Hidrocentralele de Dimensiuni Mici

CUPRINS

MOTIVAREA ALEGERII TEMEI

Lucrarea ,, Analiza unei hidrocentrale de dimensiuni mici cu ajutorul programului RETScreen’’ reprezintă o lucrare importantă pentru un inginer electric și am ales-o deoarece o hidrocentrală are o importanță mare în zilele noastre.

Proiectul este dezvoltat pe cinci capitole, de la descrierea unei hidrocentrale până la utilizarea ei în zilele noastre. Pornind de la descrierea unei hidrocentrale, am precizat în acest capitol tipurile de hidrocentrale, avantajele și dezavantajele acestora respectiv construcția ei..

Capitolul trei intitulat și “Hidrocentrale de dimensiuni mici” reprezintă partea cea mai importantă din acestă lucrare deoarece aici am prezentat de la studiul de construcție al unde hidrocentrale de mici dimensiuni pâna la calculul respectiv amplasamentul și punerea în funcțiune. Datorită avantajelor ce le prezintă aceste hidrocentrale,ele sunt foarte răspândite incusiv la nivel mondial iar conform studiilor efectuate în România le regăsim poziționate pe diferite râuri sau construite astfel încât sa aibă propriul său baraj, ele reprezentând o sursă de producere a energiei nepoluantă și inepuizabilă

Ultimul capitol “Programul RETScreen” este structurat în trei subcapitole fiecare având un rol important în cadrul acestui capitol deoarece aici am prezentat o scurtă introducere despre acest prgram, avantaje și dezavantaje ce-l caracterizează și îl deosebește de restul programelor, dar nu în ultimul rând pașii principali ce trebuie urmați pentru a folosi corect acest program.

Prin această lucrare am prezentat principalele tipuri de hidrocentrale existente și utilizate în viața de zi cu zi respectiv importanța lor și avantajele care ni le oferă.

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

Domeniu de aplicare

,, O hidrocentrală reprezintă acea clădire unde energia hidraulică este transformă în energie electrică, energia electrică fiind o formă de energie primară regenerabilă nepoluantă. Deoarece este destul de complex să construim o astfel de hidrocentrală este evident că și costul uneia este destul de ridicat asta făcand și o comparatie cu o termocentrală, dar energia electrică ce va fi produsă de o hidrocentrală va fi de 3-5 ori mai ieftină deoarece cheltuielile ce vor aparea cu timpul se vor diminua ’’. [1]

Figura 1.1. Energia hidraulică [8]

CAPITOLUL 2

DESCRIEREA GENERALĂ A HIDROCENTRALELOR

2.1. Scurt istoric

,, În Romania hidrocentralele acoperă o mare parte din necesarul de energie. Un studiu efectuat de Strategia Nationala pentru Valorificarea Surselor Regenerabile de Energie prezintă câteva date despre potențialului unei hidroenergiei:

Potențial anual pe care hidrocentralele pot sa-l ofere este de aproximativ 70.000 GWh/an, din care o parte provin din

Râurille interne, pot oferii într-un an aproximativ 51.600 GWh

Sectorul Dunării, pot produce într-un an aproximativ 18.400 GWh

Conform unui studiu al Strategia Nationala potențial tehnic care poate fi oferit pe an este de 34.500 GWh, cu o capacitate instalată de 11.370 MW, din care:

Sectorul Dunării, deține 11.560 GWh, cu o putere instalată de 2.620 MW

micro-hidrocentralelor dezvoltă anual 2940GW, unde avem o putere instaltă de aproximativ 757 MW

potențial economic pe an avem circa 27.000 GWh, cu o capacitate instalată de 9.120 MW

Conform acestui studiu au mai fost identificate și aproximativ 5.000 de locatii ca fiind potrivite pentru a putea fii construite hidroenergetice de mici dimensiuni ’’.[3]

,, Primul prototip de hidrocentrală din lume a fost construită în 1870 și este numită Cragside,ea fiind situată în orașul Rothbury, Anglia.

Sursele spun că, Cragside era o simplă casă țărănească situată în apropierea orașului Rothbury și că ea a fost prima casă din lume din acea periadă care utilizată energia hidroelectrică.

În 1868 a fost a început practic moderizarea acestei zise ,,hidrocentrale” deoarece a fost instalat un motor hidraulic cu rolul de acționare liftului hidraulic dar și pentru diferite treburi gospodărești precum spălătoria de rufe etc.

Figura 2.1. Centrala hidroelectrică Cragside

În anul 1870 a fost utilizată forța apei dintr-un lac aflat pe proprietate, acestă utilizare avea ca și scop învârtirea unui dinam, aceasta fiind începutul unei prime hidrocentrale electrice din lume. Evident că o astfel de inovație în acea perioada a atras atenția multor oameni devenind mai târziu un subiect de dezvoltare multinațional. Țarile au observat că astfel de hidrocentrale dezvoltă avantaje datorită faptului că dispar cărbunii, lemnul și alte resurse și se folosete doar apa.

Principala companie din Romania care se ocupă de producerea energiei electrice folosind energia hidroelectrică se numește „Hidroelectrica”, care este o companie de stat și care în anul 2007 avea o valoare de 3,5 miliarde Euro.

Conform studiilor efectuate în anul 2006 centralele și micro-centrale au furnizat o energie de aproximativ 18,2 TWh având o putere instalată de 6 235 MW.’’.[4]

2.2. Componentele unei hidrocentrale

,, Centralele hidroelectrice sunt mecanismele utilizate în uzinele electrice cu rolul de a fi învârtite de turbine sau de motoare pentru producerea de electricitate.

