Sursele de Energie

Diverse2

Sursele de Energie

Byadmin ianuarie 1, 2024

CUPRINS

1. ARGUMENT

2. STAREA ACTUALĂ A CONSUMULUI ENERGETIC

2.1. Situația la nivel Internațional

2.2 Situația la nivel Național

2.3. Soluții actuale pentru obținerea energiei electrice

2.3.1. Resurse energetice epuizabile

2.3.2. Surse energetice regenerabile

3. DESCRIEREA CONCEPTULUI PROPUS

4. STRUCTURA ȘI DIMENSIONAREA SISTEMULUI

4.1 Dimensionarea pompei de apă

4.2. Dimensionarea sistemului turbina – generator

5. MODELAREA SISTEMULUI

5.1. Dimensionarea curgerii

5.2. Dimensionarea pompei de apa

5.3. Dimensionarea rezervoarelor.

5.4. Calculul necesarului de energie

6. CALCULUL FEZABILITATII PROIECTULUI PROPUS

7. IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI INCONJURATOR

8. LEGISLATIA ÎN VIGOARE PRIVIND ENERGIA ALTERNATIVA

9. CONCLUZII

10. BIBLIOGRAFIE

1. ARGUMENT

În ultimele decenii, odată cu dezvoltarea societății a avut loc și evoluția surselor de energie. În ultimii ani s-a pus accentul pe sursele de energie „verde”, cum ar fi surse de energie eoliană, geotermală sau fotovoltaică. Datorită încălzirii globale continue, cercetătorii s-au orientat spre găsirea unor surse de energie care să nu dăuneze mediului înconjurător.

Bazându-mă pe principiul de funcționare al unei hidrocentrale am dorit să creez o sursă de energie alternativă. Neavând o sursă de apă continuă care să asigure o funcționare fără întrerupere a turbinei hidraulice, am optat pentru o varianta care utilizează doua rezervoare de apă.

Situând un bazin la un nivel superior și la o distanță optimă, am asigurat un debit de apă necesar unei turbine hidraulice pentru a putea genera energie electrică care să susțină și o pompă de apă, care va fii folosită pentru a transporta apă din bazinul al doilea, situat la un nivel inferior, către primul bazin, dar și pentru un consumator suplimentar pompei de apă.

Acest proiect are la bază ideea de a avea energie electrică chiar și în locuri unde este secetă sau apa lipsește cu desăvârșire.

2. STAREA ACTUALĂ A CONSUMULUI ENERGETIC

2.1. Situația la nivel Internațional

Promovarea dezvoltării durabile reprezintă un obiectiv strategic fundamental la nivel Internațional. Evoluțiile din sectorul energiei condiționează în cel mai înalt grad dezvoltarea durabilă a societății umane în ansamblul său, astfel încât este firească atenția acordată acestui sector de către factorii de sinteză și decizie, specialiști, mass-media, opinia publică în ansamblu. Comisia Europeană a elaborat strategii energetice la nivel comunitar, capabile să asigure realizarea unor obiective comune pentru toate țările din zonă.

Obiectivul general al strategiei sectorului energetic îl constituie satisfacerea necesarului de energie atât în prezent, cât și pe termen mediu si lung, la un preț cât mai scăzut, adecvat unei economii moderne de piață și unui standard de viață civilizat, in condiții de calitate, siguranță in alimentare, cu respectarea principiilor dezvoltării durabile.

2.2 Situația la nivel Național

Declarații de bune intenții privind dezvoltarea durabilă a României în general și a sectorului energie în particular au fost făcute în mod frecvent după 1990. Realizarea unor măsuri concrete în aceasta direcție a fost puternic afectată de fenomenele din perioada de tranziție spre economia de piață și în primul rând de recesiunea economică din deceniul trecut. Inițierea unor măsuri concrete a fost posibilă odată cu reluarea dezvoltării economice și cu întărirea relațiilor cu statele dezvoltate. Negocierile de aderare la Uniunea Europeană au jucat un rol decisiv în toate domeniile economice și sociale din România. În particular toate strategiile elaborate în ultimii ani precum și cadrul legislativ urmăresc în măsură maxim posibilă alinierea la strategiile și respectiv legislația Uniunii Europene inclusiv în domeniul dezvoltării durabile și promovarea energiei verzi.

2.3. Soluții actuale pentru obținerea energiei electrice

România dispune de o gamă diversificată, dar redusă cantitativ, de resurse de energie primară fosile și minerale: țiței, gaze naturale, cărbune, minereu de uraniu, precum și de un important potențial valorificabil de resurse regenerabile.

Potrivit ultimelor evaluări, potențialul hidroenergetic tehnic amenajabil al României este de circa 32.000 GWh/an. La finele anului 2009 puterea instalată în centrale hidroelectrice era de 6.450 MW, energia pentru anul hidrologic mediu fiind evaluată la 17.340 GWh/an. Astfel, gradul de valorificare al potențialului tehnic amenajabil este în prezent de 54%.

Cu excepția centralelor hidroelectrice mari, costurile de producere a energiei electrice în unități ce utilizează surse regenerabile sunt în prezent superioare celor aferente utilizării combustibililor fosili și nuclear. Stimularea utilizării acestor surse și atragerea investițiilor în unități energetice ce utilizează surse regenerabile se realizează prin mecanisme de susținere, în conformitate cu practica europeană, mecanisme ce duc și la creșterea prețului energiei electrice la consumatorul final.

2.3.1. Resurse energetice epuizabile

O evaluare corectă a posibilităților de acoperire a necesarului de resurse energetice primare în perspectivă trebuie să pornească de la situația actuală a rezervelor certe, corelată cu estimarea realistă a resurselor potențiale și în strânsă corelație cu previziunile privind consumul de resurse determinat de cererea de energie finală.

