1.1 Necesitatea realizării proiectului Lucrarea de licență are drept scop punerea în aplicare a cunoștințelor acumulate în decursul anilor de studiu…. [309395]

Cuprins

Introducere

1.1 Necesitatea realizării proiectului

Lucrarea de licență are drept scop punerea în aplicare a cunoștințelor acumulate în decursul anilor de studiu. [anonimizat], proiect inițiat în urmă cu ceva vreme de către studenții și masteranzii facultății. Analizând posibilitățile de creștere a gradului de autonomie a habitatului s-a constatat faptul că se poate proiecta și implementa un sistem de captare și circulare a [anonimizat].

O problemă tot mai stringentă a societății actuale este apa potabilă a [anonimizat].

Un punct de vedere de luat în considerare este necesitatea irigării spațiilor verzi și grădinilor datorită încălzirii globale cu veri tot mai lungi și mai uscate. Această irigare se poate face cu apa recuperată din precipitații protejând astfel resursele de apă potabilă existentă.

Un alt punct de vedere de luat în considerare este prețul plătit pentru această apă recuperată în comparație cu cel al apei potabile și economia făcuta folosind aceste sisteme.

[anonimizat], [anonimizat].

[anonimizat], [anonimizat], redând-o in circuitul natural.

[anonimizat], spălarea autoturismelor și alte activități casnice. Astfel consumul de apă potabilă se poate reduce cu până la 50%. [anonimizat].

Fig. 1.1 Sistem de captare a apei de ploaie [7]

Se poate constata că apa de ploaie poate fi valorificată economic pentru că proprietățile acesteia îi permit o largă utilizare în activitățile gospodărești și chiar industriale. Iată câteva din calitățile acesteia:

[anonimizat]. [anonimizat], [anonimizat] o fac neutilizabilă. Desigur, [anonimizat], care funcționează bine și consumă numai sare de bucătărie.

Dacă este păstrată în rezervoare la întuneric (în general subterane), poate fi stocată ani de zile fără să își modifice calitățile. [anonimizat]. Lipsa sărurilor minerale și a luminii și temperatura constantă de 5-10 grade Celsius fac din apa de ploaie un mediu dificil pentru dezvoltarea microorganismelor.

Calitățile de spălare a apei de ploaie sunt deosebite și cunoscute din bătrâni. Cei care spală rufe cu apă de ploaie au nevoie de o cantitate foarte mică de detergent, deoarece majoritatea substanțelor care intră în compoziția detergenților au rolul de a deduriza apa. Prin urmare, reciclarea acestei ape în stații de epurare biologică se face mult mai eficient.

Instalațiile de apă din casă nu au de suferit din cauza sărurilor din apă. Mașina de spălat, robineții, filtrele, pompele de apă, colectoarele solare pentru apă menajeră sau boilerele vor rămâne curate, fără depuneri, și nu vor trebui întreținute în nici un fel dacă se folosește apă de ploaie. Apa de ploaie se poate folosi fără probleme la bucătărie, pentru spălatul vaselor, și în unele condiții chiar pentru gătit.

Apa de ploaie stocată poate asigura necesarul de apă menajeră pentru dușuri și băi, pentru folosirea la WC, este cea mai buna apă pentru udarea plantelor din casă și pentru legumele din grădină. Dovezi în acest sens ne furnizează câinele și pisicile de pe lângă casă, care la sfârșitul ploii beau cu mare plăcere apă din bălțile proaspăt formate. Cel mai bun test este analiza fizico-chimică și bacteriologică a apei de ploaie stocate. De regulă, aceste analize nu constată nimic din ceea ce ar putea opri utilizarea menajeră a acestei ape.

1.2 Sinteza lucrării

Lucrarea este structurată în 5 capitole după cum urmează:

Capitolul 1 – se referă la prezentarea necesității lucrării și sinteza capitolelor atinse prezentând importanța captării și reutilizării apei de ploaie pentru prezervarea mediului

Capitolul 2 – se referă la prezentarea unor elemente generale asupra resurselor de apă existente atât la nivel planetar cât și la nivel național cu accent asupra ultimelor cercetări în privința managementului apei în condițiile schimbărilor climatologice actuale la nivel mondial

Capitolul 3 – este dedicat proiectării pompelor submersibile de apă curată cu prezentarea teoretică a principiului de funcționare, caracteristicilor statice și dinamice precum și dimensionarea unei pompe pentru utilizarea apei de ploaie captată în recipient. De asemenea este prezentat un studiu asupra aspectelor de proiectare a unui sistem senzorial de nivel și a unui sistem automat de pornire/oprire a pompei submersibile în condițiile atingerii limitei superioare sau inferioare a nivelului de apă din recipient.

Capitolul 4 – prezintă un două calcule de proiectare a unei surse de energiei autonome respectiv convenționale pentru alimentarea cu energie electrică a pompei proiectate și alese constructiv pentru aplicația dată

Capitolul 5 – este destinat prezentării resurselor bibliografice utilizate în lucrare

Resurse de apă

2.1 Surse de apă la nivel planetar

Totalitatea elementelor naturale ale mediului ce pot fi folosite în activitatea umană constituie resursele naturale. Resurse naturale pot fi:

regenerabile (apa, solul, flora, fauna sălbatică)

neregenerabile (mineralele și combustibilii fosili)

permanente (energie solară, eoliană, geotermală și a valuri1or).

Din punct de vedere al administrării, apele se împart în ape internaționale, ape teritoriale și ape naționale. Apele internaționale cuprind apele la care un stat este riveran cu alte state, cele care intră sau ies prin granițele statului precum și cele la care interesele unor state străine sunt recunoscute prin tratate și convenții internaționale. Apele teritoriale (maritime interioare) sunt apele cuprinse în porțiunea de la țărmul mării spre larg până la liniile de bază, a căror întindere și delimitare se stabilesc prin lege. Liniile de bază sunt liniile celui mai mare reflux care unesc punctele cele mai avansate ale țărmului, ale locurilor de acostare, ale amenajărilor hidrotehnice și a altor instalații portuare permanente. Apele naționale sunt fluviile, râurile, canalele și lacurile interioare, precum și apele fluviilor și râurilor de frontieră stabilite prin tratate, acorduri și c onvenții internaționale.

Apa este resursa care se reînnoiește permanent în procesul ciclic generat de acțiunea soarelui, nu se schimbă cantitativ și nu poate fi înlocuită. Din punct de vedere al posibilităților de utilizare, resursele pot fi:

totale, date de cantitatea de apă existentă și definite din punct de vedere teoretic pe baza studiilor meteorologice și hidrologice;

utilizabile, reprezentând o cotă parte din resursele totale, care pot fi utilizate în condiții economice pentru satisfacerea cerințelor de apă.

Resursele de apă, cuprinzând toate formele ciclului natural al apei, pot fi grupate în:

resurse atmosferice ce cuprind apa din atmosfera terestră care formează componenta ciclului între momentul evaporării și momentul cădării precipitațiilor. Resursele atmosferice constituie un mod indirect de caracterizare a resurselor de apă ale uscatului;

resurse ale uscatului sunt componentele ciclului natural între momentul căderii precipitațiilor pe suprafața pământului și momentul ajungerii lor în urma procesului de scurgere, în mări sau oceane;

resurse oceanice sunt apele reținute în ocean și alimentate de fluvii; acestea constituie principala sursă de alimentare a atmosferei.

Cea mai mare parte a suprafeței planetei (71%) este acoperită de ape. Apa dulce pentru nevoile actuale ale omenirii reprezintă mai puțin de 3% din totalul apei pe Glob și cea mai mare parte se află înmagazinată în calotele de gheață polară. Cota de apă dulce utilizabilă reprezintă 0,0002% din totalul apei planetare. Teoretic acest volum care asigură perpetuarea vieții pe planeta noastră ar fi suficient pentru o populație de câteva ori mai mare decât cea actuală. Una din problemele globale ale omenirii la confruntarea celor două milenii o constituie neconcordanța dintre resursele limitate de apă și neuniform distribuite, respectiv creșterea cerințelor și consumurilor de apă datorită sporului demografic și dezvoltării economice și sociale.

Problema se pune în același mod atât la nivel planetar, cât și la nivel regional și național. Cele mai mari cursuri de apă străbat zone slab populate sau cu o dezvoltare economică ce nu reclamă deocamdată mari nevoi de apă, în timp ce zone cu densitate mare dispun de rețele mai sărace de cursuri de apă. Zona cea mai bogată în apă, bazinul Amazonului, care singur transportă o cantitate de apă mai mare decât toate celelalte fluvii de pe Terra luate la un loc este nelocuită. Marile fluvii din Siberia traversează de asemenea o zonă slab populată, iar Europa cu o densitate mare a populației este o regiune săracă în apă.

Fig. 2.1 Circuitul apei în natură [1]

În timp variația debilelor de apă prezintă mari discrepanțe și dificultăți pentru o utilizare rațională în regim natural [2]. Cele mai multe cursuri cunosc perioade scurte de debite mari când se produc viituri și inundații păgubitoare, alternând cu perioade, de regulă mai prelungite de debite insuficiente, corespunzătoare sezoanelor secetoase. Mai mult de 50% din debitul total al râurilor și fluviilor se scurge spre mări și oceane într-un interval de 2-3 luni.