O centrală electrică poate fi capacitată în funcție de debitul de apă ce trece prin turbinele respective și de înălțimea de cădere’’ [3]

În funcție de aceste criterii hidrocentralele au fost împartite astfel:

Hidrocentrale ce au un debit – < 15 m

Hidrocentrale ce au un debit cuprins între – 15–50 m

Hidrocentrale ce pot avea debit cuprins între 50–2.000 m ’’ [3]

,, Pentru a construi o hidrocentrală avem două categorii de lucrări ce apar si anume:

Lucrări civile

Lucrari ce țin de echipamentele mecanice și electrice

Lucrările civile

Aceste lucrări țin efectiv de barajul de deviație sau stavilarul, depind și de conductele ce ne ajută la transportul apei spre hidrocentrala noastră.

Figura 2.2. Schema generală al unei hidrocentrale [2]

Traseul apei spre hidrocentrală cuprinde:

,,În primul rând avem canalul prin care facem alimentarea hidrocentralei, în acel canal avem grătarul pentru plutitori care pentru motive de siguranță este de obicei construit din beton armat , mai avem o poartă de intrare, ea este contruită în funcție de tipul de amplasare al hidrocentralei și mai avem bineînteles conductele ce asigură transportul apei în hidrocentrala noastră. Aceste conducte depind și ele de amplasamentul hidrocentralei și evident de tipul de hidrocentrală ce alegem sa o construim.’’ [18]

Figura 2.3. Utilizarea potentialului în vederea obținerii energiei [8]

Vanele și porțile reprezintă un alt element important deoarece ele asigură intrarea respectiv ieșirea din turbină, tot ele dețin și rolul de a opri sau porni apa catre turbină, în cazul în care dorim să facem revizii. Ca și constructie ele sunt confecționate din oțel

Echipamente mecanice și electrice

Aici întâlnim două tipuri de elemente și anume:

Turbina

Generatorul

Aceste două elemente dețin un rol esențial într-o hidrocentrală și nu pot funcționa una fară cealaltă. Turbina este acel element ce transformă energia hidraulică în energie mecanică, alegerea uneia într-un astfel de proiect reprezintă un factor esențial deoarece se ține cont de locul amplasării hidrocentralei, puterea ce dorim să dezvolte hidrocentrala etc.

Ca și o scurtă clasificare turbinele ce sunt utilizate în acest domeniu se regăsesc astfel:

Înaltă

Medie

Cadere mică

Hidrocentralele construite cu caderi mici utilizează în general doar doua tipuri de turbine și anume Francis și Kaplan. O schema al turbinei Kaplan este prezentată mai jos’’ [6]

Figura 2.4. Turbina Kaplan [5]

Unde:

Arbore de antrenare vertical

Palete directoare de admisie

Rotor

Con

Tubul proiectat

,, În instalațiile mari sunt folosite turbinele cu acțiune precum turbine Pelton, Turgo sau Banki, turbine Bnki au o scurgere laterală așa cum e prezentată în figura de mai jos’’[6]

Figura 2.5. Turbina Banki [7]

Unde:

Distribuitor

Roată

Palete

Apă

Ax

,,Dimensiunile respectiv alegerea acestei tip de turbină depinde în general de tipul de cadere, debit respectiv de viteza rotorului. Această turbină este extrem de folosită deoarece ea poate fi înlocuită cu succes și acolo unde acționează turbine precum Francis, Kaplan sau Pelton

Legat de generatoare există la rândul lor tot două tipuri ce se utilizează în acest domeniu și anume cele sincrone sau cele asincrone. Principala diferență între cele două este faptul că generatorul asincron trebuie să fie conectat cu alte generatoare pentru a funcționa iar generatorul sincron poate funcționa independent.’’[6]

Figura 2.6. Schema unei hidrocentrale prevăzută cu o turbină Kaplan [3]

Funcționarea schemei

În partea stânga putem observa că avem un barajul de acumulare a apei care este amplasat pe cursul unui râu. Apa intră în hidrocentrală și realizează rotirea turbinei hidrocentralei, această transformare a energiei cinetice prin rotirea turbinei ne ajuta practic deoarece cu ajutorul ei vom transmite mai departe printr-un angrenaj de roți dințate generatorului de curent electric , care la rândul sau antrenează rotirea motorului generatorului în câmp magnetic și ne transformă acea energie mecanică în ceea ce ne dorim adică energie electrică.

2.3. Tipuri de turbine

Turbina turgo

,,A fost inventată în anul 1919 de către Gilbert Gilkes ea fiind o turbină compactă de tip cu acțiune.

Figura 2.7. Turbina turgo [17]

Ca și funcționalitate ea este acționată de jetul de apă ce vine cu mare viteză, impulsul ce rezultă este transmis generatorului electric, după terminare apa iese din turbină cu o viteză redusă adică la presiunea atmosferei.

