt potrivite pentru sistemele mici. Au avantajul de a fi mai solide si mai ieftine decat generatoarele sincrone.

Toate generatoarele trebuie operate la o viteza constanta pentru a genera putere electrica la o frecventa constanta de 60 Hz. Numarul de poli din generator determina viteza, exprimata in rotatii pe minute (rpm). Cu cat sunt mai multe perechi de poli cu atat viteza este mai mica.Pentru generarea de putere mica, cea mai comuna varianta folosita este cea de 1800 rpm cu 4 poli.

Poate fi generat atat curent alternativ, cat si curent continuu.Curentul AC permite folosirea de diferite dispozitive si unelte casnice si este mai economic in transmiterea de curent electric catre locuinte. Cuirentul DC poate fi folosit fie direct, fie convertit in AC cu ajutorul unui invertor.Principalul avantaj al DC este usurinta de a fi stocat in baterii.

2.2.3 Sistemul de transmisie

Pentru a genera putere electrica la un voltaj si o frecventa stabile, sistemul de transmisie trebuie sa converteasca puterea de la turbina la axul generatorului in directia ceruta si la viteza ceruta.Tipuri comune de transmisii sunt:

13

-transmisie directa – in care axul turbinei este conectat direct cu axul generatorului. Sunt folosite doar in cazurile in care viteza axului si viteza turbinei sunt compatibile.Au avantajul de a se mentine usor, de a avea o eficienta crescuta si costuri mici.

- cu curea in „V” sau curea trapezoidala si roata de transmisie – o solutie la indemana si des folosita pentru hidrocentralele de mici dimensiuni datorita faptului ca curelele sunt usor de gasit fiind folosite la o multime de alte instalatii.

-cu curea si roata dintata – sunt folosite la distributia arborelui cu came la vehicule si foloseste curele dintate si roti de transmisie.Sunt eficiente si merita considerate in cazul picohidrocentralelor sub 3kW putere, in care eficienta este critica.

-cutii de viteza – sunt potrivite pentru masinarii mari in care folosirea unor curele de distributie ar fi ineficienta.Cutiile de viteze au probleme in privinta specificatiilor, a aliniamentului, a costurilor de intretinere, din aceste cauze sunt folosite doar acolo unde sunt specificate ca parte din sistemul turbina-generator.

2.2.4 Controlere electronice

Variatia vitezei va afecta frecnta si voltajul reiesit la generator. Generatorul ar putea fi supraincarcat datorita unor cereri mari de putere sau unor viteze prea mari in conditiile unei sarcini scazute.Pentru a contracara aceste probleme se folosesc controlere de sarcina electronice (ELC). Acestea sunt dispozitive solid-state proiectate pentru a regla puterea reiesita intr-o hidrocentrala de mici dimensiuni.Mentinand o sarcina constanta pe turbine genereaza voltaj stabil in timp si cu o frecventa constanta. Controlerele compenseaza variatiile in incarcarea principala, variind automat puterea disipata pe o rezistenta de sarcina, pentru a mentine constanta sarcina totala pe generator si turbina.Dispozitive de incalzire a apei sunt folosite in general ca si sarcini de balast. Un ELC inregistreaza si regleaza in mod constant frecventa.Frecventa este direct proportionala cu viteza turbinei.

Controlul voltajului nu este obligatoriu pentru generatoare sincrone deoarece au un regulator de voltaj integrat.Fara ELC, frecventa va varia in timp ce sarcina se modifica si in conditiile de sarcina zero, va fi mult mai mare decat frecventele admise. ELC reactioneaza foarte rapid la schimbarile de sarcina astfel incat variatiile in viteza sunt de neobservat cu exceptiile cazului in care se aplica o sarcina foarte mare. Avantajul principal al ELC consta in faptul ca nu au parti care se misca, sunt fiabile si nu au aproape deloc nevoie de mentenanta.

2.2.5 Reteaua de transmisie/ distributie

Cea mai comuna metoda de distributie a electricitatii de la centrala electrica la casele utilizatorilor este prin linii suspendate. Dimensiunea si tipul cablurilor electrice necesare depinde de cantitatea de putere electrica transmisa si de lungimea liniei de transmisie. Pentru majoritatea sistemelor de picohidrocentrale, linile electrice sunt monofazate. Pentru sisteme mai mari, voltajul va fi transformat intr-unul de tip treapta folosind un transformator sau un sistem trifazat pentru a reduce pierderile.In functie de mediu si de conditiile geografice, se

14

pot lua in considerare liniile de transmisie subterane, care in general necesita costuri mai mari.