2.3.2. Surse energetice regenerabile

Sursele regenerabile de energie din România au un potențial teoretic important. Potențialul utilizabil al acestor surse este mult mai mic, datorită limitărilor tehnologice, eficienței economice și a restricțiilor de mediu.

Evoluția producției de energie electrică din România în perioada 01 Martie – 29 Mai 2013 a fost următoarea:

Fig.2.1 Consum și producție de energie electrica

Astfel este definita producția de energie electrică pe producători:

Fig. 2.2 Graficul puterii produse defalcată pe producători

După cum se poate observa, în graficul de mai sus sunt reprezentate sursele de energie din tara noastră și ce puteri au debitat în ultimele 3 luni.

De exemplu centrala nucleară de la Cernavodă a debitat în data de 1 martie o putere de 1416,19 MW. Din hidrocentrale s-a obținut o putere totala de 1614.56 MW.

Din totalul de energie debitat de sursele de energie o mică parte din aceasta a fost exportata, în tabel fiind notata cu Sold*.

Totalul puterii produse și consumate îl avem în următorul grafic:

Fig. 2.3 Graficul puterii produse și consumate

În acest grafic se poate observa că în tara noastră s-a produs în data de 1 martie o putere totala de 7212,31 MW, din care s-au consumat 7106,63 MW, diferența fiind exportata in afara granițelor.

3. DESCRIEREA CONCEPTULUI PROPUS

Conceptul propus are la bază funcționarea unei microhidrocentrale.

Neavând un curs natural de apă, se optează pentru folosirea a două rezervoare de apă, denumite mai departe R1 – rezervorul inferior și R2 – rezervorul superior, cu diferite capacitați.

În capitolul următor vor fi prezente în detaliu elementele sistemului: capacitățile rezervoarelor, diametrele conductelor de aducțiune și pompare, dimensionarea pompei de apă, dar și a generatorului.

Structura sistemului este următoarea:

Fig. 4.1 Schema reprezentativă a sistemului

Principiul de funcționare este următorul:

rezervorul superior, R 2, cu o capacitate de 3000 litri are conectat la baza acestuia o conducta cu diametrul de 150 mm, prin care se obține o curgere de 160 l/s.

Acest debit este folosit la acționarea unei microhidrocentrale cu puterea de 10 kW. Apa folosita in urma acționarii acestei microhidrocentrale va fi stocată intr-un rezervor inferior, R 1, cu o capacitate de 1000 litri.

Pentru a asigura un ciclu continuu de apă se utilizează o pompa, cu un debit de 2.3 l/min pentru o înălțime de 30 metri, situată la o distantă optima. Această distanță se alege utilizând principiul vaselor comunicante.

Principiul este asemănător cu cel al hidrocentralei de la Tarnița, cu diferența că acolo este creat un baraj de apă, alimentat de cursuri de apa, turbinele sunt folosite ziua pentru generare de energie electrica, iar in decursul nopților și in zilele cu consum mai mic de energie, acestea sunt folosite in regimul de pompa pentru a se reumple lacul de acumulare.

Fig. 11. Schema principiala a unei amenajări cu acumulare prin pompare

4. STRUCTURA ȘI DIMENSIONAREA SISTEMULUI

4.1 Dimensionarea pompei de apă

Se consideră o pompă încadrată într-un sistem hidraulic simplu (figura 4.1), alcătuit din următoarele componente: un rezervor de aspirație, a cărui suprafață liberă este la o cotă zi mai ridicată decât cota de referință zref a aspirației pompei, o conductă de aspirație între rezervor și pompă (la intrarea în această conductă există, în general, un sorb/filtru), o pompă centrifugă cu arbore orizontal, urmată de conducta de refulare, pe care se află montate o clapetă anti-retur (clapetă de reținere, care împiedică curgerea lichidului către pompă) și o vană, respectiv un rezervor de refulare, a cărui suprafață liberă se află la o cotă ze > zi. Se consideră cazul unor rezervoare închise, cu nivel constant, iar la suprafața liberă a rezervoarelor, presiunea este diferită de presiunea atmosferică. Funcționarea turbopompelor în sistemele hidraulice este determinată de parametrii fundamentali reprezentați în schemele din figura 4.1 și 4.2.

Legea energiilor se scrie pentru sistemul hidraulic din figura 5.1 sub forma:

(4.1)

Fig. 4.1. − Schema globală aferentă încadrării unei pompe într-un sistem hidraulic

Parametrii fundamentali care determină funcționarea unei turbopompe sunt:

• Debitul vehiculat, Q [m3/s] – reprezintă volumul de fluid care trece prin secțiunea de refulare a pompei în unitatea de timp;

• Înălțimea de pompare (sau sarcina pompei), H [m] – reprezintă energia pe care o cedează pompa curentului de fluid, raportată la greutate. Această sarcină disponibilă între secțiunea de refulare, respectiv de aspirație a pompei, este definită ca diferență între energia fluidului la refulare (r) și energia fluidului la aspirație (a), ambele energii fiind raportate la greutate, astfel:

(4.2)

După cum se observă din figurile 5.1 și 5.2, între punctele a și r, linia energetică LE prezintă un salt de înălțime H.