Această turbină este asemănătoare cu cea Pelton, diferența fiind ca aici apa ce intră și lovește rotorul sub un unghi de 20º adică intră pe o parte și iese pe cealaltă, de aceea debitul la această turbină nu este limitat, poate avea diametrul mai mic dar aceeași putere produsă’’ [12]

Turbina Pelton

,,Această turbină este cea mai eficientă dintre toate tipurile de turbine hidraulice. Ea a fost inventată de catre Lester Allan în anul 1870 iar principiul ei de funcționare se bazează pe impulsul mecanic generat de presiunea apei, aceste turbine fiind recomandate astfel pentru debitele mici de apă respectiv acolo unde avem căderi mari de apă. [12]

Figura 2.8. Turbina Pelton [17]

Căderile de apă pot fi cuprinse între 60-100 de metri, iar jeturile au prevăzute duze pentru reglarea de debit , duzele fiind de tipul ac mai au avantajul că ajuta și la reglarea direcției jetului

Acestea au un randament mare până de până la 90%. [12]

Turbina Banki

,,Turbina Banki este construită din două discuri de tablă groasă care sunt sudate pe niște pale. Aici apa traversează turbina de două ori până a fi evacuată. Datorită construcției ei simple ea are un pret mic, de aceea este și ușor de reparat, un alt avantaj ce îl mai prezintă este faptul că poate sa fie folosită la o gamă largă de caderi cuprinsă în intervalul 5 respectiv 200 m.’’ [17]

Figura 2.9. Turbina Banki [17]

Principalul dezavantaj ce apare la această turbină este faptul ca are o eficiență redusă și datorită solicitărilor mecanice ce apar în turbină are și fiabilitate redusă.’’[17]

Turbina Francis

,,A fost inventată de către James Francis un inginer britanic în anul 1849, este o turbină cu reacție și curgere radială iar ea se utilizează de obicei la căderi de 25-350 metri.

Figura 2.10. Turbina Francis [12]

Această turbină este utilizată de cele mai multe ori în HC, pot avea axa verticală sau orizontală’’ [12]

Turbina Kaplan

’’ A fost inventată și dezvoltată de catre inginerul austric Viktor Kaplan, ea fiind o turbină ce are o curgere axială adică palele și porțile rotorului pot fi reglabile deci eficiența este foarte bună.

Este utilizată de obicei pentru căderi mici între 2-40 metri și o regăsim montată de obicei pe firul apei adică acolo unde avem debit mare și cădere mică

Figura 2.11. Turbina Kaplan [12]

Caracteristic acestei turbine este faptul că avem două tipuri de reglare:

palele rotorului sunt reglabile, palele de ghidare care să nu fie reglabile atunci ea se va numi cu ,,reglare fixă’’

palele rotorului sunt reglabile palele , paletele de ghidare sunt și ele reglabile atunci ea se va numi cu ,,dublă reglare’’

Dubla reglare prezintă avantajul că în orice moment se poate adapta rotorul și vanele de ghidare la orice cădere sau variție de debit ceea ce o face foarte flexibilă și poate lucra la 15% și 100% din debitul maxim de proiectare.[12].

2.4. Tipuri de hidrocentrale

,, Energia hidroelecrică este în acest moment printre cea mai utilizată energie cu aproximativ 22% din productia mondială.

Multe din acest procent sunt hidrocentrale de putere mică (SHP) care produc mai puțin de 10 MW, numărul lor în Europa fiind aproximativ de 17400

Astfel, dacă dorim să facem o clasificare avem:

Hidrocentrale electrice ce dezvoltă puteri mai mari de <5kW (PICO)

Hidrocentrale MICRO ce sunt cuprinse între 5kW – 100kW

Hidrocentrale ce sunt cuprinse între 100kW-10M (mici)

Hidrocentrale ce dezvoltă puteri >10MW’’ [9]

Hidrocentrale PICO-electrice

Figura 2.12. Schema unei picohidrocentrale

„O picohidrocentrală reprezintă o hidrocentrală dar de putere mică până la 5KW, datorită puterii lor scăzute ele sunt utilizate de obicei în alimentarea gospodăriilor, pensiunilor etc.

Ca și componente esențiale turbina poate să fie:

Cu impuls: Pelton, Turgo, Cross-flow ( Banki)

Cu reacțiune: Francis, Kaplan, Propeller, surub Arhimede

Ca și generator se pot utiliza:

sincron sau asincron

monofazat sau trifazat” [11]

Hidrocentrale MICRO si MINI-elecrice (MHC)

,, Microhidrocentralele convertesc energia apelor, cu ajutorul unui generator și o transformă în energie electrică, aceast proces respectiv această transformare este una regenerabilă și nepoluantă.’’ [12]

Figura 2.13. Hidrocentrale MICRO [13]

,,Principalele componente sunt ale unei (MHC):

Sistemul de transfer în care este cuprinsă apa respectiv circuitul care realizaează transferul

Linia de legătură la rețea adică conexiunea dintre MHC și sistemul de acumulare

Turbina hidraulică ce transformă energia apei în energie electrică

Rotor care fiind antrenat de energia mecanică transmisă de turbină produce energie electrică’’ [12].

Figura 2.14. Schematizarea unei microhidrocentrale [12]

Hidrocentrale mici

,,Aceste tipuri de microhidrocentrale sunt caracterizate prin faptul că se pot împarți în funcție de ce putere are instalația adică:

Mini ce are o putere de (<1MW)

Micro adică (<300kW)

Figura 2.15. Componentele unei hidrocentrale mici dimensiuni [15]

În schema prezentată mai sus avem:

Sistem de stocare

Canalul de aducțiune

Rezervor de stabilizare sau bief

Canal de deversare

Conductă forțată

Centrala electrică

Canal aval sau canal de calmare’’ [15]

,,Tipurile de hidrocentrale se mai pot clasifica și în funcție de caderile de apă adică va fi determinat de raportul dintre diferența de nivel dintre oglinda apei ce se află în lacul sau barajul de acumulare respectiv de apa rămasă dupa ce a trecut prin turbină.