Rezerva mondială de apă este de 1.386 milioane km3 de apă, peste 96% fiind apă sărată. Din totalul de apă dulce, peste 68% este stocată în ghețari, iar 30% din apa dulce sunt prezente în subteran. Sursele de apă dulce de suprafață, cum ar fi râurile și lacurile, însumează doar 93.100 km3, care reprezintă aproximativ 1/150 dintr-un procent din totalul de apă. Totuși, râurile și lacurile reprezintă sursele principale pentru apa folosită zilnic de oameni.

America de Sud pare a fi continentul cel mai bine înzestrat, dar 60% din debitul continental se scurge în fluviul Amazoanelor, greu de valorificat și trecând prin zone îndepărtate de concentrările de populație. America de Nord și Centrală au împreună un debit de apă pe cap de locuitor de două ori mai mare decât media mondială, însă cursurile naturale sunt limitate la vastele regiuni din vest, în special din sud-vestul Statelor Unite și din nordul Mexicului. Cele trei fluvii principale din Rusia (Enisei, Lena, Obi) curg spre nord prin Siberia și se varsă în mările arctice, la mare depărtare de centrele populate.

Europa și Asia sunt continentele care dețin o cotă parte substanțial mai mare din populația mondială decât din disponibilul de apă dulce. Debitul pe cap de locuitor al Europei reprezintă doar jumătate din media mondială, un deficit mai evident înregistrându-se în sudul și răsăritul Europei. Din fericire, clima temperată care caracterizează o mare parte a continentului și numărul mare de râuri mai mici cu un debit destul de constant permit valorificarea unei părți relativ importante a debitelor fluviale.

Din punct de vedere al debitului pe cap de locuitor, Canada este țara cea mai bogată din lume, însă două treimi din debitul fluviilor sale se îndreaptă spre nord, în timp ce 80% din locuitorii săi trăiesc într-o fâșie cu o lățime de 200 kilometri în lungul frontierei cu Statele Unite. De asemenea, Indonezia pare a fi un stat relativ bogat în resurse de apă, însă peste 60% din populația ei trăiește în insula Java, care dispune de mai puțin de 10% din debitul total al țării. Egiptul, unul dintre statele care înregistrează cea mai mare lipsă de apă din lume depinde aproape integral de apele Nilului care pătrund în țară din direcția Sudanului.

2.2 Resurse de apă ale României

Resursele de apă ale României sunt relativ sărace și neuniform distribuite în timp și spațiu. Acestea însumează teoretic 134,6 mld mc (fiind constituite din apele de suprafață- râuri, lacuri, fluviul Dunărea – și ape subterane), din care resursa utilizabilă, potrivit gradului de amenajare a bazinelor hidrografice este cca. 40 mld. mc. Resursele endogene specifice ale României raportate la populație sunt de 1.894 m³/an/loc, România fiind una din țările cu cele mai scăzute resursele de apă din Europa, așa cum rezultă din graficul următor.

Dacă se iau în considerare și resursele de apă exogene (care reprezintă aportul râurilor care se formează pe teritoriul altor țări și intră apoi pe teritoriul țării) – în cazul României Dunărea și cursurile de apă din bazinul Siretului superior – de 170 km³/an, resursele totale de apă ale României se ridică la 212 km³/an. De aceea, România depinde în foarte mare parte de resursele de apă venind din diferite țări din amonte. Aceste resurse de apă nu sunt în totalitate utilizabile. De aceea, spre deosebire de țările din Europa de Vest și de Nord, lipsa unor resurse suficiente de apă riscă să devină un factor limitativ al dezvoltării economice, dacă nu este promovată o politică strictă de utilizare rațională a apelor de către factorii responsabili.

Fig. 2.2 Resurse de apă în UE [4]

Din cauza regimului variabil al resurselor de apă din România , o parte din aceste resurse se scurg în perioadele de viitură, pe când, în perioadele secetoase, debitele scurse scad la valori foarte mici. Pentru a mări resursele utilizabile, ANAR ia măsuri de regularizare a debitelor prin lacuri de acumulare care să rețină debitele excendentare în perioadele ploioase, pentru a le face disponibile în perioadele secetoase.

ANAR are în vedere noi propuneri de amenajare a bazinelor hidrografice inclusiv prin realizarea de noi lacuri de acumulare – rezervoare de apă – cu scopul de a mări cantitatea de resursa de apă care poate fi utilizată de folosințe, inclusiv capacitățile de stocare a volumelor de apă la viituri. Schemele directoare de amenajare și planurile de management ale bazinelor hidrografice includ lucrările necesare pe termen scurt, mediu si lung, la care statul român va trebui să găsească resursele financiare necesare pentru realizarea acestora.

Orașele au nevoie de cantități importante de apă de foarte bună calitate, pentru a asigura alimentarea cu apă potabilă, în timp ce cantități importante de poluanți ajung în mediul acvatic simultan cu apele pe care le evacuează, spun specialiștii Organizației Mondiale a Apei. Conform statisticilor mondiale, în fiecare zi, două milioane de tone de ape uzate ajung neepurate sau insuficient epurate în cursurile de apă din lumea întreagă. În România, cele mai mari probleme se înregistrează în secțiunile aval de marile aglomerări urbane care nu au stații de epurare conforme sau care nu dețin stații de epurare. Un exemplu îl constituie Municipiul București care alterează calitatea apelor râului Dâmbovița și a râului Argeș – aval confluență Dâmbovita. În prezent, stația de epurare a municipiului București se află în probe tehnologice. Finalizarea lucrărilor și punerea ei în funcțiune în luna iunie anul acesta va face probabil ca procentul de racordare la stațiile de epurare să crească cu cca. 2%. În ceea ce privește apele subterane, cele mai mari probleme se întâlnesc în arealul principalelor platforme industriale: Platforma Săvinești, Azomureș, Petrobrazi, Doljchim, Oltchim etc. Agricultura intensivă practicată de România în trecut rămâne în continuare una din cauzele poluării difuze. În Câmpia Română și în Câmpia de Vest, în special în apele subterane, sunt înregistrate concentrații mai ridicate la azotați, una din principalele cauze fiind utilizarea incorectă a îngrășămintelor chimice și organice și depozitarea incorectă a gunoiului de grajd.

„Unul din patru locuitori ai orașelor de pe glob nu au acces la instalații sanitare adecvate. În România, gradul de racordare la canalizare este 54,28%, iar gradul de racordare la stațiile de epurare este de 43,24%. Suma alocată până în prezent pentru astfel de lucrări este de 4 miliarde euro”, din mesajul directorului general al ANAR, DÁVID Csaba, cu prilejul Zilei Mondiale a Apei (22 martie).Conform Directivei 91/271/CEE privind epurarea apelor uzate urbane transpusă în legislația națională prin H.G. nr. 188/2002, modificată și completată, respectiv NTPA – 011, toate aglomerările umane cu mai mult de 10.000 locuitori echivalenți trebuie să fie prevăzute cu rețele de canalizare până la data de 31 decembrie 2013, iar până la data de 31 decembrie 2018 toate aglomerările umane cuprinse între 2000 și 10.000 locuitori echivalenți. Conform statisticilor mondiale, ”în fiecare secundă, populația urbană crește cu două persoane. În fiecare lună, cinci milioane de oameni vin să locuiască la oraș. 27% din populația urbană din lumea întreagă nu beneficiază de sisteme de alimentare. În fiecare an, între 250-500 mc de apă potabilă se risipesc fără rost în marile orașe de pe glob. Dacă această cantitate de apă nu s-ar mai risipi, încă 10-20 milioane de oameni ar avea apă de băut în marile orașe din lumea întreagă”, din mesajul directorului general al ANAR, DÁVID Csaba, cu prilejul Zilei Mondiale a Apei (22 martie) .

Cerința de apă din România de la nivelul anului 2010 a scăzut cu 12 mld mc de apă față de anul 1990, de la 20,5 mld mc de apă (cât era în anul 1990), la 8,45 mld mc de apă (cât s-a înregistrat în anul 2010) și cu 1 mld mc de apă cât se înregistra în anul 2008, respectiv de 9,44 mld mc de apă.

Comparativ cu anul 1990, se observă că s-au produs două scăderi dramatice ale cerinței de apă, prima în intervalul 1990-1999, când cerința de apă pentru cele trei categorii a scăzut de la 20,4 mld mc de apă, cât era în anul 1990, la 11,74 mld mc de apă, cât era în anul 2000, iar în a doua, în intervalul 2001-2010, când cerința de apă a ajuns în anul 2010 la 8,45 mld mc de apă, față de cât era în anul 2000. Pe categorii de utilizatori, după cum se observă în tabelul de mai jos, de exemplu, în ceea ce privește cerința de apă pentru industrie, în perioada 1990-2005 (timp de 15 ani), cerința de apă pentru industrie s-a redus la jumătate, de la 9,06 mld mc de apă, cât era în anul 1990, la 4,4 mld mc de apă, cât se înregistra în anul 2005. Evoluția cerinței de apă pentru agricultură a fost cea mai fluctuantă, având ani în care aceasta a scăzut vertiginos (1990-1997, 2000-2001, 2008-2009) și ușoare perioade de creștere (2004-2005, 2007-2008), în funcție de evoluția regimului hidrologic și respectiv capacitățile de irigații aflate în funcțiune. Relativ constantă, dar în scădere continuă, a fost cerința de apă pentru populație, pe întregul interval de 20 de ani, acest fapt demonstrând reducerea pierderilor de apă din rețelele de distribuție și nu în ultimul rând folosirea în instalații interioare a unor echipamente performante.

