MICROHIDROCENTRALE (MHC)

1.Scurt istoric

Utilizarea apei în scopuri energetice este cunoscută de mii de ani. Astfel, de cel puţin două

mii de ani energia apei a fost folosită în foarte multe părţi ale lumii, la început pentru măcinarea

cerealelor. În primele decenii ale revoluţiei industriale, în Europa şi America de Nord au fost

construite mori de apă, pentru o varietate de scopuri, de la procesarea inului până la tors şi ţesut,

de la piuă şi până la prelucrarea lemnului.

Puterea apei este cea mai importantă sursă de energie care nu implică bioxid de carbon,

bioxid de sulf, protoxizi de azot sau orice alt tip de emisie toxică şi nu produce nici un fel de

reziduuri solide sau lichide. Centrala hidroelectrică se foloseşte de o cădere naturală sau

artificială a unui râu şi înglobează principalele avantaje în comparaţie cu alte surse de energie,

economisind la capitolul consum de cărbune, combustibil sau lemn de foc, fiind de sine

stătătoare, fără necesitatea implicării altor componente.

Până la sfârşitul secolului al XIX-lea, energia apelor a fost principala sursă utilizată pentru

a genera electricitate, până când cărbunele, produsele petroliere, iar mai târziu, combustibilul

nuclear, au devenit mai utilizate. Totuşi, energia hidro asigură 20% din producţia de energia

electrică pe plan mondial, cu randamente de peste 70%.

Nu există o definiţie general valabilă pentru termenul “microhidrocentrală” (MHC). Totuşi,

pe plan internaţional, se consideră MHC centralele hidroelectrice care au puterea instalată

inferioară limitei de 10 MW. O altfel de posibilă clasificare a hidrocentralelor după mărime este

prezentată în tabelul 1.1.

Hidrocentrale mari peste 100 MW – alimentează, de regulă, o reţea mai mareHidrocentrale medii 15 ... 100 MW Hidrocentrale mici 1 ... 10 MW

Minihidrocentrale 100 kW ... 1 MW – pot fi de sine stătătoareMicrohidrocentrale 5 KW ... 100 KW – asigură, de regulă, alimentarea cu energie electrică

pentru o comunitate mică sau pentru industrie în zone izolate de reţeaPicohidrocentrale câteva sute de W ... 5 KW

Tabel 1.1 Clasificarea hidrocentralelor după mărime

Prima hidrocentrală din lume este Cragside, în Rothbury, Anglia, construită în 1870 (figura

1.1). Cragside era o casă ţărănească în apropiere de Rothbury. A fost prima casă din lume care a

utilizat energia hidroelectrică. Construită într-o zonă muntoasă, a fost casa de vacanţă a lordului

WilliamGeorge Amstrongşi după 1870 a trecut în grija NationalTrust. Cragside, numită după

dealul Cragend, a fost construită în 1863 ca o modestă casă ţărănească cu două etaje, dar a fost

extinsă, transformându-se într-o adevărată vilă în stilul Tudor, de arhitectul NormanShaw. La un

moment dat, clădirea includea un observator astronomic şi un laborator ştiinţific.

Fig.1.1 Centrala hidroelectrică Cragside, Anglia

În decursul anului 1896 prima centrală combinată hidro şi termo din România a fost dată în

exploatare pe valea râului Sadu, fiind denumită Sadu. Vechea turbină cu ax vertical a fost

înlocuită în 1905 cu o turbină Francis care a funcţionat până în 1929.

2. Tehnologia de bază

Sistemele de microhidrocentrale, convertesc energia hidro, prin intermediul unui generator

în energie electrică. Acest tip de energie este una regenerabilă şi procesul este unul nepoluant.

Într-o MHC energia potenţială disponibilă sau căderea brută este convertită în energie

electrică prin intermediul principalelor componente ale sistemului hidroenergetic.

Principalele componente ale unei MHC sunt:

Acumularea: constituie o formă de stocare a energiei potenţiale disponibile.

Sistemul de transfer: include priza de apă (echipată cu grătar) şi circuitul de transfer

(canalul, conducta forţată, galeriile şi evacuarea) unde o parte din energia disponibilă este

convertită în energie cinetică.