• Înălțimea geodezică de aspirație a pompei, Hga [m]– reprezintă diferența dintre cota secțiunii de referință zref de la aspirația pompei și cota secțiunii de intrare în sistemul hidraulic, zi :

(4.3)

La pompe cu arbore orizontal Hga = za – zi. Dacă Hga < 0 (ca în figura 5.1), pompa are contrapresiune la aspirație (caz favorabil evitării cavitației);

• Înălțimea geodezică, Hg[m] – reprezintă diferența de înălțime între planele orizontale determinate de cota secțiunii de ieșire din sistem (în aval de pompă) și cota secțiunii de intrare în sistemul hidraulic (în amonte de pompă):

(4.4)

• Sarcina pompei la mersul în gol, Ho[m] – reprezintă sarcina pompei la debit nul, Q = 0 , atunci când vana din aval de pompă este închisă;

• Sarcină pozitivă netă la aspirație, NPSH1[m] – este un parametru de cavitație esential pentru calculul pompelor. El reprezintă energia suplimentară raportată la greutate, necesară la aspirația pompei, peste nivelul piezometric dat de presiunea de vaporizare a fluidului pv/ρg, astfel încât în pompă să nu apară cavitația (vezi reprezentarea grafică a NPSH în figura 5.2). Pentru funcționarea fără cavitație, este necesar să fie îndeplinită condiția:

NPSH < NPSHinst (4.5)

unde NPSHinst este sarcina pozitivă netă la aspirație disponibilă în instalație;

• Puterea hidraulică (puterea utilă a pompei), Ph [W]– reprezintă energia totală cedată curentului de fluid în unitatea de timp (puterea transmisă apei). Ea se calculează în funcție de debitul vehiculat Q și de înălțimea de pompare H cu relația:

Ph = ρgQH (4.6)

Fig. 4.2. − Schema aferentă încadrării unei turbopompe într-un sistem hidraulic

• Puterea pompei (puterea absorbită), P[W] – reprezintă energia totală consumată de esiunea de vaporizare a fluidului pv/ρg, astfel încât în pompă să nu apară cavitația (vezi reprezentarea grafică a NPSH în figura 5.2). Pentru funcționarea fără cavitație, este necesar să fie îndeplinită condiția:

NPSH < NPSHinst (4.5)

unde NPSHinst este sarcina pozitivă netă la aspirație disponibilă în instalație;

• Puterea hidraulică (puterea utilă a pompei), Ph [W]– reprezintă energia totală cedată curentului de fluid în unitatea de timp (puterea transmisă apei). Ea se calculează în funcție de debitul vehiculat Q și de înălțimea de pompare H cu relația:

Ph = ρgQH (4.6)

Fig. 4.2. − Schema aferentă încadrării unei turbopompe într-un sistem hidraulic

• Puterea pompei (puterea absorbită), P[W] – reprezintă energia totală consumată de pompă în unitatea de timp pentru a ceda curentului de fluid puterea Ph; mai exact, este puterea mecanică transmisă la arborele pompei (puterea consumată), astfel încât la refulare să fie obținută puterea hidraulică (puterea utilă) și să fie acoperite toate disipațiile de putere din pompă (datorate pierderilor de sarcină hidraulică din rotor, pierderilor mecanice din lagăre și din sistemul de etanșare a arborelui și pierderilor volumice). Puterea pompei este definită prin relația:

(4.7)

unde η este randamentul pompei;

• Puterea la mersul în gol a pompei, Po[W] – reprezintă puterea la debit nul a unei pompe, adică puterea absorbită de pompă atunci când vana din partea de înaltă presiune este închisă;

• Disipațiile de putere mecanică, ΔPm [W]– reprezintă puterea mecanică disipată în lagărele de ghidare, în lagărul axial și în etanșările arborelui pompei;

• Puterea agregatului de pompare, Pme[W] – reprezintă puterea absorbită de motorul de antrenare al pompei, pentru a putea furniza curentului de fluid puterea utilă, adică puterea hidraulică la refulare:

(4.8)

unde ηc reprezintă randamentul cuplajului dintre pompă și motorul de antrenare, ηme reprezintă randamentul motorului electric de antrenare al pompei, η este randamentul pompei;

• Momentul la arbore, M [Nm]– reprezintă cuplul motor care trebuie furnizat la axul pompei pentru a putea asigura puterea absorbită:

M = P ω (4.9)

• Randamentul pompei, η – reprezintă raportul dintre puterea hidraulică la refulare și puterea consumată (transmisă la arborele pompei). Randamentul pompei definește calitatea transferului de energie din interiorul pompei și se calculează ca produs între randamentul hidraulic ηh , mecanic ηm și volumic ηv :

η = ηh ηm ηv (4.10)

• Randamentul hidraulic al pompei, ηh – este definit prin raportul dintre sarcina pompei H și înălțimea de pompare teoretică (diferența apare datorită pierderilor de sarcină hidraulică în rotorul pompei, precum și recirculărilor de debit în interiorul rotorului, datorită existenței unui număr finit de pale);

• Randamentul mecanic al pompei, ηm – este definit prin raportul:

(4.11)

unde P este puterea transmisă la arborele pompei (puterea consumată) și

ΔPm este puterea mecanică disipată prin frecări;

• Randamentul volumic al pompei, ηv – este definit prin raportul dintre debitul pompat Q și debitul Qt vehiculat de rotor (diferența apare datorită pierderilor de debit în zona de etanșare a arborelui și datorită recirculărilor existente în zona dintre rotor și carcasa pompei);

• Turația, n [rot/s] sau [Hz] – reprezintă numărul de rotații efectuate de rotorul pompei în unitatea de timp. În aplicațiile industriale, turația este exprimată frecvent în [rot/min], caz în care turația este definită prin numărul de rotații ale turbopompei pe durata unui minut;

• Viteza unghiulară, ω – este definită în funcție de turația n în [rot/s], prin relația:

ω = 2π n (4.12)

Dacă se consideră turația, în [rot/min], viteza unghiulară este definită prin relația:

ω = 2π n/ 60 = π n/ 30 (4.13)

Se va alege o pompă de apă autoamorsabilă produsă de Pedrollo: 2 CPm 25/160 B.