2.3 Tipuri de sisteme

Tipul de hidrocentrala ales depinde de capacitatea necesara, de cererea de putere si de profilul locatiei. Ce trebuie luat in considerare in primul rand este daca proiectul va fi de tip de sine-statator sau conectat la o retea.Pentru proiectele de alimentare a unui utilizator izolat exista doua tipuri de sisteme: pe baza de baterii sau sistem AC direct. In cazul hidrocentralelor legate la retea nu se poate folosi decat varianta de sistem AC.

2.3.1 Sisteme bazate pe baterii

Daca picohidrocentralele nu genereaza suficienta putere pentru a face fata cerintelor de la perioadele de cerinte de varf, curentul poate fi stocat in baterii, si ulterior utilizat fie noaptea sau pentru perioadele de varf.Daca centrala furnizeaza curent pentru iluminat si pentru cateva dispozitive casnice, sistemele pe baterii sunt potrivite.Bateriile folosite sunt proiectate sa se descarce pana la 50% din capacitate si apoi sa fie incarcate timp de sute de cicluri. Casele care nu sunt conectate la retea folosesc de cele mai multe ori sisteme pe baza de baterii, inclusiv in cazul in care se alimenteaza pe baza de energie solara sau eoliana.Spre deosebire de sistemele AC, bateriile necesita mult mai putin debit de apa, sunt mai putin costisitoare si folosesc energia disponibila la maxim.

Bateriile uzate trebuie reciclate sau aruncate la gunoi ca si deseuri cu potential de hazard pentru a minimiza impactul asupra mediului.

Echipamentele pentru acest sistem sunt disponibile la voltaje diferite: 12,24,36,48,120 sau 240 DC.Alegerea voltajului generat este dictata de capacitatea sistemului si de distanta pe care trebuie transmis curentul.Cu cat este mai mare distanta, cu atat voltajul necesar este mai mare pentru a reduce pierderile.

Fig.11 Sistem pe baterii

15

Fig.12 Alegerea unei baterii in functie de sistemul construit

2.3.2 Sisteme AC

Sistemele AC direct sunt asemanatoare cu sistemul folosit de furnizorii mari de energie electrica.Sistemul cu curent AC direct nu stocheaza energia electrica in baterii, ci o furnizeaza direct consumatorului.

Cel mai mic sistem integrat complet disponibil este de 200W si poate fi folosit cu o inaltime de cadere de 1m. Unitatile mai mari sunt realizate si ansamblate in concordanta cu profilul si necesitatile proiectului, precum si in functie de capacitate ce este necesar sa fie produsa.

2.3.3 Sisteme hibride

Sistemele hibride sunt sisteme in care doua sau mai multe surse de energie (hidrocentrale de mici dimensiuni, sisteme eoliene, fotovoltaice sau generatoare pe petrol/diesel) sunt combinate. Acest sistem ofera cateva avantaje fata de folosirea unui singur tip de sursa de energie.Deoarece perioada de operare de varf pentru sistemele eoliene si cele fotovoltaice apare in perioade calendaristice diferite, sistemul hibrid este mai capabil sa produca energie atunci cand ai nevoie.

16

3.Simularea unei picohidrocentrale folosind Matlab/Simulink

Mediul de simulare Simulink permite obtinerea unor date teoretice despre functionarea unei picohidrocentrale si a componentelor acesteia: turbina si conducta Penstock, dispozitivul de comanda hidraulic sau cu actiune de tip PID (proportional-integral derivative), alternatorul si sistemul in ansamblu.Software-ul este capabil sa simuleze o centrala realizata pe cursul unui rau in functie de schimbarile de debit, viteza, voltaj, incarcare etc demonstrand comportamentul dinamic al centralei.

Conducta penstock a fost simulata dupa doua modele: modelul unei coloane de apa inelastice si un model folosind efectele de unda in miscare a coloanei de apa. Sunt ilustrate doua tipuri de dispozitive de comanda (hidraulic si PID). Ca si alternator este considerat modelul AC1A.

3.1 Modelarea turbinei penstock

Ecuatia care modeleaza comportamentul dinamic al unei turbine penstock este:

Puterea mecanica rezultata este data de relatia:

undeTw = constanta de startfp = coeficientul de pierdere prin frecarePmech = puterea mecanica dezvoltataQn1 = debitul de apa fara incarcareAt =constanta de castig a turbineiD = constanta de amortizare a turbinei.