Turbina hidraulică: este componenta centralei unde energia apei este convertită în energie

mecanică.

Rotorul generatorului: energia mecanică transmisă prin intermediul arborelui către rotor

conduce la producerea de energie electrică, conform legilor electromagnetice.

Linia de legătură la reţea: prin intermediul acesteia MHC este conectată la reţea pentru a

furniza energie electrică consumatorilor.

Fig.2.1 Schematizarea unei microhidrocentrale

Principalele componente mecanice şi electrice ale unei microhidrocentrale sunt: turbina

(turbinele) şi generatorul (generatoarele).

3.Tipuri de turbine

O turbină transformă energia hidraulică a apei în energie mecanică. Există diferite tipuri de

turbine care pot fi clasificate în mai multe feluri. Alegerea turbinei depinde în principal de

căderea disponibilă şi de debitul instalat în microhidrocentrală.

Turbinele sunt în general împărţite în trei categorii: de înaltă cădere, de cădere medie şi de

cădere mică; şi în două categorii: cu acţiune şi cu reacţiune (tabelul 2.1). Diferenţa dintre acţiune

şi reacţiune poate fi explicată prin simpla menţionare a faptului că turbinele cu acţiune

transformă energia cinetică a jetului de apă în mişcare prin lovirea paletelor turbinei; nu există

reduceri de presiune apa având aceeaşi presiune pe ambele feţe ale paletelor, presiunea

atmosferică. Pe de altă parte, palele unei turbine cu reacţiune sunt complet imersate în apă, iar

momentul unghiular al apei, ca şi cel liniar, este transformat în putere la arbore, presiunea apei

care iese din rotor fiind egală sau chiar mai mică decât cea atmosferică.

Tipul turbinei Cădere mare (150…

2000 m)

Cădere medie (50…

150 m)

Cădere mică

(3…50 m)

Acțiune Pelton

Turgo

Banki

Turgo

Banki

Reacțiune - Francis Propeller

Kaplan

Tabel 3.1 Clasificarea tipurilor de turbine

A. Turbine cu acțiune

3.1 Turbina Turgo

Inventată în 1919 de Gilbert Gilkes, Turgo este o turbină compactă de tip cu acțiune.

Energia potențială a apei (presiunea) este convertită în energie cinetică (viteza jetului)  de duze.

Prin forma lor, palele rotorice deflectă (reversează) jetul de apa de mare viteză. Impulsul

mecanic care rezultă este astfel preluat și transmis către arborele generatorului electric. Apa

părăsește turbina Turgo cu viteză redusă, la presiunea atmosferică.

La o geometrie rotorică dată (diametru, număr de pale), turația turbinei Turgo este impusă

de cadere (presiune). La o anumită cădere, creșterea debitului (duze multiple, duze cu secțiune

marită) aduce creșterea puterii electrice disponibile. Configurațiile cu duze multiple pot

funcționa - prin închiderea unor duze - și la debite reduse. Reglarea fină a debitului pe o duză

se poate realiza printr-o vănă coaxiala de tip lance.

Turbina Turgo este asemănătoare cu Pelton, dar jetul loveşte rotorul sub un unghi de 20º,

astfel că apa intră pe o parte a rotorului şi iese pe cealaltă. De aceea debitul nu este limitat de

cantitatea de apă evacuată (ca în cazul turbinei Pelton). În consecinţă, turbina Turgo poate avea

un diametru mai mic decât Pelton, pentru aceeaşi putere produsă.

Turbinele Turgo se exploatează la turație constantă, și se pretează la aplicații microhidro

cu căderi medii (25-225 m) și debite mici spre medii (până la 10-500 l/sec.).

Fig.3.1 Turbina Turgo

3.2 Turbina Pelton

Turbina Pelton este una dintre cele mai eficiente tipuri de turbina hidraulică. Turbina a

fost inventată de Lester Allan Pelton (1829-1908) în anii 1870 și funcționează pe baza

impulsului mecanic generat de presiunea apei. Turbinele Pelton sunt recomandate pentru

căderile mari de apă si debite relativ mici.