Aceasta are următoarele caracteristici de catalog:

Graficul curbelor de funcționare la turația de 2900 rot/min dat de producător este:

Fig. 4.3. Graficul de funcționare al pompelor 2CP

Domeniul de utilizare

• Capacitate de până la 450 l/min (27 m3/h)

• Înălțimea de pompare până la 112 m

Limitele de utilizare

• Înălțimea de aspirație manometrică până la 7 m

• Temperatura lichidului de la -10 °C până la +90 °C

• Temperatura mediu de la -10 °C până la +40 °C

• Presiunea maxima în corpul pompei: 10 bar

Instalarea și utilizarea

Pompele sunt recomandate in condițiile de pompare a unei ape curate fără particule abrazive și a lichidelor chimice care nu afectează materialele din care sunt fabricate acestea.

Datorita randamentului ridicat și a adaptabilității la o vasta gama de aplicații determina ca ele să fie folosite în mod ideal pentru aplicații de uz casnic, civil și industrial.

Instalarea pompelor trebuie făcută intr-un loc închis sau protejat de intemperii.

Fig. 4.4. Model pompa PEDROLLO 2CP

4.2. Dimensionarea sistemului turbina – generator

In funcție de căderea apei și debitul ei, se va alege una dintre turbinele de tip: Kaplan, Francis sau Pelton.

Alegerea turbinei potrivite depinde de căderea apei (H) și debit (Q).

Graficul de mai jos arata gama de turbine și puterea instalata.

Condițiile optimale de utilizare a acestei turbine sunt: o cădere mica de apă și un curent cu debit mare. Căderea apei (1m pana la 40m) stabilește numărul de palete ale rotorului (3 pana la 6 spirale). Astfel alegem o turbina Kaplan. Daca este posibil, va fi de preferat utilizarea unui generator cu acționare directa (fără pierderi de eficienta).

Din graficul următor deducem ca pentru un debit de 0,19 m3/s, la o cădere medie de 20 metri se poate alege turbina Kaplan.

Fig. 4.6. Graficul de încadrare a turbinelor în funcție de debit și cădere

Microturbinele Kaplan au domeniul de utilizare redus la zona debitelor mici Q∈{0,18…1} m3/s și căderilor mici, H ∈{1,5…10} m.

Randamentul optim are valori mai scăzute, de circa 85%, puterea obținută fiind P∈{ 2,2…83,5} kW.

Rotorul turbinei Kaplan are un număr redus de pale profilate (de la 3 pale pentru căderi mici, de 6 m, până la 8 pale pentru căderi mari, de peste 50 m).

Fusul palelor este orizontal, iar mecanismul de acționare a palelor se află în butucul rotorului.

Traseul hidraulic al turbinei Kaplan cuprinde următoarele elemente (fig. 4.7 și 4.8):

– camera semi-spirală, cu secțiune trapezoidală (debitul fiind mare, secțiunea transversală este mare, deci este realizată prin betonare, cu formă poligonală);

– statorul cu pale fixe, care imprimă apei o mișcare elicoidală, respectiv care rigidizează camera semi-spirală;

– aparatul director ale cărui pale sunt reglate cu ajutorul mecanismelor de acționare; rotorul cu pale reglabile;

– aspiratorul cotit, care dirijează apă către bazinul de refulare din aval.

– bazin de refulare

Direcția de curgere a apei la intrarea în turbină, respectiv la ieșire, este schematizată în figura 4.7.

Turbina are contrapresiune la refulare, înălțimea de aspirație Hs fiind negativă.

Diametrul caracteristic Dext al turbinei Kaplan este diametrul periferic al palelor rotorice. În figura 4.8 au fost reprezentate și alte mărimi specifice acestei turbine, anume: diametrul butucului rotorului Db , înălțimea aparatului director B0, diametrul fusului palelor directoare D0′ și diametrul D0 de așezare aferent bordului de fugă al aparatului director în poziție complet deschisă. Nivelul de referință zref al turbinei Kaplan este axa fusului palelor rotorice.

Fig. 4.7 – Schema turbinei Kaplan: (1) stator; (2) cameră semi-spirală betonată;

(3) rotor cu pale reglabile; (4) bazin de refulare; (5) aspirator cotit

Fig. 4.8 – Turbina Kaplan: (1) cameră semi-spirală betonată; (2) stator; (3) servomotor pentru acționarea aparatului director; (4) pale rotorice reglabile; (5) arbore vertical;

(6) lagăr radial; (7) mecanism de acționare a palelor directoare; (8) aparat director radial;

(9) aspirator cotit; (10) ogiva rotorului; (11) butucul rotorului

Va fi folosita o turbina Kaplan de putere mica, de tipul MH-8kW:

Fig. 4.9. Microhidroturbina Kaplan

Caracteristicile principale ale acestei microhidroturbine sunt:

5. MODELAREA SISTEMULUI

5.1. Dimensionarea curgerii

Pentru modelarea sistemului am folosit suita de programe de la Pipe Flow.

Pentru dimensionarea conductelor am folosit programul Pipe Flow Advisor.

Am folosit o conducta de PVC cu o lungime de 100 metri, diametrul interior de 200 mm, cu o inclinație de 0.2 (unghi de 11.3°).

Pentru a afla volumul de apă stocat intr-o conducta vom folosi formula:

(5.1)

Unde:

r – raza conductei

l – lungimea conductei

Pentru 2 conducte vom avea un volum total de:

V= 4 m3 (5.2)

Fig. 5.1 Aflarea volumului de apa in conducte utilizând softul Pipe Flow Wizard

Pentru a calcula debitul de apă și viteza acesteia la curgere libera am realizat montajul următor:

Fig. 5.2. Montajul realizat in softul Pipe Flow Expert pentru aflarea curgerii

Din calculele realizate de acest soft am obținut următoarele valori pentru diferite valori ale diametrului conductei:

Pentru a afla debitul vom folosi formula:

(5.3)

Aceste calcule au dus la alegerea unei microhidroturbine de 10 kW.