Astfel vom clasifica hidrocentrale în :

Hidrocentrale ce au un debit – < 15 m

Hidrocentrale ce au un debit cuprins între – 15–50 m

Hidrocentrale ce pot avea debit cuprins între 50–2.000 m

O altă clasificare se mai poate face în funcție de felul construcției deci vom avea:

Așezate pe malul râului cu rolul de a produce enrgia în funcție de debitul râului

Putem avea și cu ajutorul unor lacuri de acumulare

Se pot construi și prin acumularea de apei ’’ [16].

Centrale și hidrocentrale din România

,, După cum am menționat mai sus Hidorelectrica este cea mai mare companie de stat din Romania ce deține numeroase sucursale și oferă anual o producție de energie raportată la 17.350 GWh. Privind sectorul hidroenergetic , România deține un număr de 350 microhidrocentrale dintre care:

Un număr de 296 se află în exploatare

42 dintre ele sunt active adică se află în exploatare

Un număr de 12 sunt inactive adică scoase parțial sau total din funcțiune

Figura 2.16. Sucursale Hidroelectrica [19]

Pentru a ușura munca din punct de vedere hidroenergetic România a fost secționată în 10 bazine hidrologice. ’’ [19]

Figura 2.17. Bazinele hidrografice din Romania [19]

Tabelul de mai jos prezintă principalele hidrocentrale ale României râul unde sunt poziționate, puterea instalată, acumularea respectiv valoarea ce este stocată

Figura 2.18. Hidrocentrale din România [28]

’’După cum observăm în tabelul de mai sus Dunărea reprezintă cea mai bună soluție pentru construcția unei hidrocentrale de aceea cea mai mare hidrocentrală Portile de Fier I și Portile de Fier II se află amplasată pe acest fluviu

Porțile de Fier I și Portile de Fier II sunt exploatate și în ziua de astăzi împreună cu Iugoslavia, cu o putere instalată de 1080 MW respectiv Portile de Fier II puterea instalată fiind de 250 MW acestea reprezintă cea mai mare hidrocentrală de pe Dunăre.’’ [21]

Figura 2.19. Portile de fier [20]

’’ Aceste centrale au un debit de 8700 mc/s, având o amplasare de 15 km față de orașul Drobeta Turnu Severin astfel că în aval avem Porțile de Fier I iar în amonte Porțile de Fier II’’ [21]

A doua mare hidrocentrală din România se află pe râul Lotru. A fost concepută și gandită în toamna anului 1965 prin amenajarea unor galerii ce cuprind circa 156 de km, rolul acestor galerii fiind de a transporta acumulările de debit a unor afluenți sau râuri aflate în bazinele adiacente, principalul avantaj întâlnit la această centrală fiind acesta, că are cea mai mare cădere de 809 metri aceasta facând-o unicată în România.

Figura 2.20. Centrala de la Lotru [29]

Centrala are o putere instalată de 510 MW și a fost pusă în fincțiune în anul 1972’’[21]

’’A treia centrală a țării se numește Marișelu și se află pe Someșul Cald, lucrările la aceasta începănd în anul 1970, acesta cuprinde treapta superioară al barajului Fântânele.

Figura 2.21. Hidrocentrala Mariselu [30]

Datorită faptului că este amplasat pe râu avem o acumulare de circa 212 mil de mc respectiv galerie utilzată la deviații de ce are distanța de 12,8 km. Aceasta deține o putere instalată de circa 220 MV asta la treapta inferioară, la piciorul barajului avem o putere instalată de circa 45 MV’’ [21]

2.6. Cele mai mari hidrocentrale din lume

Datorită faptului că producerea energiei electrice utilizând hidrocentrala este o energie nepoluantă marile țări ale lumii precum China, Brazilia și Venezuela s-au conformat acestei idei și au început producerea energiei utilizand aceste hidrocentrale. Așadar cele mai mari centrale ale lumii sunt:

Three Gorges Dam (China)

‘’ Această hidrocentrală se află pe primul loc în lume deoarece capacitatea instalată este de 18.460 MW adică de 2,5 ori mai mare decât toate unitățile ce se află în functiune în țara noastră’’ [31]

Figura 2.22. Hidrocentrala Three Gorges Dam [32]

Itaipu (Brazilia)

,,Cu o capacitate de 15.750 MW această hidrocentrală este clasată pe locul secund, ea lucrează prin ajutorul a 20 de generatoare. Făcând o comparatție cu Porțile de Fier , aceasta este de 7 ori mai mare decât Porțile de Fier, ele având doar o capacitate de 2.160 MW’’ [31]

Figura 2.23. Hidrocentrala Itaipu [33]

Simon Bolivar (Venezuela)

,, Cea mai importantă hidrocentrală din Venezuela situată pe locul trei în lume, ce are o capacitate de 10.055 MW și care poate asigura aproape întreaga energie electrică necesară întregii țări. Toate hidrocentralele aflate pe teritoriul României produc doar 6.400 MW ’’[31]

Krasnoyarsk (Rusia)

,, Această hidrocentrală ocupă locul 10 în lume având o capacitate de exact 6.000 MW. Hidrocentrala Krasnoyarsk este amplasată pe râul Yenisey, care are o adâncime de 24 metri și o adâncime medie de 14 metri’’[31]

CAPITOLUL III

HIDROCENTRALE DE DIMENSIUNI MICI

Introducere

,, Energia produsă de centrale respectiv hidrocentrale provine din mișcarea apei. Apa este o sursă regenerabilă având un rol important în funcționarea unei hidrocentrale, ea bineînțeles ține cont de circuitul apei în natură

Figura 3.1. Circuitul apei în natură

Aceste hidrocentrale de putere mică (HMP) sunt construite deseori pe malurile lacurilor deoarece acestea nu au nevoie de construcții speciale precum crearea de baraje sau de lacuri pentru acumulare a apei . Datorită acestor avantaje la nivel mondial se estimează că aceste hidrocentrale au o putere instalată de 47.000 MW având ca și potențial economic aproape 180.000 MW.