Organele principale ale turbinelor Pelton sunt: rotorul, injectorul și carcasa. Rotorul are

forma unui disc, pe a cărui periferie sunt dispuse paletele.

În mod obișnuit turbinele Pelton se realizează cu unul sau două injectoare, dar sunt și situații

particulare cu 4 sau 6 injectoare. Turbinele cu unul sau două injectoare se realizează în mod

obișnuit cu ax orizontal. Dacă se utilizează mai mult de două injectoare, agregatul se

construiește cu ax vertical, în acest fel fiind facilitată evacuarea apei din turbină.

Eficienţa turbinei Pelton este bună, de la 30% la 100% din puterea hidraulică pentru o

turbină cu un jet și de la 10% la 100% pentru una multi-jet.

Fig.3.2 Turbina Pelton

3.3 Turbina Banki

Turbina Bánki constă din două discuri de tablă groasă pe care sunt sudate nişte pale. Jetul

de apă intră prin partea superioară a rototului printre palele curbate, şi iese prin partea opusă,

trecând astfel şi a doua oară printre pale. Palele au forma astfel încât la fiecare trecere prin

periferia rotorului apa transferă o parte din momentul său, înainte de a cădea cu puţină energie

reziduală.

Fig.3.3 Turbina Banki

B. Turbine cu reacțiune

3.4 Turbina Francis

Turbina Francis a fost inventată în 1849 de inginerul britanic James Francis şi este, de

asemenea cunoscută ca o turbină cu reacțiune și curgere radială.

Se utilizează în principal în HC cu cădere medie şi cu debit cu fluctuații medii și mici. Apa

este condusă printr-o carcasa spirală și porți reglabile la rotorul cu pale fixe.

Domeniul lor de aplicare este de obicei la căderi de 25 – 350 m.

Ca şi în cazul turbinei Pelton, turbinele Francis pot avea axa verticală sau orizontală,

această configuraţie fiind cu adevărat comună în hidro mici.

Fig.3.4 Turbina Francis

3.5 Turbina Kaplan

Turbina Kaplan a fost inventată și dezvoltată de celebrul inginer austriac Prof. Viktor

Kaplan. El a lucrat la Universitatea din Viena şi în Brno. Prima aplicație comercială a fost în

1916 în satul Velm aproape de Viena.

Este o turbină cu curgere axială, atât palele rotorului cât și porțile fiind reglabile şi acest

lucru duce la o eficienţă foarte bună.

Turbina Kaplan este în principal implementată în schemele pe firul apei, la care trebuie

menținute, un debit mare și o cădere mică.

Este o turbină cu reacțiune cu curgere axială; utilizată, în general, pentru căderi mici 2 la 40 m.

Turbina Kaplan are pale reglabile la rotor şi poate sau nu să aibe pale de ghidare reglabile.

Dacă și palele rotorului și de ghidare sunt reglabile, turbina este numită ca fiind “cu dublă

reglare”. În cazul în care palele de ghidare sunt fixate, turbina este “cu reglare simplă”. Turbina

Kaplan cu palele rotorului fixe e numită turbina cu elice. E utilizată atunci când atât debitul cât şi

caderea rămân constante, care este o caracteristică a hidrocentralelor mari.

Dubla reglare permite, în orice moment, pentru adaptarea rotorului și a vanelor de ghidare la

orice cădere sau variație de debit. Aceasta este cea mai flexibilă, turbina Kaplan care poate lucra

la 15% şi 100% din debitul maxim de proiectare.

Fig.3.5 Turbina Kaplan

4. Generatorul

Cu privire la generatoare, există două tipuri de bază folosite în general în

microhidrocentrale şi anume cele sincrone şi cele asincrone (de inducţie). Un generator sincron

poate fi operat izolat în timp ce unul de inducţie trebuie operat legat cu alte generatoare.