Viteza medie – Mișcarea fluidului se consideră a fi dată de o viteză medie pe o secțiune S normală la direcția principală de curgere, viteză definită ca raport între debitul volumic și aria secțiunii:

[m/s] (5.4)

Unde: Q este debitul și A este aria.

Puterea teoretică, ΔPk , corespunzătoare unui sector de râu, k, k = 1, n se determină cu relația:

(5.5)

Unde:

, in [m3/s], este debitul mediu si

, in [m], căderea corespunzătoare sectorului

Înlocuind debitul si căderea din formula anterioara se va obține o putere teoretica:

(5.6)

Energia teoretica a sectorului de curgere a apei se calculează cu relația:

(5.7)

Pentru a putea utiliza potențialul unei căderi de apa pe un sector este nevoie să se realizeze o concentrare a energiei în secțiunea din aval.

Concentrarea se referă la factorul intensiv – căderea.

Potențialul teoretic (brut) liniar al unei căderi de apa, reprezintă energia (sau puterea) maximă care se poate obține pe sectorul respectiv, fără a se ține cont de pierderile care apar prin amenajarea acestuia (randamentul hidraulic și randamentul electromecanic). Se mai numește putere hidraulică.

Potențialul calculat pe baza debitului mediu este:

(5.8)

(5.9)

unde:

– Q1 este debitul mediu multianual în secțiunea amonte a sectorului amenajat;

– Q2 este debitul mediu multianual în secțiunea aval a sectorului amenajat;

– Z1 și Z2 reprezintă cota amonte și respectiv cota aval a căderii de apa;

– 8760 reprezintă numărul de ore dintr-un an (timpul).

Potențialul teoretic liniar este o mărime invariabilă în timp și independentă de condițiile tehnice sau economice. De aceea, deși prezintă dezavantajul de a nu fi o mărime fizică reală, potențialul hidroenergetic teoretic este folosit pentru studii comparative.

Potențialul teoretic liniar se calculează, în general utilizându-se debitul mediu multianual al cursului de apă analizat în sectorul de interes.

În acest caz, relațiile devin:

(5.10)

(5.11)

Potențialul tehnic amenajabil reprezintă acea parte a potențialului teoretic care poate fi valorificat prin transformarea energiei hidraulice a cursurilor de apă în energie electrică prin amenajarea hidroenergetică a sectorului de râu analizat.

Puterea pe care o hidrocentrală o poate produce depinde de cădere, distanța pe verticală, H [m], între amonte și aval pentru turbine cu reacțiune, respectiv între amonte și axul turbinei pentru turbine cu acțiune, și de debitul de apă turbinat Q [m3/s]. Pentru definirea căderii se poate vizualiza figura 5.3

Fig. 5.3. Definirea căderii unei MHC.

Căderea determină energia potențială disponibilă al unui amplasament. Debitul râului reprezintă volumul de apă [m3] care trece printr-o secțiune transversală a râului într-o secundă. Puterea electrică produsă, respectiv energia electrică pot fi calculate folosind relațiile simplificate:

(5.12)

(5.13)

Unde:

– ηtotal = randamentul total pe amenajare;

– H = (Z1 − Z2 ) = căderea;

– Qm = debitul mediu multianual pe sectorul respectiv;

– T = timpul de calcul (pentru energia anuală se utilizează 8760 ore);

– E exprimă valoarea energiei care ar putea fi produsă utilizându-se un sector de râu.

Randamentul total la bornele generatorului, ηbg , se calculează ca produs al randamentelor asociate procesului de transformare a energiei hidraulice (potențială și cinetică) în energie electrică:

(5.14)

unde:

ηh = randamentul hidraulic, care reprezintă randamentul circuitului hidraulic (format, în general, din: priză de apă, aducțiune, cameră de încărcare, conductă forțată, vană),

ηt = randamentul turbinei și

ηg = randamentul generatorului.

Dacă se dorește evaluarea energiei electrice livrată prin linia de transport de către centrala hidroelectrică, ηCHE , la randamente se înmulțește și cu randamentul transformatorului, ηtr , relația de calcul a randamentului total devenind:

(5.15)

Întotdeauna se pierde energie atunci când aceasta este convertită dintr-o formă în alta. Turbinele mici de apă au rareori randamente mai mari de 80%. Puterea va fi, de asemenea, pierdută în conducta prin care circulă apa către turbină din cauza pierderilor prin frecare.

Printr-o proiectare atentă, această pierdere poate fi redusă însă într-o foarte mică măsură. Într-o aproximare dură, pentru sistemele mici, de câțiva kW, randamentul global se poate considera 50%. Ca atare, puterea teoretică ce se calculează (potențialul hidroenergetic evaluat) trebuie înmulțită cu 0,50 pentru a obține un rezultat mai realist cu privire la puterea electrică ce se poate obține de la amenajarea hidroenergetică respectivă.

Astfel, relația (3.3) de evaluare a puterii electrice produsă de o amenajare hidroenergetică, devine:

(5.16)

Unde:

– ηtotal = randamentul total pe amenajare;

– H = (Z1 − Z2 ) = căderea;

– Qm = debitul mediu multianual pe sectorul respectiv;

– T = timpul de calcul (pentru energia anuală se utilizează 8760 ore);

– E exprimă valoarea energiei care ar putea fi produsă utilizându-se un sector de râu.

Un generator al unei turbine care lucrează la o cădere de H=30 m, cu un debit de Q=0,17 m3/s va livra o putere de aproximativ:

5 * 0,17 * 30 = 25.5 kW. (5.17)

5.2. Dimensionarea pompei de apa

Pentru a alege pompa de apă potrivita pentru acest sistem am avut în vedere pompa de apă este un echipament folosit la transportul apei din puțuri, lacuri, fântâni în scopul alimentarii diverșilor consumatori. Din punct de vedere constructiv are trei componente principale: motor electric, unitate pompare și carcasa.