Fig. 2.3 Evoluția cerințelor de apă în România [3]

Pentru anul 2011, volumul de apă solicitat de agenții economici este de 7,7 mld mc de apă, în scădere față de anul anterior și de aproape trei ori mai mică decât cea înregistrată la nivelul anului 1990. Defalcată pe categorii, cerința totală de apă pentru anul 2011 se prezintă astfel: 1,22 mld mc de apă (15,8%) pentru populație, 1,32 mld mc de apă (17,14%) pentru agricultură și 5,16 mld mc de apă (67,02%), pentru industrie.

În anul 2010, volumul total de apă prelevat a fost de 6,20 miliarde mc, din care 4,43 mld mc de apă pentru industrie, 0,74 mld mc de apă pentru agricultură și 1,03 mld mc de apă pentru populație. Constatăm faptul că cea mai semnificativă scădere a volumului de apă prelevat raportat la anul 2009 s-a produs în agricultură de la 1,16 mld mc de apă cât s-au folosit la nivelul anului 2009 la 0,74 mld mc de apă în 2010. Observăm faptul că scăderi similare a volumului de apă prelevat în agricultură s-au produs și în anii 2005 și 2006, fapt care se corelează cu ani în care s-au produs inundații istorice (debite care statistic se produc odată la 100 de ani cel puțin), întrucât volumul de apă a fost asigurat mai mult în regim natural. Constatăm faptul că scăderi bruște ale volumului de apă în agricultură au mai avut loc în intervalul 1990-1991 sau 1993-1997. Folosirea apei pentru irigații s-a situat și în anul 2010 sub cerința de servicii specifice, aceasta datorându-se nefuncționării sistemelor de irigații la capacitatea programată, precum și a faptului că nu au fost solicitări din partea beneficiarilor. În ceea ce privește sectorul industrial, volumul de apă utilizat a cunoscut o scădere bruscă imediat după anii 1990, cu ușoare fluctuații (pozitive sau negative). După anul 2000, volumul de apă utilizat în industrie cunoaște din nou o perioadă de scădere cu ușoare momente de revenire, dar nu se mai situează la nivelul anilor 1990. Volumul de apă utilizat pentru populație a fost cel mai echilibrat, acesta scăzând ușor, dar constant, mai ales în intervalul 1990-1997, pentru ca din anul 2000, acest volum să scadă, fără perioade de revenire semnificativă.

La nivelul anului 2010, cerința de apă a fost asigurată în totalitate prin menținerea volumelor de apă în lacurile de acumulare, conform Programelor de exploatare ale A.N. Apele Române, volume care au asigurat necesarul de apă pentru categoriile de utilizatori, respectiv pentru populație, industrie și agricultură.

Fig. 2.4 Evoluția prelevărilor de apă în perioada 1990 – 2010 [3]

2.3 Necesitatea captării și reutilizării apei de ploaie

Disponibilitatea rezervelor de apă dulce este esențială pentru toate domeniile de activitate ale omului (menaj, industrie, agricultură), dar și pentru animale și plante. Proveniența apei dulci este apa de ploaie sau cea din pânza freatică. Apa provenită din precipitații asigură rezervele din acumulările hidrologice (ape subterane și de suprafață, râuri, lacuri, ghețari și mlaștini) care sunt disponibile utilizării în diferite scopuri. În zonele unde se înregistrează cantități reduse de precipitații este necesară folosirea apei subterane și a apei din râurile alohtone. Pentru uzul uman, este importantă atât existența resurselor de apă cât mai ales accesibilitatea acestora. De exemplu, utilizarea apei subterane implică existența sau posibilitatea de a construi puțuri. Prin urmare, utilizarea resurselor de apă poate fi limitată din motive de ordin tehnic. În plus, restricțiile care se impun în privința calității apei (gradul de poluare) pot împiedica disponibilitatea reală. Potrivit Glosarului Internațional de Hidrologie (IHP/OHP 1998), cererea de apă reprezintă “cantitatea efectivă de apă solicitată într-o anumită perioadă de timp pentru satisfacerea nevoilor diverse, condiționată de factorii economici, sociali și alți factori”. Aceste nevoi variate pot fi împărțite în patru sectoare: agricultură, industrie, rețeaua publică de alimentare cu apă și producerea de energie.

Seceta este de obicei considerată o calamitate naturală, din cauza impactului pe care îl are asupra resurselor naturale, echilibrului socio-economic și nivelului de trai. După cum se poate vedea în figura 2.5, deficitul de apă poate crește în perioadele de secetă. Prin urmare, seceta poate amplifica impactul deficitului de apă.

Fig. 2.5 Relația dintre deficitul de apă și secetă [5]

Deși o parte din efectele cauzate de deficitul de apă, pe de o parte și efectele cauzate de fenomenul de secetă, pe de alta parte, sunt parțial comparabile (îndeosebi efectele asupra mediului înconjurător), ele se manifestă cu intensități și în perioade de timp diferite. Deficitul de apă și disponibilitatea redusă în timpul perioadelor scurte de secetă sau deficitul de apă pe termen lung poate influența rezervele de apă din mediul înconjurător: nivelul apelor de suprafață, pânza freatică, râurile, lacurile și mlaștinile. Stratul superior al solului este un rezervor de apă foarte sensibil și variabil, fiind expus procesului de evapotranspirație, precum și consumului de apă al plantelor prin rădăcini. Un nivel scăzut al conținutului de apă în sol poate încetini procesul de creștere al plantei, de dezvoltare a fructelor sau poate afecta înflorirea etc. În cel mai rău caz rezerva de umiditate din sol poate scădea până la punctul de ofilire, ducând astfel la ofilierea și moartea plantei. În agricultură stresul hidric poate conduce la creșterea cererii de apă prin necesitatea efectuării lucrărilor de irigații, fermierii confruntându-se cu situația de a alege între a suporta costuri mai mari pentru irigații sau a pierde cultura. Debitul râurilor va scădea când aportul de apă din scurgerile de suprafață și din pânza freatică încetează. În mod normal, apele subterane asigură un nivel minim („debit de bază”) chiar și în perioadele de secetă, însă izvoarele pot seca temporar. Perioadele în care debitul apei scade generează probleme faunei și florei acvatice. Temperatura apei reziduale crește mai repede, ducând la reducerea concentrației de oxigen, fenomen care poate fi letal pentru pești. Deversarea apelor uzate provenite de la centralele energetice poate conduce la creșterea temperaturii apei. Reducerea sau stoparea acestor deversări diminuează acest efect, dar conduce la o creștere a prețului energiei electrice. Totodată, cererea de energie electrică crește ca urmare a m ăririi consumului, de exemplu prin folosirea de aparate frigorifice și de aer condiționat. Cu toate că mai multe centrale electrice din Europa au fost afectate în timpul valului de căldura din anul 2003, nu a avut loc o întrerupere în totalitate în furnizarea de electricitate, raportându-se doar probleme regionale în luna iunie în Italia (FINK et al. 2004). De asemenea nivelul scăzut al apei crește concentrația de poluanți în apele reziduale. Poluarea organică contribuind la reducerea concentrației de oxigen. Transportul pe apă poate fi îngreunat datorită nivelului scăzut al apei, ducând la pierderi de ordin economic pentru companiile de transport. Transportul mărfurilor poate fi în aceste cazuri realizat pe șosele și căi ferate. În consecință, un nivel scăzut al apei care îngreunează transportul cauzează indirect pagube de natură ecologică prin creșterea gradului de poluare. [6]

Pentru a satisface cererea crescândă de apă în industrie, este încurajată epurarea apei cu echipamente proprii. Ar trebui să se reutilizeze apele uzate tratate în procesele industriale ori de câte ori este posibil și să se adopte tehnologii care folosesc cantități mai mici de apă pentru fabricarea aceluiași produs industrial. Reutilizarea resurselor de apă implică în principal alimentarea cu apă uzată tratată direct din instalația de epurare către consumator, de exemplu industrie și agricultură. Acest lucru poate fi utilizat și pentru alimentarea unui strat acvifer. Comisia Uniunii Europene estimează că apa epurată poate contribui la reducerea cu până la 13% a irigațiilor terenurilor și a secării apelor de suprafață. Refolosirea directă sau indirectă a apei implică câteva aspecte: contaminarea cu materii fecale, poluanți anorganici și xenobiotici, un nivel ridicat al particulelor solide în suspensie și al salinității, utilizarea rațională a nutrienților dizolvați (în special azot). Provocarea constă în aplicarea de noi strategii și tehnologii care permit utilizarea pentru irigații a apei de cea mai redusă calitate, fără a afecta siguranța alimentară și calitatea recoltei sau a fructelor. Proiectul european SAFIR a fost conceput pentru a ajuta fermierii în rezolvarea problemelor legate de calitatea scăzută a apei și diminuarea accesului la apă. Noile instalații de epurare a apei au fost dezvoltate pentru a permite utilizarea în siguranță a apei uzate produsă de comunitățile mici/ industrii (≤10 000 EI) sau provenită din deversările de apă.

Pe lângă înțelesul general de „reutilizare a apei” se poate adăuga și „recoltarea apei de ploaie”. Experiența programelor de cercetare asupra oportunității de recuperare a apei de ploaie în condițiile climatului mediteranean reprezintă o dovadă a unui studiu economic și tehnic care constă în furnizarea de informații operaționale și detaliate privind recuperarea apei de ploaie în climat mediteranean.