Fig.5.1 GSPM - cu excitație cu magneți permanenți;

5.Analiza conceptuală a produsului

Fig.5.1 Schema conceptuală

Indentificând componenentele necesare unei sistem de microhidrocentrală se poate enunţa

că este alcătuită din:

Robinet

Conductă

Turbină

Amplificator de turație

Generator

Sistem de operare

Sistem de comandă și control

5.1 Funcția globală a sistemului de microhidrocentrală

Funcția globală a produsului

M*

Fig.5.2 Funcția globală a produsului

Unde: (M, I)/(M*, E*, I*) = notaţiile entităţilor de intrare şi respectiv de ieşire

M = material

E = energie

I = informaţie

Definiție: Transformarea energiei cinetice a apei în energie mecanică cu ajutorul unei turbine

hidro și a energiei mecanice în energie electrică cu ajutorul unui generator; punerea în funcțiune

a sistemului realizându-se prin intermediul unui panou de comandă și control.

5.2 Entitățile de intrare și ieșire:

INTRARE IEȘIREMATERIAL - Pierderi de

material(apa).ENERGIE Energia cinetică a apei. Energie electrică utilă.

Pierderi de energie mecanică și electrică.

INFORMAȚIE Date și instrucțiuni cu privire la punerea în funcțiune a sistemului.

Parametrii electrici doriți.

Date și valori ale parametrilor electrici obținuți.

Tabel 5.1 Entitățile de intrare și ieșire

5.3 Structura de ordinul 1M+1E+1I

Funcția globală a produsului

E*

I*

E

I

FM M*

Fig.5.3 Interacțiunile funcției globale

5.4 Structura de subfuncţii

E - energia cinetică a apei;

I – instrucțiuni de utilizare a microhidrocentralei;

E*1 – energia electrică utilă;

E*2 – energia electrică pierdută;

FE

FI

E*

I*

E

I

E*3 – energia mecanică pierdută;

I* - depozitul de valori obținute;

FE1 – funcția de conexiune energie-informație de tip comandă start-stop;

Soluția: Robinet

FM1 – funcția de transmitere, modificare a energiei cinetice în energie mecanică;

Soluția: Turbina

FE2 – funcția de modificare a energiei mecanice;

Soluția: Amplificator de turație

FE3 – funcția de separare a energiei mecanice pierdute și energia mecanică utilă;

FE4 – funcția de transformare a energiei mecanice în energie electrică;

Soluția: Generator de curent continuu

FE5 – funcția de separare a energiei electrice pierdută și energia electrică utilă;

FE6 – funcția de modificare a energiei electrice de curent continuu în energie electrică de curent

alternativ;

Soluția: Invertor

FE7 – funcția de separare a energiei electrice obținute și valorile parametrilor electrici obținuți;

Soluția: Senzor de măsurare tensiune și intensitate

FI1 – funcția de separare a comenzii start și informații referitoare la valorile de referință

(parametrii curentului doriți);

FI2 – funcția de conectare a comenzilor start-stop cu executarea ultimei comenzi;

FI3 – funcția de comparare a valorilor de referință cu valorile obținute;

Soluția: Sistem de comandă și control

FI4 – funcția de divizare a informațiilor legate de parametrii electrici și emiterea semnalului de

oprire a sistemului.

Structura de subfuncții rezultată prin detaliere conține: o subfuncție în fluxul de material, 7

subfuncții în fluxul de energie și 4 subfuncții în cel de informație, așadar structura de funcții a

produsului analizat are ordinul 1M – 7E – 4I.

Calcule

Turbina GeneratornT = 1000 [rot/min] nG = 3500 [rot/min]ηT = 0,85 ηG = 0,9PT = 10 [kW] PG = 7 [kW]