Principiu de funcționare al pompei este: apă este absorbita prin ștuțul sau fantele de aspirație și „împinsa” cu ajutorul grupului de pompare către consumatori.

Caracteristicile principale ale unei pompe sunt:

– pompele suprafața – adâncime maxima de aspirație și înălțime maxima de refulare

– pompele submersibile – înălțime maxima de refulare dat fiind faptul ca acestea lucrează doar când sunt imersate în fluidul ce se dorește a fi pompat.

Atunci când se va alege o pompa de apă trebuie avut în vedere traseul de alimentare pana la consumatori (pe orizontala si/sau pe verticala). în principiu pentru a pompa apă la 10 metri pe verticala (10 metri coloana apa) este nevoie, teoretic, de 1 bar presiune. în același timp, daca în fisa tehnica a pompei se menționează faptul ca are o înălțime de refulare maxima egala cu 50 metri acest lucru înseamnă ca pompa dezvolta o presiune maximă de 5 bari (atenție: debitul de apă la aceasta înălțime maxima va fi zero).

Teoretic, în linie dreapta și pe orizontala, pentru fiecare 100 metri de pompare este necesara o presiune de minim 1 bar.

In concluzie:

– pentru ridicarea apei la 30 metri vertical este nevoie de o presiune de minim 3 bar

– pentru pomparea apei pe orizontala la 100 metri este necesara o presiune de 1 bar.

Atunci când se alege o pompa este recomandat să se consulte graficul de funcționare al pompei.

NOTA: Întotdeauna se va alege o pompa ceva mai puternica decât ceea ce rezulta din calcule astfel încât aceasta să nu fie nevoita a funcționa în sarcină maximă.

Pentru dimensionarea pompei de apă am folosit suita de programe Pipe Flow, unde am introdus datele referitoare le pompa aleasă rezultând următoarele caracteristici:

Fig. 5.4. Montajul pentru dimensionarea pompei de apa

Fig. 5.5. Datele pompei

Fig. 5.6. Curba caracteristica a pompei dimensionate

La o viteza de rotație a pompei de 2900 rpm obținem un debit de 140 l/min, la o înălțime de pompare de 33 m.

La pomparea apei se folosește o conducta de diametru 32 mm. Pompa va fi situata la inaltimea de 15 metri pe orizontala, la o distanta de 50 metri de rezervorul inferior.

Fig. 5.7. Montajul clasic al unei pompe

Fig. 5.8.Modelul de funcționare al pompei

5.3. Dimensionarea rezervoarelor.

La dimensionarea rezervoarelor se va avea in vedere principiul vaselor comunicante. Sistemul propus va avea nu numai rezervoarele pline cu apă ci și conductele folosite pentru acționarea turbinei și pentru reumplerea rezervorului superior.

Vase comunicante reprezintă doua sau mai multe vase care comunica între ele la partea inferioara se numesc vase comunicante. Conform principiului vaselor comunicante, nivelul apei este același în vasele care comunică între ele, indiferent de forma vaselor.

Fig. 5.9. Principiul vaselor comunicante

In orice punct din interiorul fluidului există o presiune datorata greutății straturilor de deasupra acelui punct. Se poate calcula presiunea pe care o exercita o coloana de lichid de densitate r și grosime h la baza vasului având aria secțiunii transversale S (Fig. 5.9.).

Astfel :

(5.18)

Se observă că presiunea hidrostatică nu depinde de suprafața fundului vasului, ci numai de densitatea lichidului și de grosimea acestuia. Daca punem în câteva vase comunicante care au secțiunile bazelor diferite, un lichid, observam ca înălțimea lichidului în vase este aceeași.

Pentru a înlocui un volum de apă care se scurge în 10 secunde va fi nevoie de 10 minute.

5.4. Calculul necesarului de energie

Foarte mulți utilizatori folosesc termenul kilowatt (kW), când se refera la consumul de energie, fără să ia în considerare faptul ca acest termen se referă la putere. În acest condiții apar confuzii care în general creaza un disconfort de înțelegere.

Puterea se masoara în W (watt) având ca multiplu kW (kilowattul) în următorul raport:

1kW = 1000W (5.19)

Energia electrica se masoara în Wh (watt-ora) și are ca multiplu kWh (kilowatt-ora) în următorul raport:

1kWh = 1000Wh (5.20)

Energia electrica este direct proporționala cu puterea prin următoarea relație:

E (kWh) = P (kW) * T (ore) (5.21)

Orice echipament electric în momentul în care este conectat la rețea, devine consumator de energie. Energia consumata de acest consumator este direct proporționala cu puterea lui electrica înscrisa pe eticheta.

De exemplu, un TV care are o putere de 100W, daca va funcționa 5 ore va consuma 500 Wh, iar cazul în care va funcționa 10 ore va consuma 1kWh.

In etapa de proiectare – dimensionare trebuie să ținem cont de următoarele aspecte:

Estimarea consumului lunar – parțial sau total – a consumatorilor: aparate casnice, electrice, electronice și a instalațiilor de iluminat – necesar pentru dimensionarea generatorului electric.

Pentru determinarea întregului consum de energie pentru consumatorii utilizați, vom folosi următorul tabel:

Puterea consumata lunar se obține astfel:

– înmulțim puterea fiecărui aparat existent în locuința cu nr de aparate (daca sunt mai multe de același tip) și cu numărul de ore de funcționare zilnic (sau cate ore și zile pe luna funcționează);

– se însumează consumul zilnic realizat timp de o luna (aproximativ 30 zile calendaristice – în cazul consumatorilor folosiți zilnic) astfel obținând puterea totala.