Fig. 2.6 Reutilizarea apei

(Regione Emilia-Romagna A.I.U.S.G. – Liviana Banzi) [5]

Proiectare dispozitiv acumulare și recirculare apă

3.1 Pompe de apă centrifugale

3.1.1 Generalități

Pompele centrifugale acoperă o gamă foarte largă de puteri, debite, presiuni. Ele sunt utilizate în numeroase aplicații, în particular în sectorul de apă. Este vorba de tipul de pompă cel mai răspândit. Principiul constă în acționarea unui rotor cu pale care transferă energia mecanică a fluidelor în energie potențială (reprezentată de presiune) și cinetică (reprezentată de debit). În figura 3.1 sunt prezentate elementele principale ale unei pompe centrifugale simple, cu un singur rotor: corpul pompei prezintă tubulaturi de admisie sau de refulare; rotorul cu pale este fixat de arborele de antrenare.

a. b. c.

Fig. 3.1 Pompe centrifugale

a. elemente componente, b. pompă centrifugală cuplată la motorul de antrenare, c. Pompă centrifugală multicelulară

În figura 3.1b este prezentată o pompă centrifugală cuplată la motorul său electric de antrenare, de tip asincron trifazat cu rotorul în scurtcircuit, care este cel mai utilizat tip de motor. Aceste motoare funcționează în mod normal la viteză constantă când sunt conectate direct la rețeaua de alimentare, dar sunt adaptate perfect la viteză variabilă când sunt alimentate printr-un convertizor de frecvență. Pentru a acoperi o gamă largă a debitului și presiunii, au fost dezvoltate diferite variante de pompe centrifugale. În caz particular, o creștere a presiunii poate fi obținută prin montarea în serie a mai multor corpuri de pompe. Un exemplu de construcție multicelulară este reprezentat în figura 3.1c.

3.1.2 Caracteristicile pompelor de apă centrifugale

FuncÍia de bază a unei pompe este de a realiza circularea unei anumite cantități de fluid și de a-i transfera o anumită presiune. Mărimile semnificative utilizate în pompare sunt debitul și înălțimea manometrică. Debitul Q reprezintă volumul de fluid transportat în unitatea de timp, exprimat în m3/s. Înălțimea manometrică H reprezintă presiunea într-un punct dat, pe circuit, exprimată în metri (m). Relația dintre înălțimea manometrică și presiune este:

(3.1)

unde:

Pr – presiunea (Pa)

ρ – densitatea fluidului (kg/m3), pentru apă ρ = 1000 kg/m3

g – accelerația gravitațională (g = 9,81 m/s2)

H – înălțimea manometrică (m)

Înălțimea manometrică totală (IMT) a unei pompe reprezintă diferența de presiune generată fluidului de către pompă între intrare și ieșire, reprezentând înălțimea coloanei de fluid transportate. IMT variază în funcție de debit. Curba reprezentând IMT în funcție de debit este caracteristică pompei. Există o curbă de IMT pentru fiecare valoare a vitezei de antrenare a pompei. Înălțimea manometricș totală maximă (IMTmax) este presiunea maximă pe care pompa o poate transfera fluidului, la debit nul. Aceasta corespunde înălțimii maxime a coloanei de fluid pe care pompa o poate menține, așa cum este ilustrat în figura 3.2.

Fig. 3.2 Înălțimea manometrică totală

Puterea utilă (Pu) transferată fluidului este dată de formula:

(3.2)

Puterea mecanică (P) furnizată pompei depinde de randamentul ƞ al pompei:

(3.3)

Randamentul ƞ al pompei este variabil în funcție de debit. El este nul atunci când IMT sau debitul este nul. Acesta este cazul în care puterea nu este transferată fluidului. Punctul de funcționare nominal este definit ca fiind punctul în care randamentul pompei este maxim. În figura 3.3 sunt prezentate variațiile IMT, a randamentului și a puterii în funcție de debit, pentru o pompă centrifugală tipică.

Fig. 3.3 Curbele IMT, a randamentului și a puterii în funcție de debit, pentru o pompă centrifugală

3.1.3 Punctul de funcționare

Circuitul de distribuție în care este inserată pompa este caracterizat de:

înălțime a coloanei de apă între punctul de aspirație și punctul în care fluidul este utilizat (înălțimea geometrică totală Z)

pierderile în sarcină corespunzătoare unei presiuni suplimentare ce trebuie exercitată asupra fluidului pentru a învinge forțele de frecare existente în conductă. Un circuit de distribuție simplificat este prezentat în figura 3.4.

Fig. 3.4 Circuit de distribuție simplificat

Pierderile în sarcină R sunt proporÍionale cu pătratul debitului. Va rezulta o curbă caracteristică circuitului de distribuție așa cum este prezentată în figura 3.5.

Fig. 3.5 Curba caracteristică a circuitului de distribuție (I – înălțimea manometrică la nivelul pompei, Z – înălțimea coloanei de apă, R – pierderile în sarcină)

Punctul de funcționare al pompei inserate în circuit va fi determinat prin intersectarea celor două curbe caracteristice pompei și circuitului, așa cum este indicat în figura 3.6. Puterea utilă furnizată de pompă fluidului este proporțională suprafeței colorate.

Fig. 3.6 Punctul de funcționare al unei pompe într-un circuit

3.1.4 Variația debitului la viteză constantă

În cele mai multe aplicații, debitul fluidului ce trebuie transferat este variabil în timp, în funcție de necesitățile utilizatorilor. Utilizând pompa cu viteză constantă, pot fi aplicate mai multe metode.

Utilizarea vanelor în aval de pompă – principiul constă în reducerea secțiunii utile a conductei în aval de pompă. Va rezulta o creștere a pierderilor în sarcină în circuit, ce se traduce prin creșterea presiunii la ieșirea pompei și o disipare a energiei în fluid. În figura 3.7, punctul A este punctul de funcționare corespunzător debitului nominal Qn. Punctul B este punctul de funcționare corespunzător debitului redus Qr. Punctul optim de funcționare a circuitului pentru acest debit Qr va fi punctul C. Suprafața colorată reprezintă puterea pierdută utilizând acest mod de funcționare.

Fig. 3.7 Utilizarea vanelor în aval de pompă

Utilizarea unui circuit de derivație (by-pass) – Principiul constă în readucerea unei părți a fluidului pompei înapoi la sursă, printr-o vană de derivație. Acest dispozitiv permite un control precis al debitului dar prezintă inconvenientul unei slabe eficențe energetice. În figura 3.8, punctul A este punctul de funcționare corespunzătoare debitului nominal Qn. Punctul optim de funcționare al acestui circuit pentru un debit redus va fi punctul C. Vana de derivație situată în aval de pompă nu modifică practic funcționarea în acest punct. Suprafața colorată reprezintă, așadar, puterea pierdută utilizând acest mod de funcționare. Acest mod de funcționare permite obținerea unei valori slabe a debitului util fără riscul unei creșteri excesive a presiunii la ieșirea din pompă.

Fig. 3.8 Utilizarea unui circuit de derivație (by-pass)

3.2 Proiectare pompă submersibilă de apă curată

Multe modele de pompe submersibile sunt făcute să funcționeze doar în apă curată, fără impurități și fără nisip mult. Aceste modele de pompe submersibile se pot folosi dacă se adună apa de ploaie care apoi se pompează într-un alt bazin, sau chiar la udat spațiul verde cu ele. Se mai folosesc și dacă sunt probleme de mediu cum ar fi inundațiile. În lucrarea de față se urmărește dimensionarea unei pompe care să asigure necesarul de apă curată pentru uzul intern al proiectului Casa Verde demarat de către studenții și masteranzii departamentului IMST al Facultății de Mecanică. În perioada precizată prin efortul comun s-a reușit ridicarea unei construcții metalice cu o formă astfel proiectată astfel încât să asigure atât posibilitatea captării radiației solare pentru conversia fotovoltaică în energie electrică cât și a apei din ploaie pentru reutilizarea acesteia în alte scopuri. Ca și dotări ale habitatului, care se dorește în același timp a fi un mic laborator destinat disciplinelor de la specializarea Ingineria și Protecția Mediului în Industrie, se pot enumera:

Conversia energiei solare în energie electrică prin utilizarea unui sistem fotovoltaic compus din 2 panouri fotovoltaice de câte 230 W fiecare cuplate în paralel, un regulator solar pentru încărcarea unui acumulator de 12 V și 55 Ah, respectiv un invertor 24 V / 230 W cu undă continuă și puterea de 550 W

Stație meteo wireless dotată cu senzori și afișaj digital care permite și transferul datelor înregistrate în calculator printr-un port serial.

Sonometru digital pentru monitorizarea poluării sonore în spațiile de învățământ

Fig. 3.9 Stadiul actual al proiectului Casa Verde

Capitolul de față tratează aspecte teoretice și de proiectare în vederea implementării unui dispozitiv de colectare a apei de ploaie și recircularea acesteia în interiorul habitatului proiectat. Principiul colectării și reirculării apei în habitatul Casa Verde constă în următoarele aspecte:

Apa de ploaie este colectată într-un recipient ce se va proiecta în concordanță cu necesitățile de utilizare ale laboratorului

Recircularea apei va fi realizată cu o pompă submersibilă de apă curată care se va proiecta corespunzător

Apa reziduală va fi deversată în canalul colector existent la nivelul clădirii corpului B.