iTG = nTn G

=10003500

=0,28

|i|= 1iTG

=3,5

i3H1 = 0,28

i0 = iH13 =

ω1 H

ω3 H

=ω1

ω2

∙ω2

ω3

=(−z2

z1)( z3

z2)=−z3

z1

i3H1 =

ωH 3

ω13

=ωHH−ω3 H

ω1 H−ω3 H

/ω3 H=¿ 1

−ω1 H

ω3H

+1

= 11−i0

=0,28

i0 = - 2,5

z3

z1

=a, se adoptă z1 = 20

z3 = z1∙a = 50

r1 + r2 = r3 – r2

modul ct. m = 4

r = m∙ z

2

m1 ∙ z1

2+

m2 ∙ z2

2=

m3 ∙ z3

2−

m2 ∙ z2

2

z1 + z2 = z3 – z2 rezultă z2 =z3−z1

2=

a ∙ z1− z1

2=

z1 (a−1 )2

z2 = 15

Numărul de dințiz1=20 ; z2=15 ; z3=50

Diametreled1=z1 ∙m=80mmd2=z2 ∙m=60 mm

d3=z3 ∙ m=200 mm

b1=Ψ ∙d1=¿ 24 mmb2=Ψ ∙d2=¿ 18 mmb3=Ψ ∙ d3=¿ 60 mm𝛹 = 0,3

PH = PT ∙ ηT = 10 ∙ 0,85 = 8,5 kW

P1 = PG

ηG

= 70,9

= 7,7 kW

η3H1 =

P1

PH

=7,78,5

=0,91

ηt = ηT ∙ ηampl ∙ ηG = 0,85 ∙ 0,91 ∙ 0,9 = 0,69

η3H1 =

−ω1 T1

ωH T H

=

T1

T H

ωH

ω1

=i 3H1

i 3H1

=

1

1−i0−η0± 1

11−i0

=1−i0

1−i0 η0±1 =

1−i0

1−i0

η0

=η0 (1−i0 )

η0−i0

0,88

η0=η12 ∙ η23=η122 =

0,86...0,99

Avem un amplificator de turatie cu: i = 3,5 si η= 0,88

Unghiul de presiune și modulul cremalierei de referință

α 0=200;m(STAS 822−82) Raza cercului de divizare

r1=0,5∙ z1 ∙m=40 mmr2=0,5∙ z2 ∙m=30 mm

Raza cercului de bază

rb 1=r1 ∙cosα=37,58 mm

rb 2=r2 ∙cos∝=¿28,19¿ mm

Distanța de referință dintre axea=r2+r1=70 mm

Distanța dintre axe

aw=700

Unghiul de angrenare

α w=arcos( a cos αaw )

−1

=200

Suma coeficienților deplasărilor de profil

xs=x2+x1=z2−z1

2 tgα( inv α w−inv α )=0

Diferența coeficienților deplasărilor de profil

xd=x2−x1=z2−z1

2 tg α(inv α w−inv α )=0

Coeficienții deplasărilor de profil

x1≥ x1 min=(17−z1)

17=−0,17

x2≥ x2 min=(17−z2 )

17=0,11

x1=|x2|; x1=−0,11 , x2=0,11

Raza cercului de piciorr f 1=m (0,5 z1+x1± 1,25 )= 34,56 mm

r f 2=m (0,5 z2+x2 ±1,25 )= 25,44 mm

Raza cercului de cap(angranaj exterior )ra 1=aw−rf 2−c=43,56 mm

ra 2=aw−rf 1−c=70−¿34,56 - 1= 34,44 mmc=0,25∙ m= 1

Raza cercului de rostogolire

rw 2=rb 2

cos αw

=r2 cosα

cos αw

=¿ 30 mm

Modulul și pasul pe cercul de divizarem (STAS 822-82)P = π ∙m = 12,56

Modulul și pasul pe cercul de bazămb=m∙ cosα=3,75 Pb=π ∙ mb=11,78

Modulul și pasul pe cercul de rostogolire

mw=m cosαcos α w

=¿ 4

Pw=π ∙mw=¿ 12,56

Unghiul de presiune al evolvenței pe cercul de cap

α a=arc cosrb

ra

= 1,39

Grosimea dintelui pe cercul de divizares=m (0,5 π ±2×tg α )=¿ 9,19

Grosimea dintelui pe cercul de cap

sa=scosαcos αa

±2 ra (inv α a−inv α ) ≥ (0,3 …0,5 ) m =3,16

Gradul de acoperire

ε=√r a 1−¿2 rb1

2 ±√ra 22 −rb 2

2 ± aw sin α w

π m cosα>1¿ ε = 5,56