Astfel se va obține:

In concluzie, aplicând formula E=P*T pentru un interval de timp de 1 ora vom obține un consum de 9,26 kWh.

Aceasta energie va fi folosita atât pentru utilizatorii casnici cat si pentru acționarea pompei de apa care va asigura constant necesarul de apa al turbinei hidrocentralei.

6. CALCULUL FEZABILITATII

Proiectul va fii amplasat în zona comunei Vâlcele județul Covasna, pe un teren privat și va ajuta la deservirea cu energie electrica a unei cabane de vacanta. Sistemul va fi de tip insular, dar și cu posibilitatea de legare la Sistemul Energetic National.

Fig. 6.1. Locația unde se va amplasa sistemul

Rezervoarele de apă pot fi amplasate la nivelul solului, deasupra solului sau îngropate. Conductele de aducțiune și refulare a apei vor fi amplasate la 50 cm de la nivelul solului pe suporți de lemn. Sistemul turbina-generator și pompa vor fi amplasate intr-o construcție din lemn cu baza de beton.

Având în vedere ca terenul și cabana unde va fi implementat sistemul se afla la o distanta de 120 metri de primul stâlp de curent costurile efective pentru realizarea proiectului sunt prezentate în următorul paragraf.

Tarifele estimative pentru emiterea avizelor de amplasament și avizelor tehnice de racordare la operatorii de distribuție sunt: intre 52 lei și 106 lei pentru un utilizator cu puteri intre 10kVA și 50kVA.

Pentru un stâlp prețul estimativ este de 2500 lei/stâlp și cablu pentru o distanta de 30 metri. Avizul pentru instalația electrica a construcției este de 1000 lei. Prețul a 1 kWh este de aproximativ 50 bani.

Costul total al conectării la Sistemul Energetic National este de aproximativ 15000 lei

Pentru realizarea sistemului propus avem următoarele costuri:

Sistemul turbina hidraulica: 15000 lei

Pompa de apa: 1500 lei

Tubulatura:

Țeava PP 32×1,8 – 2000mm cu inel – 100m 300 lei

Țeava PVC SN4 MS 160×4 L=2m – 100m 2000 lei

Rezervoare:

1* 1000 litri 1500 lei

1* 3000 litri 2000 lei

Alte materiale: 5000 lei.

Costul final pentru realizarea sistemului este de 28000 lei.

Având în vedere ca pe un kWh prețul este de aproximativ 50 bani. La un consum lunar de 200 kWh, cu un cost de 100 lei pe luna, am calculat ca investiția se amortizează în aproximativ 10 – 15 ani.

Orizontul de timp privind amortizarea unor investiții pentru producerea energiei electrice este estimat la 30-35 de ani, conform „Ghidului pentru analiza cost-beneficiu”.

7. IMPACTUL ASUPRA MEDIULUI INCONJURATOR

Mediul în care s-a dezvoltat omul a fost natura, pe parcurs, el si-a creat un mediu propriu de viața, cel artificial. Azi, mediul nostru de viața este un amestec de natura și ansamblu artificial, la sate fiind mai aproape de natura, iar la orașe, de mediul artificial. Dar oricum ar fi mediul, el trebuie să ne asigure oxigenul pe care-l putem respira, apă curata care înlesnește transportul la celulele corpului, al substanțelor care realizează metabolismul nostru. Numărul oamenilor este în continua creștere, dezvoltarea industriala a făcut ca satele să se schimbe în orașe, iar orașele în metropole. Spațiul pentru noile clădiri a fost luat tot din natura și astfel s-a produs aglomerarea urbana care a generat poluarea mediului înconjurător, ca atac direct la adresa naturii. Aglomerarea urbana înseamnă și o creștere a consumului de utilități , a exploatării multor resurse și a transformării mediului în folosul comunității și afectarea lui.

Astfel pentru alimentarea cu apă și energie electrica omul a fost nevoit să schimbe cursul râurilor, să construiască baraje, hidrocentrale, termocentrale, centrale nucleare, centrale eoliene și panouri fotovoltaice. Urmările acestor acțiuni pot fi atât benefice datorita furnizării unei cantități satisfăcătoare de energie electrica, cat și daunatoare, afectând în linii mari ecosistemul, habitatul și sănătatea, participând ca factori de risc la îmbolnăvirea populației.

Aerul este poluat de sistemul de încălzire a termocentralelor care expulzează particule de fum care ajung sa pătrundă în plămânii oamenilor.

Aproximativ o cincime din energia electrica de pe glob este furnizata de hidrocentrale. În Romania, hidroelectricitatea înregistrează în jur de 30% din totalul de energetic național. În unele tari se folosește apă pentru a genera electricitate. Baraje imense sunt construite pe râuri și lacuri, iar debitul apei ce provine din aceste baraje este folosit pentru a alimenta turbinele ce produc electricitate. Avantajul acestui procedeu de obținere a hidroelectricitatii este ca nu eliberează dioxid de carbon și nici alte substanțe daunatoare pentru mediu.

Dezavantajul este ca hidroelectricitatea, energia electrica generata de apă în mișcare, care este depozitata intr-un rezervor, creat prin bararea cursurilor de apa, poate provoca daune substanțiale râurilor și lacurilor, întrucât afectează debitul apelor și tulbura ecosistemul.

Implicit, și oamenii pot fi afectați de aceste modificări ale mediului natural. Unele baraje construite necesita relocarea populației în locuințe noi. Unele aranjamente hidroelectrice nu cauzează inundații ale ecosistemului și constituie o contribuție importanta la producerea de energie regenerabila la o scara mai mica.

8. LEGISLATIA ÎN VIGOARE PRIVIND ENERGIA ALTERNATIVA

Având în vedere ca sistemul poate fi racordat la rețeaua naționala de distribuție a energiei electrice, trebuie să ne supunem legislației în vigoare.