Ca și definiție am putea spune că o HMP este acea hidrocentrală ce dezvoltă ca și sistem hidroelectic o putere maximă până în 10 MW, ea fiind clasificată în două categorii

Mini hidrocentrale adică cele ce dezvoltă puteri mai mici de 500 kW

Micro hidrocentrale adică cele ce dezvoltă puteri mai mari de 100 kW

Să nu uităm că o astfel de hidrocentrală produce energia electrică pe surse regenerabile deci este nepoluantă, pot produce energie electrică oricând dacă avem debitul corespunzător deci reduc spre zero necesitatea de a folosi combustibili fosili’’[35]

Proiectarea unei HMP

,, Datorită complexității unei astfel de hidrocentrale pentru o eficiență mai bună și pentru a ușura munca s-a împărțit proiectul în patru pași astfel:

Sondaje de recunoaștere și studii hidraulice

Acest prim pas se referă în general la:

studii de hartă

delimitarea bazinelor de drenaj

estimări preliminare ale debitului și a inundațiilor

Studiul de pre-fezabilitate

Adică lucrul efectiv pe situl ales de noi prin:

Studiul geologic: are rolul de a studia locul în care dorim amplasarea hidrocentralei pentru a vedea daca locul de forare este sau nu utilizabil

O recunoaștere pentru zonele de împrumut adecvat : aici ne referim la ce conține zona nisp, pietriș

Un aspect preliminar bazat pe materiale cunoscute ca fiind disponibile

Selectarea principalelor caracteristici ale proiectului adică capacitatea ce va fi instalată, timpul de dezvoltare

Estimarea costurilor

Identificarea impactului asupra mediului înconjurător

Studiu de fezabilitate

Aici vom avea:

Delimitarea și testarea tuturor zonelor împrumuta

Estimarea de deviere

Determinarea potențialului de putere pentru o serie de baraje

Înălțimi și capacități instalate pentru optimizarea proiectelor

Nivelurile și a componentelor de apă;

Producția unei estimări detaliate a costurilor; și în cele din urmă, o evaluare economică și financiară a proiectului, inclusiv o evaluare a impactului asupra instalației electrice existente, împreună cu un raport de fezabilitate cuprinzător cu mai multe volume.

Planificarea sistemului și ingineria proiectului

Această lucrare a ar include

Studii și design-ul final al sistemului de transport

Integrarea proiectului în rețeaua de alimentarepentru a determina modul de funcționare precisă a acesteia

Producția de desene de licitație și caietul de sarcini

Analiza ofertelor și proiectarea detaliată a proiectului

În orice caz, domeniul de aplicare al acestei faze nu ar include supravegherea pe șantier, nici de management de proiect, din moment ce această lucrare ar face parte din costurile de execuție a proiectului.’’ [36]

Echipamente electrice și mecanice

Componentele electrice și mecanice primare ale unei centrale hidroelectrice mici sunt turbina și un generator .Un număr de diferite tipuri de turbine au fost proiectate pentru a acoperi gama larga de hidroelectrice. Turbine folosite pentru aplicatii mici de hidrocentrale sunt versiuni scalate-joase ale turbinelor folosite în dezvoltarea convențională al hidrocentralelor mari.

Figura 3.2. Componente ale unei hidrocentrale[37]

,, În figura de mai sus este prezentată o schemă generală al unei hidrocentrale ce are o cădere medie sau mare. Principiul de funcționare este definit astfel:

Apa ce se află în râu va fi deviată cu ajutorul unui canal construit special construit

Este important de știut că la instalațiile ce au cadere medie sau mare apa va fi transportată până la bazin cu ajutorul canalelor , iar bazinul va fi situat obligatoriu în amonte

Înainte de a intra în turbină, apa va trece printr-un proces de sedimentare ce va avea loc chiar într-un rezervor ce este situat la intrare, sedimentare care are rolul de a încetini viteza apei și pentru ca particulele în suspensie să se depună

Un alt rol care îl deține acest rezervor este de a filtra deșeurile care sunt aduse odată cu apa, bineînțeles ca acesta este protejat de un grilaj metalic

Odată intrată apa , este condusă cu ajutorul unei conducte forțate, conductă ce face legatura dintre rezervor și turbină

Un canal de evacuare rolul esențial al acestuia este de a deversa în râu apa ce a trecut prin turbină’’ [35]

,, Alte componente mecanice și electrice ale unei instalații hidrocentrale mici :

Un crescător de viteză pentru a se potrivi cu viteza de rotație ideală a turbinei cu cea

generatorului (dacă este necesar)

Ventil de închidere a apei pentru turbină

Râul poarta și controalele de ocolire

Sistemul de control hidraulic pentru turbina și supapa

Protecția electrică și a sistemului de control

Aparataj electric

Transformatoare pentru serviciul de stație și de transmisie a puterii

Serviciul de stație, iluminat, de încălzire și de putere pentru a avea control de comutație

Sistem de ventilație

Alimentarea cu energie de rezervă

Sistemul de telecomunicații

Sisteme de alarmă de incendiu și de securitate’’ [ 36]

Calculul unei hidrocentrale

,, Aceste calcule se fac pe baza unor date hidrologice care reprezintă condițiile de curgere în fiind studiate pe parcursul unui an, date utilizate de proiectanți ce vor obține curba de durată al debitelor . Acestă curbă prezintă un factor or important deoarece în funcție de rezultatul obținut se estimează potențialul amplasamentului.