Pompa submersibilă de apă curată va fi alimentată din surse de energie regenerabile funcționând în mod autonom atât în perioada de vară cât și în perioada de iarnă când încârcarea bateriilor de acumulatori va fi asigurată printr-un circuit electric special din clădirea corpului B

Datele de proiectare a pompei de apă curată se pot extrapola pornind de la ideea că apa de ploaie curge gravitațional pe suprafața polimerică a structurii habitatului. Cantitatea de apă colectată este o funcție de volumul de apă care se deplasează gravitațional pe suprafața polimerică. Pentru determinarea vitezei de curgere se va ține cont de panta suprafeței polimerice și de accelerația gravitațională, conform figurii 3.10.

Fig. 3.10 Deplasarea unei molecule de apă pe plan înclinat

unde: A – picătura de apă, G – greutatea picăturii de apă, P1, P2 – componente ale funcției de deplasare. În fond profilul longitudinal al planului habitatului este unul înclinat iar deplasarea apei se realizează conform regulilor fizicii. De asemenea se poate considera că mișcarea apei este una laminară și uniformă astfel încât studiul se poate reduce la un caz ideal. Prin cunoașterea vitezei se poate determina debitul de apă. Pentru aplicația de față se propune utilizarea unei metode analitice (grafo-mecanice) de calculare a vitezei medii verticale prin mediere aritmetică ponderată a vitezelor măsurate în punctele standard. Pentru studiul se consideră un singur punct de măsurare.

(3.1)

Tabel 3.1 Datele de proiectare ale pompei submersibile de apă curată

Se calculează presiunea necesară:

(3.2)

unde SG = 1 deoarece apa de ploaie este nesărată. În condițiile unei ape sărate, greutatea specifică SG = 1,02.

Se calculează înălțimea de pompare:

(3.3)

unde L = 15,5 m și reprezintă lungimea totală a țevilor de la rezervorul de apă până la robinetul de evacuare.

Se calculează pierderile totale în țevi. Pentru aplicația dată se poate considera o pierdere cumulată de 20 %.

(3.4)

Rezultatele calculelor de proiectare conduc la următoarele concluzii prezentate în tabelul 3.2.

Tabel 3.2 Rezultate calcul proiectare pompă submersibilă apă curată

Pentru rezultatele obținute se propune o pompă submersibilă de apă curată alimentată prin intermediul unei baterii de 12 V sau cu ajutorul unei energii furnizate de panourile fotovoltaice existente pe planșeul habitatului Casa Verde. Prin proiectare se alege o pompă submersibilă cu următoarele caracteristici tehnice:

pompa submersibilă 12 V care se pretează pentru transfer de apă, ulei, motorină

prevazută cu întrerupător On/Off

material : ABS/Metal (inox)

dimensiuni : 180 x 50 mm

ieșire pentru furtun 19 mm

debit : 30 L/min

înălțimea de pompare : max. 4 m

turația motorului : 8500 rpm

curent absorbit în funcționare : 0.3 A

curent de pornire : 6.4 A

Fig. 3.11 Pompă submersibilă aleasă prin proiectare

3.3 Proiectare senzor de nivel pentru vasul de colectare a apei de ploaie

Pentru evitarea prea-plinului în vasul de colectare a apei de ploaie se propune proiectarea unui senzor de nivel cu lichide magnetice. Principiul de funcționare al senzorului se prezintă în figura de mai jos. Principiul de funcționare al sistemului proiectat este următorul: nanofluidul magnetic parcurge miezul gol al bobinei pe măsură ce recipientul cu apă se umple sau se golește. Influența fluidului magnetic asupra reluctanței magnetice a bobine va conduce la modificarea inductanței totale a acesteia în sensul creșterii atunci când vasul este plin iar fluidul ocupă întreg volumul aferent miezului bobinei, respectiv descreșterii până la valoarea intrinsecă a bobinei atunci când vasul cu apă este gol ca urmare a procesului de udare.

Fig. 3.12 Sistem automat de control al nivelului de apă colectată

Pentru buna funcționarea a sistemului proiectat se recurge la adoptarea atât a principiului de sesizare cât și la alegerea fluidului magnetic necesar efectuării experimentului. Cantitatea mare de particule metalice uniform dispersate în masa fluidului purtător poate fi asimilat unui metal fluid care îmbină armonios proprietățile specifice curgerii fluidelor vâscoase cu proprietățile metalelor.

a. b.

Fig. 3.13 Schema și o imagine din timpul experimentului efectuat cu „metalul fluid” LM-0

a. Principiul de realizare al experimentului; b. Imagine din timpul experimentului realizat

Experimentul de evidențiere a acestei îmbinări armonioase a constat în conducerea unui fluid magnetic în interiorul unei bobine cu ajutorul unei minipompe manuale. Utilizarea minipompei a fost posibilă datorită proprietăților de curgere ale fluidului magnetic. Pe parcursul curgerii fluidului în interiorul bobinei au fost efectuate continuu măsurări ale inductanței bobinei.

Experimentul a confirmat ipoteza apriorică ce a stat la baza proiectării experimentului, potrivit căreia o creștere a volumului de metal introdus în interiorul bobinei va conduce la o creștere a inductanței bobinei.

Acest efect, produs de introducerea lichidului magnetic în interiorul bobinei, arată faptul că lichidul magnetic se comportă ca un material feromagnetic solid. În ansamblul său coloana de fluid s-a comportat ca și miez magnetic în interiorul bobinei utilizate în cadrul experimentului.

Fig. 3.14 Valorile măsurate ale inductanței pentru un diametru al tubului de 10 mm

Efectul poate fi exploatat în aplicații de sesizare cum ar fi senzori de poziție, senzori de înclinare, senzori de presiune, senzori de debit, senzori de vibrații și în multe alte aplicații caracterizate prin mișcarea elementului activ de sesizare la apariția modificării mărimii monitorizate. În cazul fluidelor inteligente cu comportare magnetică, volumul mare de particule metalice uniform dispersate în masa fluidului purtător asimilează compozitul unui metal lichid care îmbină armonios proprietățile specifice curgerii fluidelor vâscoase cu proprietățile metalelor. Pornind de la această certitudine, exploatabilă în proiectarea de elemente active de sesizare, au fost efectuate încercări de evidențiere și analiză a comportării pe post de miez magnetic a fluidelor inteligente utilizate (LM-SF32, LM-PP2 și LM-9). Încercările au constat în determinarea variației inductanțelor unor bobine, având diverși parametri geometrici, la introducerea controlată a unui miez magnetic constituit dintr-o coloană de lichid magnetic.

Fig. 3.15 Dispozitivele utilizate în experimentări

Determinările au fost efectuate pentru introduceri controlate, pas cu pas, a lichidelor magnetice în bobine. Introducerea s-a făcut utilizându-se dispozitive de tip cilindru cu piston, conform figurii 3.15. Constituindu-se în veritabile miezuri magnetice datorită structurii pulverulente metalice, cele 3 lichide magnetice au provocat variații ale inductanțelor bobinelor utilizate. Valorile determinate ale inductanțelor bobinelor au fost introduse în foi de calcul numeric computerizat în vederea modelării matematice a variației acestora.

Fig. 3.16 Schema programului experimental de analiză a comportării din punct de vedere magnetic a lichidelor magnetice elaborate

Programul experimental cuprinde două categorii de experimente bazate pe două diametre diferite ale sârmei de bobinaj și o analiză comparativă a rezultatelor obținute. Se prezintă în tabelul 3.2 condițiile de realizare ale experimentului nr. 1:

Tabel 3.2 Condiții de realizare a experimentului

Realizarea experimentului constă în introducerea în interiorul unei bobine de lungime fixă 10 mm a unor volume diferite de fluid magnetic. Deoarece bobina este una fără miez, atunci inductanța inițială în cele 3 situații va fi variabilă deoarece lungimea bobinei este menținută fixă deci pe măsură ce volumul interiorului bobinei crește atunci și valoarea inductanței se va modifica deoarece lungimea spirelor înfășurării va fi diferită.

Au fost realizate pentru fiecare din cele 3 fluide magnetice câte două seturi de experimente pornind de la un tip de sârmă de bobinaj cu diametrul inițial de 0,125 mm și ajungând la diametrul final de 0,35 mm. Prin variația volumului de lichid în cele trei situații se obține un număr total de 18 experimente. În tabelul 3.3 se prezintă rezultatele experimentului și modelul matematic care caracterizează variația inductanței.

Tabel 3.3 Rezultatele experimentului și modelarea matematică a variației inductanței

Utilizând criteriul Chauvenet de extragere a valorilor determinate cu erori mai mari decât valoarea arbitrar autoimpusă de 3%, au fost construite modelele matematice prezentate în tabelul 3.3. Concluzionând asupra rezultatelor obținute, se extrag următoarele observații:

variația inductanței este liniară în cazul fiecărui lichid magnetic în parte;

evoluția liniară a inductanței este crescătoare;

toate cele 3 lichide magnetice elaborate și verificate din punct de vedere al comportării magnetice sunt asemănătoare din punct de vedere al variației inductanței bobinelor.