Referitor la sistemele electroenergetice izolate, Legea nr. 13 din 09 ianuarie 2007, Legea energiei electrice, punctează prin art. 47, din capitolul 4, următoarele aspecte:

(1) Localitățile care, din considerente tehnice sau economice, nu sunt conectate la Sistemul Electroenergetic Național, pot fi alimentate cu energie electrică prin sisteme electroenergetice izolate.

(2) Consumatorii alimentați din sistemele electroenergetice izolate vor plăti pentru energia consumată același preț ca și consumatorii captivi alimentați din Sistemul Electroenergetic Național sau prețul local stabilit conform prevederilor alin. (3).

(3) Autoritatea competentă va stabili prețul local și condițiile minime privind continuitatea și calitatea serviciului de furnizare.

(4) În situația în care prețul local nu acoperă costurile aferente alimentării dintr-o rețea electrică de interes public, diferența se suportă de la bugetul de stat.

În capitolul 1, dispoziții generale, art. 3 sunt definiți următorii termeni:

sistem electroenergetic izolat – sistemul local de producere, distribuție și furnizare a energiei electrice care nu este interconectat cu Sistemul Electroenergetic Național;

Sistem Electroenergetic Național –sistemul electroenergetic situat pe teritoriul național. Sistemul Electroenergetic Național constituie infrastructura de bază utilizată în comun de participanții la piața de energie electrică

Capitolul 2, autorități și competente, articolul 4, alineatul 2: Politica energetică, urmărind direcțiile stabilite prin strategia energetică, este elaborată de ministerul de resort pe baza programului de guvernare, pentru un interval de timp mediu și cu considerarea evoluțiilor probabile pe termen lung, cu consultarea organizațiilor neguvernamentale, a partenerilor sociali și a reprezentanților mediului de afaceri, având în vedere, în principal: d) asigurarea protecției mediului, reconstrucția ecologică a siturilor afectate de activități energetice;

e) transparența prețurilor și tarifelor la combustibili și energie;

g) dezvoltarea surselor regenerabile de energie și cogenerării de înaltă eficiență, cu acordarea de priorități energiei electrice pentru așezările izolate;

h) dezvoltarea cooperării energetice internaționale.

9. CONCLUZII

Din punct de vedere al potențialului hidroenergetic care ar putea fi exploatat, Romania se caracterizează printr-un grad scăzut de concentrare: râuri scurte, căderi joase și medii de apă, debite mici și medii din cauza cantității scăzute de precipitații (valoare medie: 637 mm3/an – impunându–se și dezvoltarea unui sistem de irigații); fluctuații mari ale debitului (30-40% din debit provine din topirea anuala a zăpezii), iar potențialul hidroenergetic al râurilor din interiorul țării este concentrat în zona montană.

Utilizarea acestui sistem energetic este benefica din multe puncte de vedere atât ecosistemului cat si omului.

Un studiu in detaliu al funcționarii hidroturbinelor, la diferite debite si înălțimi de curgere a apei poate duce la o îmbunătățire substanțiala a surselor de energie, chiar aceasta putându-se produce si in locuri unde apa lipsește cu desăvârșire si o putem stoca in rezervoare.

De asemenea in locul apei se pot folosi diferite tipuri de lichide, care uneori, la aceeași temperatura ca a apei pot avea debite mai mari sau chiar pot rezista la temperaturi la care apa poate îngheța si sa se obțină aceleași performante ca a apei la o temperatura mai ridicata.

Pentru studiul asupra hidroturbinelor exista diferite metode calcul, atât prin formule cat si prin programe de lucru si simulare a diferitelor sisteme hidraulice. Exista programe care pot simula si pompe de recirculare a diferite tipuri de lichide.

10. BIBLIOGRAFIE

http://www.pipeflow.co.uk/public/control.php;

www.pedrollo.ro Catalog_General_Pedrollo.pdf;

Dan Stematiu, Amenajări hidroenergetice București: Conspress, 2008;

Jacques Chaurette, Tutorial centrifugal pump systems, Montreal, Quebec, 2005;

Andrei-Mugur Georgescu, Sanda-Carmen Georgescu, Hidraulica rețelelor de conducte și mașini hidraulice, București, Editura PRINTECH, 2007, pag. 239 – 241;

Timo Flaspöhler, Design of the runner of a Kaplan turbine for small hydroelectric power plants, Tampere University Of Applied Scienes, Noiembrie 2007

Strategia energetică a României pentru perioada 2007 – 2020 actualizată pentru Perioada 2011 – 2020

http://www.isph.ro/ISPH/userfiles/MICROSIM_-_f1.pdf, Simulator virtual pentru exploatarea unei microhidrocentrale, etapa 1 / 27.02.2009;

Prof. Massimo Florio, Ghid pentru analiza cost – beneficiu a proiectelor, http://www.adrnordest.ro/user/file/library%20reference/Ghid%20pentru%20analiza%20Cost%20-%20Beneficiu.pdf;

http://www.minind.ro/energie/STRATEGIA_energetica_actualizata.pdf

http://pro.sistemulenergetic.com/statistics/show_graph/2013/3/1/0/0/2013/5/31/23/59

http://www.pumpfundamentals.com/index.htm

http://www.icemenerg.ro/PROSERV/Lucrare%20PROSEV-site.pdf

http://www.iucotop.com/index.php/produs/ro/medium-water-head-658.html

http://www.minind.ro/energie/STRATEGIA_energetica_actualizata.pdf

http://www.dedeman.ro/ro/termice/instalatii-hidro/retele-cu-apa-gaz-canalizare/tevi-pvc.html

Lege nr. 13/2007 din 09/01/2007 Legea energiei electrice Publicat in Monitorul Oficial, Partea I nr. 51 din 23/01/2007

BIBLIOGRAFIE