Curba flux-durată

În figura de mai jos curba de durată este specificată de douăzeci și unu de valori Q0, Q5, …, respectiv Q100 reprezentând debitul pe curba fluxului durată în trepte de 5%. Cu alte cuvinte, Qn reprezintă flux care este atins sau a depășit n% din timp

Figura 3.4. Exemplu de curbă flux-durată

Atunci când se utilizează metoda specifică curba este exprimată în formă normală, adică în raport cu fluxul mediu. Fluxul mediu Q se calculează astfel:

(1.1)

Unde:

– reprezintă forma normală

– reprezintă zona de drenaj

Fluxul de date reale Qn (n = 0,5, …, 100) se calculează din datele de flux normalizate precum urmează în următoarea formulă: ’’[36]

(1.2)

Debitul disponibil

,, De multe ori, o anumită cantitate de apă trebuie să fie lăsată în râu pe tot parcursul anului din modotive de mediu. Ei bine acesl flux de rezidual Qr este specificat de către utilizator și trebuie să fie scăzute din toate valorile curbei pentru calcularea capacității de plante, capacitatea fermă și energia din surse regenerabile disponibile.

Fluxul Q'n (n = 0, 5, …, 100) este apoi definit prin formula’’[36]

(1.3)

Fluxul stabilit

Acest fluxul este definit ca fiind fluxul disponibil p% din timp, unde p este un procent specificat de către utilizator și de este de obicei egal cu 95%. Dacă este necesar, o interpolare liniară între intervale de 5% este utilizat pentru a găsi fluxul . În exemplul prezentat mai sus fluxul stabilit este egal cu 1,5 m3 / s cu p setate la 90%.

Sarcina atribuită

,,Gradul de sofisticare folosit pentru a descrie sarcină depinde de tipul de grilă luat în considerare.

În cazul în care centrala hidro de mici dimensiuni este conectată la o centrală-grilă, atunci se presupune că grila absoarbe toată producția de energie și sarcinile nu au nevoie să fie specificate.

Dacă, pe de altă parte, sistemul este în afara rețelei sau conectat la un izolat-grilă, atunci porțiunea din energia pe care pote fi livrată depinde de sarcină

Un exemplu de astfel de curbe este prezentată în figura de mai jos.

Figura 3.5. Exemplu de durată de încărcare

În ceea ce privește curba de durată aferente figurii 3.4, curba de durată este specificată prin douăzeci și unu de valori (L L L 0 5 100), ele definind sarcina pe curba de încărcare durată în trepte de 5%

Unde:

reprezintă sarcina care este atinsă sau a depășită de k% din timp.’’[36]

Cererea de energie

Cererea de energie zilnică se calculează prin integrarea ariei de sub curba de sarcină durată peste o zi. Se folosește o simplă formulă de integrare trapezoidală. Cererea de zi cu zi Dd exprimată în kW/h este, prin urmare, calculat ca:

(1.3)

Cererea anuală de energie D este obținută prin înmulțireanecesarul zilnic de numărul de zile într-un an, 365:

D=365 (1.4)

Factorul de încărcare

Factorul mediu de încărcare L este raportul dintre sarcina medie zilnică (Dd 24) la sarcina maximă (L0):

(1.5)

Această cantitate nu este utilizat de restul algoritmului, ci pur și simplu furnizat utilizatorului să dea o indicație privind variabilitatea sarcinii.

Avantajele și dezavantajele hidrocentralelor

Avantaje

Nu sunt nocive

Nu poluează mediul

Produc energia electrică în mod constant

Prin proiectare, barajele sunt construite ca să fie durabile

Apa din baraje mai poate fi folosită și la irigații

În comparație cu energia solară sau eoliană aceasta prezintă riscuri mai mici

Dezavantaje

Costurile ce implică construirea barajului sunt mari dar datorită faptului că se pot utiliza ca și control al inundațiilor dar și în irigații costurile scad deoarece se împart

Trebuie ca să fie amplasate astfel încât să funcționeze mulți ani pentru a face profit

Construcția unei astfel de hidrocentrale afectează mediul,fauna și locuitorii din apropierea ei

Fauna și mediul este afect deoarece construcția ei implică automat o inundare a zonei

Ca și mare dezavantaj reprezintă evacuarea persoanelor care locuiesc în apropierea hidrocentralelor ’’ [38]

CAPITOLUL IV

RETScreen

Introducere

,,RETScreen este un program ,,verde’’ care a fost gândit și dezvoltat de catre guvernul Canadei, ce are rolul ajuta la modelare ingineri, arhitecți și urbaniști financiari pentru a putea proiecta orice tip de proiect ce conține energie regenerabilă respectiv de a monitoriza și schimbările climatice,de a reducere polurea. Un alt rol ce-l îndeplinește este că reduce semnificativ costurile (atât financiare, cât și de timp) asociate cu identificarea și evaluarea proiectelor potențiale de energie.

RETScreen permite în mod rapid și eficient factorilor de decizie și profesioniști pentru a determina dacă energia regenerabilă propusă, este eficientă energetic, sau nu, sensul este cel de a nu cheltui foarte mulși bani daca proectul nu este retabil.

Pe plan financiar RETScreen a contribuit până în 2013 la economia mondială ajutând investitorii pentru a nu investi în proiecte nerentabile, ajutând la economii de peste 4 miliarde $.