A doua categorie de experimente constă în stabilirea unui volum fix de fluid magnetic și a unei lungimi fixe a bobinei, dar utilizarea a două sârme de bobinaj cu diametre diferite. Se prezintă în tabelul 3.4 condițiile de realizare ale experimentului nr. 2:

Tabel 3.4 Condiții de realizare a experimentului

Realizarea experimentului constă în determinarea variației inductanței bobinei la introducerea unui volum fix de fluid magnetic și modelarea matematicăa variației inductanței în acest caz. Parametrul variabildin cadrul experimentului va fi sârma de bobinaj, deoarece prin modificarea diametrului acesteia se vor obține inductanțe inițiale diferite. Dimensiunea experimentului constă realizarea a câte 2 experimente pentru fiecare fluid magnetic utilizat pentru 3 volume fixe de lichid. Se vor obține astfel un număr de 18 probe. Se prezintă în tabelul 3.5 rezultatele experimentului și modelul matematic al variației inductanței.

Tabel 3.5 Rezultatele experimentului și modelarea matematică a variației inductanței

Proiectare sursă de alimentare autonomă

4.1 Surse de energie disponibile în proiectul Casa Verde

Sursele de energie electrică disponibile în cadrul proiectului Casa Verde sunt de două feluri: energie electrică provenită din conversia energiei solare în electricitate, respectiv racordarea directă la clădirea B1 în care funcționează o alimentare convențională pusă la dispoziție de distribuitorul de energie electrică local.

Având în vedere conceptul proiectului Casa Verde cu privire la gradul de autonomie al habitatului pentru buna funcționare a sa se alege ca sursă de alimentare utilizarea unor panouri fotovoltaice existente în cadrul habitatului. Totuși, pentru situații de nebuloasă se va apela și la cea de a doua sursă energetică pentru care se va proiecta o sursă stabilizată pentru obținerea tensiunii continue de 12 V necesară funcționării corespunzătoare a pompei.

4.2 Proiectare sursă autonomă pe bază de panouri fotovoltaice

Pentru o corectă dimensionare a instalației fotovoltaice se iau în considerare toate aspectele expuse mai sus. Având toate aceste date vom parcurge următoarele etape:

Alegerea panourilor fotovoltaice, funcție de necesarul de energie E pentru aplicația respectivã (consumul mediu anual exprimat în kWh/an) si calculând puterea de vârf necesară aplicației cu relația:

(4.1)

unde:

kBOS = 1,25 – coeficient de majorare pentru acoperirea pierderilor

H – iradiația medie anuală în locația respectivă [kW/m2 x an]

Calculul numărului de panouri fotovoltaice în funcție de configurația necesarã, numărul de șiruri și numărul de panouri pe șir. Tipul panourilor fotovoltaice se alege și dupã criterii economice (valoarea investiției, posibilitățile de amortizare, etc.), dintre cele ajunse la maturitate pe piațã (monocristaline, policristaline, amorfe, etc.). Dimensionarea instalației fotovoltaice (generatorul fotovoltaic format din “nșir” șiruri în paralel și cu “npanou/sir” panouri înseriate pe fiecare șir), se va realiza folosind următoarele formule:

(4.2)

(4.3)

(4.4)

(4.5)

(4.6)

(4.7)

(4.8)

(4.9)

(4.10)

Dupa efectuarea acestor calcule, se va obține pentru instalația fotovoltaică (generatorul fotovoltaic) valorile parametrilor electrici, tensiuni, curenți și puteri. Tot cu aceste valori se aleg celelalte elemente ale instalației fotovoltaice: invertoarele, bateriile de acumulatori, regulatoarele de sarcină și încărcare, dispozitive de protecție, tablouri și cabluri. După alegerea tuturor elementelor instalației fotovoltaice, se verifică echilibrul consumului și producerii de energie electrică și se revine iterativ în etapele anterioare, redimensionându-se anumite componente, dacă nu există un echilibru.

La dimensionarea instalației fotovoltaice, se va porni intotdeauna de la necesarul  de putere pentru locația respectivă. Astfel, se propune a se realiza o instalație fotovoltaică care să furnizeze o putere de 40 W. Pentru realizarea unei instalații fotovoltaice (generator fotovoltaic) care să furnizeze energia electrică de care avem nevoie, este mai întâi nevoie de un calcul de dimensionare. Etapele de dimensionare vor fi:

4.2.1. Etapa I

Alegerea panourilor solare

Consultând oferta furnizorilor de panouri fotovoltaice, se alege un panou solar policristalin de 230 W, tensiune de 12 V, curent panou 8.1 A, Vmp = 18.50 V. Panoul selectat se poate observa în figura de mai jos.

Fig. 4.1 Panou fotovoltaic policristalin de 230 W

Datele nominale furnizate de producător sunt:

Putere maxima (Pmax): 230 W

Curent maxim in sarcina (Im): 7.60 A

Curent de scurt circuit (Isc): 8.14 A

Tensiune cu iesirea in gol, fara sarcina (Voc): 37.20 V

Tensiune maxima, in sarcina (Vm): 30.3 V

Eficienta: 14.08 %

Tensiune maxima pe sistem: 1000 V

Dimensiuni:  990 x 1650 x 35 mm

Greutate: 11.1 kg

4.2.2 Etapa II

Determinarea numărului de panouri

Detereminarea numărului de panouri necesar se poate realiza prin obținerea raportului dintre puterea totală a instalației și puterea unui panou:

, rezultă un număr de panouri necesar egal cu 1.

4.2.3 Etapa III

Determinarea suprafeței panourilor

Determinarea suprafeței panourilor se poate realiza prin înmulțirea suprafeței unui panou cu numărul total de panouri necesare determinat în calculul anterior. Suprafața unui panou se poate calcula utilizând dimensiunile acestuia furnizate de producător și prezentate în etapa anterioară de proiectare.

(4.11)

Pentru montarea panourilor solare, este necesară de o suprafață de cel puțin 1,63 m2 și care să fie orientată spre sud.

4.2.4 Etapa IV

Alegerea schemei de conexiuni pentru panourile fotovoltaice

Se alege o schemă de conexiuni cu două șiruri paralele, a câte 1 panou fotovoltaic pe șir, dar care poate fi extins cu alte panouri legate în serie pe fiecare șir.

Număr șiruri: nșir = 1

Număr panouri/șir: npanou/șir = 1

4.2.5 Etapa V

Calculul caracteristicilor generatorului fotovoltaic

Tensiunea instalată a generatorului fotovoltaic se obține folosind formula de calcul de mai jos. Curentul total al generatorului se obține înmulțind curentul generat de un panou fotovoltaic cu numărul de șiruri legate în paralel.

(4.12)

(4.13)

(4.14)

(4.15)

(4.16)

Avand aceste valori se pot alege celelalte elemente ale instalației fotovoltaice.

4.3 Proiectare sursă stabilizată

Pentru realizarea unei surse stabilizate de alimentare a emițătorului de energie în sistem fără fir se propune proiectarea unei surse având la bază un transformator de rețea cu puteri între 5 și 40 VA. Puterea de ieșire furnizată atinge valori de până la 47 W având în vedere randamentul ridicat al transformatorului, iar curentul necesar a fi furnizat trebuie să acopere cerințele consumatorului, în speță un curent mai mare decât cel solicitat de pompă în regim nominal de funcționare și anume 0,3 A. Se alege prin proiectare un curent maxim de ieșire al sursei de 2 A. Pentru aplicația propusă în lucrare datele de intrare pentru transformatorul care se va proiecta vor fi:

Tensiunea de alimentare nominală în primar: U1 = 230 V

Tensiunea de alimentare nominală în secundar: U2 = 12 V

Puterea nominală din secundar: P2 = 40 VA

Frecvența nominală: f = 50 Hz

Calculul de dimensionarea al transformatorului care asigură alimentarea sursei urmează următoarele etape. Se calculează puterea nominală din primarul transformatorului egală cu puterea absorbită din rețeaua de alimentare:

(4.17)

unde:

P1 – puterea nominală din primar [ VA ]

P2 – puterea nominală din secundar [ VA ]

 randamentul transformatorului care se alege din curba următoare

Conform graficului prezentat mai sus pentru puterea P2 = 40 VA randamentul va fi:

(4.18)

Fig. 4.2 Randamentul transformatorului funcție de puterea transferată

Într-un transformator de rețea real există pierderi prin magnetizare (histerezis) și prin curenți turbionari (Foucault) în miezul magnetic, precum și pierderi prin efect Joule în conductoarele de cupru ai înfășurărilor. Aceste piederi conduc la încălzirea miezului și a conductorului înfășurărilor, în timpul fucționării transformatorului. Pentru un transformator de rețea cu puterea P1 = 200 W, realizat cu tole E + I produse autohton, pierderile prin magnetizare se pot aprecia la circa 8 %, pierderile prin curenți turbionari la circa 5 %, deci un total pierderi de circa 13 %. La puteri mai mari și randamentul este mai mare. Se calculează secțiunea necesară pentru miez:

(4.19)

unde:

Sm – secțiunea necesară a miezului [ cm2 ]

k – coeficient în funcție de încărcările transformatorului: k = 1,3 … 1,9; pentru solicitări medii ale transformatorului k = 1,5 … 1,6. Se alege k = 1,5:

cm2 (4.20)

Legătura dintre secțiunea miezului și putere se explică prin aceea că, datorită formei circuitului magnetic, spațiul disponibil pentru înfășurări este limitat. Când puterea crește, aria ocupată de înfășurări crește, iar aria ferestrei tolei este proporțională cu Smiez. Se alege conform figurii următoare, inducția maximă Bmax în funcție de puterea absorbită și materialul tolei care este bandă spiralată laminată la cald: pentru tole din tablă din fier-siliciu laminată la cald de grosime 0,35 mm, valorile lui Bmax = 0,9 … 1,45 T, iar pentru un miez spiralat din tole de tablă de fier-siliciu de grosime 0,35 mm, laminată la rece, valorile lui Bmax = 1,2 … 1,75 T unde se consideră:

Fig. 4.3 Alegerea inducției maxime

Din grafic se obține Bmax = 1,58 T. Se calculează numărul de spire pe volt:

(4.21)

unde:

N0 – număr de spire pe volt [spire/V]

f – frecvența nominală a rețelei [Hz]

Sm – secțiunea calculată a miezului [m2]

Bm – inducția maximă aleasă [T]

spire/volt (4.22)

Relația de calcul mai sus este dedusă din legea inducției electromagnetice:

(4.23)

În regim permanent sinusoidal, derivarea unei mărimi este echivalentă cu înmulțirea acesteia cu:

(4.24)

Se calculează numărul de spire ale înfășurării primare a transformatorului:

(4.25)

unde:

N0 – numărul de spire pe volt [spire/V]

N1 – numărul de spire din înfășurarea primară [spire]

U1 – tensiunea aplicată înfășurării primare [V]

spire (4.26)

Se alege constructiv N1 = 599 spire. Se verifică dacă toleranța admisă este sub 1 % :

(4.27)

Se calculează numărul de spire din înfășurarea secundară a transformatorului:

(4.28)

unde:

N2 – numărul de spire din înfășurarea secundară [spire]

N0 – numărul de spire pe volt [spire/V]

U2 – tensiunea din secundarul transformatorului [V]

spire (4.29)

Se alege numărul de spire din secundar N2 = 32 spire. Se determină mărimea curentului din înfășurarea primară:

(4.30)

unde:

I1 – curentul absorbit de înfășurarea primară [A]

P1 – puterea absorbită de la rețea de transformator [W]

U1 – tensiunea aplicată înfășurării primare [V]

A (4.31)

Observație: Se consideră un consumator pur rezistiv care realizează un factor de putere unitar și conform relațiilor din triunghiul puterii:

W (4.32)

Se prezintă în figura următoare valorile densității de curent raportate la diferite puteri pentru transformatoare de rețea unde se consideră:

Curba 1: condiții de lucru ușoare

Curba 2: condiții de lucru grele

Fig. 4.4 Alegerea densității de curent

Conform graficului pentru puterea din primarul transformatorului: P1 = 40 VA în condiții normale de funcționare corespunde o densitate de curent cu valoarea:

J1 = J2 = 3 A/mm2 (4.33)

Se dimensionează diametrele conductoarelor de bobinaj din înfășurarea primară:

mm

unde:

J1 – densitatea de curent din înfășurarea primară [A/mm2]

I1 – curentul absorbit de înfășurarea primară [A]

d1 – diametru calculat pentru conductoarele din înfășurarea primară [mm]

Tabel 4.1 Valori standardizate diametre conductoare

Pentru a dimensiona corect și alege diametrul standardizat ales la o valoarea superioară pentru conductoarele din înfășurarea primară trebuiesc realizate câteva condiții după cum urmează:

pentru d1 < = 0,7 mm numai dacă depășirea de către valoarea calculată a valorii standardizate imediat inferioară este mai mare de 2,5 %

pentru 0,7 < d1 < = 1 mm, numai dacă depășirea de către valoarea calculată a valorii standardizate imediat inferioară este mai mare de 5 %

pentru d1 > 1 mm, numai dacă depășirea de către valoarea calculată a valorii standardizate imediat inferioară este mai mare de 10 %

Se calculează abaterea diametrului calculat față de valoarea standardizată inferioară:

Tabel 4.2 Mărimi caracteristice conductorului ales

mm

mm

(4.34)

unde:

d1 – diametrul calculat al conductorului din înfășurarea primară

d1infstas – diametrul standardizat imediat inferior diametrului calculat al conductorului din înfășurarea primară

d1primar – abaterea valorii calculate a valorii standardizate față de valoarea imediat inferioară standardizată

% (4.35)

Se alege valoarea inferioară din tabel având în vedere că cea superioară nu verifică calculul abaterii față de valoarea calculată. Se alege Se alege valoarea standardizată care va fi utilizată ulterior în calcule a diametrului conductorului din înfășurarea primară:

d1stas = 0,18 mm

Se determină curentul debitat în înfășurarea secundară:

(4.36)

unde:

I2 – curentul absorbit de înfășurarea secundară [ A ]

P2 – puterea debitată de transformator [ W ]

U2 – tensiunea de ieșire din înfășurărea secundară [ V ]

A (4.37)

Observații:

Curentul solicitat de către consumator este Ic = 2 A, iar curentul maxim debitat de transformator în secundar este I2 = 3,33 A deci soluția tehnică propusă este una acceptabilă

Se consideră un consumator pur rezistiv care realizează un factor de putere unitar și conform relațiilor din triunghiul puterii:

W (4.38)

Conform graficului pentru puterea din secundarul transformatorului: P2 = 40 VA în condiții normale de funcționare corespunde o densitate de curent cu valoarea:

J1 = J2 = 3 A/mm2 (4.39)

Se dimensionează diametrele conductoarelor de bobinaj din înfășurarea secundară:

mm

unde:

J2 – densitatea de curent din înfășurarea secundară [A/mm2]

I2 – curentul debitat de înfășurarea secundară [A]

d2 – diametru calculat pentru conductoarele din înfășurarea secundară [mm]

Pentru a dimensiona corect și alege diametrul standardizat ales la o valoarea superioară pentru conductoarele din înfășurarea secundară trebuiesc realizate câteva condiții după cum urmează:

pentru d2 < = 0,7 mm numai dacă depășirea de către valoarea calculată a valorii standardizate imediat inferioară este mai mare de 2,5 %

pentru 0,7 < d2 < = 1 mm, numai dacă depășirea de către valoarea calculată a valorii standardizate imediat inferioară este mai mare de 5 %

pentru d2 > 1 mm, numai dacă depășirea de către valoarea calculată a valorii standardizate imediat inferioară este mai mare de 10 %

Se calculează abaterea diametrului calculat față de valoarea standardizată inferioară:

Tabel 4.3 Mărimi caracteristice conductorului ales

mm

mm

(4.40)

unde:

d2 – diametrul calculat al conductorului din înfășurarea secundară [ mm ]

d2infstas – diametrul standardizat imediat inferior diametrului calculat al conductorului din înfășurarea secundară [ mm ]

d2secundar – abaterea valorii calculate a valorii standardizate față de valoarea imediat inferioară standardizată [ mm ]

% (4.41)

Se recalculează abaterea față de valoarea standardizată prin utilizarea valorii standardizate curente și nu cea inferioară.

%

Se alege valoarea standardizată care va fi utilizată ulterior în calcule a diametrului conductorului din înfășurarea primară:

d2stas = 0,8 mm

Se calculează aria ocupată de înfășurarea primară în fereastra tolei cu izolație între straturi:

(4.42)

unde:

N1 – numărul de spire din înfășurarea primară [spire]

C1 – coeficient de umplere cu izolație între straturi [spire/cm2]

A1 – aria ocupată de înfășurarea primară în fereastra tolei [cm2]

cm2 (4.43)

Se calculează aria ocupată de înfășurarea secundară în fereastra tolei cu izolație între straturi:

(4.44)

unde:

N2 – numărul de spire din înfășurarea secundară [ spire ]

C1 – coeficient de umplere cu izolație între straturi [ spire/cm2 ]

A2 – aria ocupată de înfășurarea secundară în fereastra tolei [ cm2 ]

cm2 (4.45)

Se calculează aria ocupată de înfășurarea primară în fereastra tolei fără izolație între straturi:

(4.46)

unde:

N1 – numărul de spire din înfășurarea primară [ spire ]

C2 – coeficient de umplere fără izolație între straturi [ spire/cm2 ]

A1 ‘– aria ocupată de înfășurarea primară în fereastra tolei [ cm2 ]

cm2 (4.47)

Se calculează aria ocupată de înfășurarea secundară în fereastra tolei fără izolație între straturi:

(4.48)

unde:

N2 – numărul de spire din înfășurarea secundară [spire]

C2 – coeficient de umplere cu izolație între straturi [spire/cm2]

A2 ‘– aria ocupată de înfășurarea secundară în fereastra tolei [cm2]

cm2 (4.49)

Se calculează aria totală ocupată de înfășurări cu izolație între straturi:

(4.50)

unde:

At – aria totală ocupată de înfășurările primară și secundară în fereastra tolei cu izolație între straturi [cm2]

A1 – aria ocupată de înfășurarea primară în fereastra tolei [cm2]

A2 – aria ocupată de înfășurarea secundară în fereastra tolei [cm2]

cm2 (4.51)

Se calculează aria totală ocupată de înfășurări fără izolație între straturi:

(4.52)

unde:

At ‘– aria totală ocupată de înfășurările primară și secundară în fereastra tolei cu izolație între straturi [cm2]

A1 ‚– aria ocupată de înfășurarea primară în fereastra tolei [cm2]

A2 ‚– aria ocupată de înfășurarea secundară în fereastra tolei [ cm2 ]

cm2 (4.53)

Pentru dimensionarea corespunzătoare a tolei necesare în construcția transformatoarelor de rețea se stabilește la început tipul de tolă. Se alege constructiv tolă STAS de tip E + I denumite și „economice” care se prezintă în figura următoare:

Fig. 4.5 Tola STAS de tip E + I

Dimensiunile tolei economice se precizează prin litera E urmată de parametrul a [mm] care reprezintă dimesiunea de bază a tolei. Se prezintă în figura următoare caracteristicile tolelor economice:

Fig. 4.6 Modalități de obținere a tolei economice

Tolele de tip E + I sunt astfel denumite deoarece dintr-o bandă de tablă silicioasă de lățime adecvată se obțin prin ștanțare, concomitent, două tole E și două tole I, fără a se pierde din suprafața utilă a materialului. Astfel există următoarele tipuri de tolă STAS economică: E5 ; E6,4 ; E8 ; E10 ; E12,5 ; E14 ; E16 ; E18 ; E20 ; E25 ; E32. Grosimea tolelor este standardizată la valorile :

g1 = 0,35 mm

g2 = 0,50 mm

Aria festrei tolei AF [ cm2 ] reprezintă suprafața destinată introducerii înfășurărilor și este prezentată în figura anterioară. Valoarea acesteia este:

[ cm2 ] (4.54)

Se dimensionează tola necesară în situația utilizării înfășurărilor cu izolație între straturi:

(4.55)

unde:

At – aria totală ocupată de înfășurări cu izolație între straturi [ cm2 ]

 factor de umplere

Se alege ca factor de umplere optim:  = 0,7 unde stas  [ 0,62 – 0,76 ]

mm (4.56)

Se aleg constructiv tole de tip E 5 pentru înfășurări cu izolație între straturi, deci:

astas = 0,5 cm = 5 mm

Se dimensionează tola necesară în situația utilizării înfășurărilor fără izolație între straturi:

(4.57)

unde:

At ‘– aria totală ocupată de înfășurări fără izolație între straturi [ cm2 ]

 factor de umplere

Se alege ca factor de umplere optim:  = 0,7 unde stas  [ 0,64 – 0,76 ]

mm (4.58)

Se aleg constructiv tole de tip E 5 pentru înfășurări fără izolație între straturi, deci:

a’stas = 0,5 cm = 5 mm

Factorul de umplere optim se poate calcula țănând cont că reprezintă raportul dintre aria totală, ocupată de înfășurări în fereastra tolei și aria ferestrei așa cum se prezintă în figura următoare:

Fig. 4.7 Repartizarea spațiului în fereastra tolei

Se calculează factorul de umplere optim standardizat pentru înfășurări cu izolație între straturi:

(4.59)

unde:

At – aria totală ocupată de înfășurări în fereastra tolei [ cm2 ]

AF – aria ferestrei [ cm2 ]

astas – dimensiunea standardizată a parametrului tolei [ mm ]

(4.60)

Se calculează factorul de umplere optim standardizat pentru înfășurări fără izolație între straturi:

(4.61)

unde:

A’t – aria totală ocupată de înfășurări în fereastra tolei [ cm2 ]

A’F – aria ferestrei [ cm2 ]

a’stas – dimensiunea standardizată a parametrului tolei [ mm ]

(4.62)

Pentru calcularea grosimii pachetului de tole sunt necesare relațiile care se pot determina din figura următoare.

Fig. 4.8 Secțiune transversală printr-un transformator de rețea

Se calculează grosimea pachetului de tole pentru înfășurări cu izolație între straturi utilizând tolele STAS alese:

(4.63)

unde:

b – grosimea pachetului de tole pentru înfășurări cu izolație între straturi [mm]

Smiez – secțiunea miezului magnetic [cm2]

astas – parametrul standardizat al tolei economice [mm]

mm (4.64)

Se calculează grosimea pachetului de tole pentru înfășurări fără izolație între straturi utilizând tolele STAS alese:

(4.65)

unde:

b’ – grosimea pachetului de tole pentru înfășurări fără izolație între straturi [mm]

Smiez – secțiunea miezului magnetic [cm2]

a’stas – parametrul standardizat al tolei economice [mm]

mm (4.66)

Se evaluează numărul de tole necesar pentru înfășurări cu izolație între straturi:

(4.67)

unde:

N – număr de tole necesar pentru o grosime standard g1 = 0,35 mm [tole]

b – grosimea pachetului de tole pentru înfășurări cu izolație între straturi [mm]

g1 – grosimea tolei economice [mm]

tole (4.68)

Se evaluează numărul de tole necesar pentru înfășurări fără izolație între straturi:

(4.69)

unde:

N’ – număr de tole necesar pentru o grosime standard g1 = 0,35 mm [tole]

b’ – grosimea pachetului de tole pentru înfășurări cu izolație între straturi [mm]

g1 – grosimea tolei economice [mm]

tole (4.70)

Realizarea unui transformator de rețea monofazic, de mică putere, în producția de serie, implică următoarele etape tehnologice:

obținerea tolelor, din tablă de ferosiliciu (STAS 673-60), prin ștanțare în matriță;

tratamentul termic al tolelor ștanțate (recoacere la temperatura de cca. 8500C, urmată de răcire lentă), pentru detensionare mecanică și refacerea proprietăților magnetice, afectate de procesul de prelucrare mecanică;

realizarea carcasei, prin injecție de material plastic în matriță sau prin montaj din elemente constituente specifice, obținute în prealabil prin ștanțare, din preșpan, textolit, pertinax, steclostratitex, etc.;

bobinarea înfășurărilor, pe carcasa obținută anterior, cu ajutorul unor mașini de bobinat semiautomate sau automate, utilizând conductori din cupru izolați cu email (STAS 685-58); Observație: Bobinarea transformatoarelor de rețea se poate realiza, în funcție de cerințele tehnico-economice impuse, în două tehnici: – "fără izolație între straturi" – "cu izolație între straturi".

În primul caz se bobinează în următoarea ordine:

înfășurarea primară;

se introduc consecutiv două straturi de folie de izolație "trafo" (hârtie specială parafinată sau folie de poliester, cu grosimea de 30÷50μm);

prima înfășurare secundară, urmată de introducerea unui strat de izolație, etc;

întreaga bobină se mai izolează în final și la exterior.

În al doilea caz, se introduce către un strat de izolație după fiecare strat de spire bobinate.

introducerea tolelor în carcasă – operație denumită "lamelarea transformatorului". Observație: În cazul transformatorului de rețea, neexistând componentă de curent continuu, se realizează o lamelare întrețesută, adică se introduc alternativ, pe o parte și pe cealaltă a carcasei, mai întâi tolele de tip E, apoi cele de tip I. Ultimele 2-3 tole se introduc forțat, prin batere ușoară cu un ciocan din cupru sau alamă, transformatorul fiind așezat pe o placă din oțel. Lamelarea neîntrețesută se realizează prin introducerea în carcasă, pe aceeași parte, a tuturor tolelor E, respectiv I și se utilizează la transformatoare (sau bobine) care sunt străbătute și de o componentă de curent continuu, cum ar fi transformatoarele de audiofrecvență.

strângerea miezului magnetic cu o manta sau cu scoabe, prezoane și piulițe pentru a împiedica vibrația tolelor în timpul funcționării transformatorului.

Observație: Mantaua se realizează prin ștanțare, din tablă TDA cu grosimea de 1÷1,25mm, după care se acoperă galvanic prin zincare pasivizată. În anumite aplicații se practică și ecranarea transformatorului, cu ajutorul unor capace laterale, executate prin ambutisare din TDA, sau prin aplicarea unei spire în scurtcircuit, din folie de cupru care înconjoară bobinajul și miezul magnetic pe exterior.

impregnarea transformatorului prin imersie în parafină topită sau în lac poliuretanic (de ex. 3503 Ez) care polimerizează prin încălzire în cuptor, la o temperatură de 80÷1000C, timp de cca. 1 oră. Observație: Impregnarea transformatoarelor de rețea se realizează într-o incintă cu capac etanș, care mai întâi se videază la 10-1÷10-2 torr (pentru eliminarea urmelor de apă, de pe bobinaj și din hârtia de izolație trafo), după care se introduce impregnantul respectiv.

Controlul tehnic de calitate în cadrul căruia se verifică parametrii electrici (tensiunea sau tensiunile din secundar, rezistența înfășurărilor, raportul de transformare, rezistența de izolație între înfășurări, respectiv între primar și miezul magnetic) și mecanici ai produsului

Bibliografie

Resursă Internet – Prezentarea schematică a elementelor componente ale circutului apei în natură, https://ro.wikipedia.org/wiki/Circuitul_apei_în_natură#/media/File:Circuitul_apei.jpg

Resursă Internet – Codruța Bădăluță, Bazele utilizării apei, https://www.ct.upt.ro/users/CodrutaBadaluta/Cap_2.pdf

Resursă Internet – Administrația Naționale a Apelor Române, Informare de presă

Resursă Internet – Resurse de apă în statele UE, www.wikipedia.ro (Statistica datează din anul 2007)

WaterCore Project, Interreg IVC – Ghiduri de bune practici

VON HAUFF, M., KLUTH, K. 2006: Ökonomische Folgen der Trockenperiode 2003. In: BUNDESANSTALT FÜR GEWÄSSERKUNDE (Ed.): Niedrigwasserperiode 2003 in Deutschland. Ursachen – Wirkungen – Folgen. BfG-Mitteilungen 27. Koblenz.

Resursă Internet – http://www.livplast.ro/apa_pluviala_graf.php