Folosirea aproximatiei inelastice pentru efectul hidraulic este adecvata doar pentru conducte scurte si medii.Pentru conducte penstock de lungimi mari undele de presiune si de debit, datorate elasticitatii materialului contuctei si compresibilitatii apei, pot fi mari.In acest caz se foloseste aproximatia de unda in miscare a coloanei de apa.In acest caz comportamentul dinamic al turbinei este caracterizat de ecuatiile:

17

Puterea mecanica rezultata va fi:

Fig 13 Simularea turbinei-penstock

3.2 Simularea dispozitivului de comanda

Dispozitivul de comanda electro-hidraulic functioneaza asemanator cu un dispozitiv mecanico-hidraulic. Functiile de detectare a vitezei,curgere permanenta, picurare, functiile de masurare si comanda sunt realizate electric. Reglarea inaltimii de cadere este dorita in cazul in care picohidrocentrala este realizata pe cursul raului, si deci dispozitivul de comanda cu cu cadere controlata este folosit pentru a controla viteza turbinei.

Dispozitivul de tip PID ofera o viteza de raspuns mai mare.Fara actiunea derivatei, acest dispozitiv este un dispozitiv de comanda hidraulic.Castigurile proportionale si integrale pot fi modificate pentru a obtine curgere temporara sau timpi de reset.

18

Fig.14 Simulare controler PID

3.3 Modelarea dispozitivului alternatorului AC1A

AC1A reprezinta un sistem de oscilare cu un alternator controlat in camp cu ectificatori necontrolati.

Fig.15 Simulare AC1A

19

3.4 Simularea picohidrocentralei

Ansamblul este format din conducta penstock, turbina, dispozitiv de comanda PID, alternatorul AC1A, o masina sincrona si dispozitive de afisare a mariilor simulate.

Fig.16 Simularea picohidrocentralei

20

3.5 Rezultate obtinute

Fig.17 Caracteristica Tensiune-Timp

Fig.18 Caracteristica Putere electrica-Timp

Observam din Fig.17 ca dupa o perioada foarte scurta tensiunea de excitare ajunge la o valoare constanta.

Din Fig. 18 reiese ca puterea furnizata pe unitatea de timp ramane oarecum constanta.

21

4.Concluzii

Mediul Simulink este un program care permite observare unor caracteristici care sunt confirmate de rezultatele practice. Astfel el devine un instrument important in a determina daca un anumit proiect este eficient sau ce parametrii trebuie modificati pentru a obtine cele mai bune rezultate. Folosind simularile pentru determinarea puterii care poate fi obtinuta de la un sistem si datele oferite de diferiti agenti economici pentru a estima costurile constructiei, putem determina daca un proiect are un raport pret/beneficiu bun sau nu.

In ceea ce priveste utilizarea picohidrocentralelor ca sursa de energie electrica pentru un utilizator casnic, trebuie vazute atat avantajele cat si dezavantajele.

Avantaje: cea mai ieftina soluție tehnică de alimentare independentă. resursă de energie regenerabilă, curata fiabile => durată lungă de viață, deoarece se bazează pe tehnici mecanice

robuste. costuri de funcționare și urmărire minime (spre deosebire de bateriile de la

sisteme fotovoltaice). eforturile de întreținere mici, care sunt usor de urmat.

Dezavantaje: putere de ieșire specifica locatiei => verificare de pre-fezabilitate necesara. instalații specifice locatiei => cunostinte de bază despre hidrocentrale

necesare. toate costurile sunt costuri de investiții. conexiunile sunt in cea mai mare parte comune => necesita operare organizata

a comunitatii, gestionare și utilizare a resurselor de apă.accesul dificil la clienti => este nevoie de hub-uri și / sau structura de aprovizionare.

In concluzie, pentru un utilizator casnic, in special in cazul situarii intr-o zona cu accesibilitate redusa la reteaua nationala de furnizare a energiei, o picohidrocentrala poate fi solutia ideala daca conditiile geografice si de mediu sunt prelnice.

22

BIBLIOGRAFIE

1. K.H. Motwani, S.V.Jain, R.N. Patel, Cost analysis of a pump as turbin for pico hydropower plants – a case study

2. A.Bozorgi, E. Javidpour, Numerical and experimental study of a Pico hydropower plant

3. P.P.Sharma, S. Chatterji, Matlab based simulation of components of small hydro-power plants

4. Pico-Hydropower Systems – A Buyer’s Guide