Un alt avantaj ce-l prezintă acest program este ca este implicat direct în lupta cu emisiile de gaze, potrivit studiilor dupa utilizarea programului s-au redus cu aproximativ 20 milioane de tone pe an’’[39]

Prezentarea software-ul RETScreen

,,În software-ul RETScreen avem de-a face cu două cazuri și anume

un caz de bază –care este tipic măsurii și tehnologiei convenționale

caz propus- referent energiei electrice

RETScreen nu este în cele din urmă în cauză cu costurile absolute, ci mai degrabă costurile-incrementale costurile cazului propuse, care sunt mai mari decât cele pentru cazul de bază. Utilizatorul poate introduce fie costuri marginale direct sau introduceți atât costul total asociat cazului propus și eventualele credite rezultate din cazul în care costurile de bază realizată inutil de tehnologia propusă.

În Software-ul RETScreen, beneficiile energetice sunt aceleași atât pentru cazul de bază și cazul propus. În cazul în care, de exemplu, o hidrocentrală ce generează 50.000 MWh pe an, atunci acest lucru, comparativ cu 50.000 MWh de energie electrică din surse convenționale disponibile prin intermediul rețelei. Pe de altă parte, costurile vor fi, în general, să fie aceeași pentru cazul de bază și cazul propus: în mod tipic, cazul propusă va avea costuri inițiale mai ridicate și costuri anuale mai mici (adică de economii). Astfel, sarcina de analiză RETScreen este de a determina dacă este sau nu balanța costurilor și economiile pe durata de viață a proiectului pentru a face o propunere atractivă financiar. Acest lucru se reflectă în diferiții indicatori financiari și fluxurile de numerar calculate de Software-ul RETScreen”[40]

Etapele de analiză și proiectare în RETScreen

Vom avea cinci pași

Figura 4.1. Etapele de analiză și proiectare în RETScreen[40]

Modelul de Energie

,,Aici utilizatorul specifică parametrii care descriu locația proiectului energetic, tipul de sistem utilizat în cazul de bază, tehnologia pentru cazul propus, sarcinile (acolo unde este cazul), iar resursa de energie din surse regenerabile (pentru RETS) ”[40]

Analiza de cost

,,În această foaie de lucru, utilizatorul introduce costurile inițiale, anuale și periodice pentru sistemul de caz propus, precum și creditele pentru orice costuri de caz de bază, care sunt evitate în cazul propus (în mod alternativ, utilizatorul poate intra în costuri marginale direct). Calculele efectuate de Software-ul RETScreen pentru acest pas sunt simple (adăugare și multiplicare), informațiile găsite în manualul on-line pentru fiecare celulă de intrare și de ieșire ar trebui să fie suficientă pentru o înțelegere completă a acestui pas”[40].

Gazele cu efect de seră (GES)

,,Această foaie de lucru opțională ne ajută la reducerea anuală a emisiilor de gaze cu efect de seră rezultate din utilizarea tehnologiei propuse în locul tehnologiei de bază de caz. Avem posibilitatea de a alege între efectuarea unei analize simplificate, standard sau personalizate, și poate indica, de asemenea, în cazul în care proiectul ar trebui evaluat ca un potențial proiect a mecanismului de dezvoltare curată (MDC) 12.

RETScreen evaluează în mod automat dacă proiectul poate fi considerat ca un mic proiect MDC la scară pentru a profita de metodele simplificate de bază și a altor norme și proceduri pentru proiectele CDM de mică anvergură. ”[40]

Analiza costurilor

,,În acest pas utilizatorul specifică parametrii financiari legați de costul de energie evitat, creditele de producție, credite de reducere a emisiilor de GES, stimulente, inflație, rata de actualizare, datorii, și taxe. Din aceasta, RETScreen calculează o varietate de indicatori financiari valoarea prestabilită de exemplu cea netă, pentru a evalua viabilitatea proiectului. Un grafic cumulativ fluxul de numerar este de asemenea inclusă în foaia de lucru rezumat financiar. ”[40]

Sensibilitatea și analiza riscului

,,Acest ultim pas ajută utilizatorul în determinarea modului în estimările diferiților parametri-cheie care pot afecta viabilitatea financiară a proiectului. Utilizatorul poate efectua fie o analiză a sensibilității sau a unei analize de risc, sau ambele.

RETScreen este Software-ul ce utilizează atât date meteorologice cât și produse de performanță ca intrare la diferitele modele de tehnologie pentru a ajuta la determinarea cantității de energie care poate fi livrată într-un proiect, sau pentru a ajuta la calcularea altor parametri importanți, cum ar fi încercarea de încălzire. Sunt necesare date suplimentare în ceea ce privește costurile și alți parametri financiari pentru a determina diferitele aspecte financiare ale proiectului. Colectarea acestor tipuri de date pentru un proiect individual poate să necesite foarte mult timp și să fie și costisitoare. Software-ul RETScreen integrează o serie de baze de date pentru a ajuta la depășirea acestei bariere de implementare și pentru a facilita punerea în aplicare a proiectelor de energie curată din întreaga lume. Cu toate acestea, utilizatorul poate în orice moment, introduce date din alte surse în cazul în care este necesar.

Datele meteorologice din întreaga lume au fost încorporate direct în Software-ul RETScreen. O hartă cu toate stațiile meteorologice sol utilizate în RETScreen este prezentată în Figura 4.2

Figura 4.2. Hartă cu stațiile meteorologice RETScreen[40]

Figura 4.3. Exemplu integrat al bazelor de date în programul RETScreen[40]

,,Aceste date sunt comparate dintr-un număr de surse diferite. Ca urmare, datele originale nu sunt prezentate, dar sunt adunate mai degrabă datele din diferitele surse într-un singur loc.De asemenea, în funcție de stație, unele variabile sunt calculate din alte cantități; de exemplu, umiditatea poate fi calculată din nivelurile minime și maxime de umiditate.”[40]

RETScreen mai deține și accesul la peste 6.000 de date privind performanța produsului și caracteristicile relevante necesare pentru a descrie performanța acestuia.”[40]

Figura 4.4. Exemplu de date ce se introduc în programul RETScreen[40]

,,În figura de mai jos este prezentat un exemplu al analizei de cost, analiză ce se introduce în program unde datele ce privesc costurile încorporaet sunt afișatate în coloana din dreaptă, așa

Figura 4.5. Exemplu de analiză de cost [40]

Utilizatorul poate introduce coloanele personalizate de date de cost și cantitate prin selectarea diferitelor opțiuni în cadrulei "de referință de cost." Această opțiune servește pentru a actualiza datele originale, sau pentru a adăuga date personalizate”[40]

Calculul unei hidrocentrale

După cum am precizat mai sus RETScreen este conceput în scopul evitării potențialelor pierderi ce pot apărea într-un proiect respectiv se poate calcula costurile la care pot ajunge proiectul respectiv. Astfel dacă dorim proiectarea unei hidrocentrale vom strabate următorii pași

Figura 4.6. Calculul unei hidrocentrale

Mai sus este prezentată prima pagina din proiect unde se va denumi numele proiectului, locația unde se va amplasa hidrocentrala, tipul de proiect noi am ales producția de energie electrică dar RETScreen deține aici mai multe tipuri de alegere bineînteles ca diferă în funcție de proiect, de energie etc.

Figura 4.7. Setarea datelor

După cum menționam mai sus RETScreen deține o bază de date vastă ce cuprinde și stațiile meteorologice din aproape întreaga lume deci noi aici doar modificăm țara și orașul unde va fi amplasată construcția

Figura 4.8. Afișarea datelor

După încheierea acestui pas vom trece la proiectul efectiv adică vom alege turbina, puterea instalată, tipul de turbină respectiv factorul de utilizare. Eu am ales o turbină de tipul Kaplan ce are o putere instalată de 400KW și un factor de utilizare de aproximativ 80%.

Figura 4.9. Alegerea tipului de turbină

Următorul pas reprezintă principalul punct forte al acestui program deoarece vom face analiza de cost al acestui proiect. Aici vom întâlni calculele ce privesc

studiul de fezabilitate (inspecția locației, evaluarea resurselor, evaluarea mediului, proiectul preliminar, costuri estimative)

studiul de dezvoltare (negociere contract, aprobări, finanțe proiect, managemantul de proiect, călătorii și cazări etc)

studiul de inginerie (proiectul mecanic, proiectul electric, proiect civil, licitare și contractare etc)

studiul de producere al energiei electrică (turbina hidroelectrică, căile de acces, liniile electrice, posturile de transformare etc)

Figura 4.10. Analiza de cost

Costurile masive apar la sistemele de producere a energiei și cele de echilibrare al sistemului aici costul crește substanțial deoarece apar costuri ce privesc piesele de schimb, transportul, costuri specifice proiectului, echipamente respectiv timpul de finalizare.

Analiza financiară reprezintă un alt fișier ce se află în componenșa programului iar aici vom putea observa parametrii financiari, finanțele etc

Figura 4.11. Analiza emisilor

Aici RETScreen caluclează automat costurile, rata inflației, costurile totale ce apar pe durata de viață al proiectului dar un alt factor important aici se gasește în rubrica denumită finanțe aici programul calculează automat dacă dorim să luăm de la stat stimulente pentru pentru hidrocentrală sau nu.

Figura 4.12. Venitul anual al hidrocentralei

Costurile de proiect și economiile generate

Figura 4.13. Costurile de proiect și economiile generat

Generează automat și un grafic ce privește în cat timp se poate obține profit

Figura 4.14. Profitul obținut

Figura 4.15. Profitul obținut

CAPITOLUL V

CONCLUZII

Pornind de la principalele idei ale unei hidrocentrale (construcție,principiu de funcționare, ecuații, puteri) am descris principalele avantaje și dezavantaje pe care le prezintă aceasta.

După cum am prezentat în acel capitol hidrocentrala este o importantă piesă folosită în zilele noastre deoarece de pe urma construcții sale avem foarte multe beneficii, beneficii ce vin în ajutorul nostu prin,reduceri ale costurilor de energie și cel mai important lucru reduceri de gaze.

În capitolul trei unde este prezentată o hidrocentrală de dimensiuni mici (construcție, tipuri), s-a specificat curba flux-durată,debitul disponibil, sarcina atribuită, avantaje și dezavantaje.

În concluzie, consider ca această lucrare este una deosebit de interesantă și importantă în același timp, deoarece apa este o sursă inepuzabilă ce acoperă o mare suprafața pe globul pământesc. Utilizarea ei prin construcția de centrale sau hidrocentrale ajută foarte mult la producerea de energie ce ne este necesară nouă,energia produsă este nepoluantă și ieftină, ajută foarte mult și la economie prin reducere de carburant,ceea ce duce la cel mai important lucru ajută la reducerea de emisii de gaze emanate din arderea acelor carburanți.

Prin diferitele tipuri, de centrale sau hidrocentrale de mică sau mare putere amplasate pe malurile râurilor sau cu baraj de acumulare,consider că datorită faptului că sunt nepoluante, cu posibilitatea de a produce energie ,,verde’’ dețin un important rol în viața noastră de zi cu zi.