TRANSMISII MECATRONICE DIN COMPONENTA MICRO HIDROCENTRALELOR Principalele componente ale transmisiei unei hidrocentrale de dimensiuni mici sunt următoarele (fig. 1): • Turbina hidraulică: converteşte energia apei în energie mecanică; • Amplificatorul de viteză: amplifică turaţia turbinei pentru la valorile de functionare ale generatorului; • Generatorul: converteşte energia mecanică în energie electrică; • Sistemul de control: compenseaza orice variaţie a parametrilor de intrare si iesire ai sistemului (debitul apei, puterea electrica); • Staţia de transformare şi linia de transport: energia electrică este condusă şi transformată pentru a putea furniza energie electrică consumatorilor. In cazul locuintelor izolate, puterea electrica generata este directionata catre consumatori (de curent continuu si alternativ, prin utilizarea unui invertor), iar puterea electrica in exces este stocata in baterii.
Micro hidrocentralele utilizează două categorii de turbine hidraulice: o Turbine pentru înălţimi mari de apă şi debite mici, turbinele de impuls; o Turbinele pentru înălţimi mici de apă şi debite mari, turbinele de reacţiune. Alegerea turbinei depinde in principal de caderea disponibila si debitul instalat in micro hidrocentrala (fig. 2). In general, un punct definit prin debit si cadere apartine mai multor contururi (fig. 2). Toate aceste tipuri de turbine sunt adecvate aplicatiei
Domeniu de utilizare a micro-turbinelor in functie de cadere si debitul apei
Dintre turbinele de impuls, turbina Pelton este utilizata pentru debit mic de apa si cadere (cap) mare (cel putin 10 picioare). Turbina Turgo necesita o cadere de cel putin 4 picioare, iar turbinele de reactiune pot lucra la caderi de apa de cel putin 2 picioare. Turbinele de impuls sunt foarte simple si relativ ieftine. Intrucat debitul de apa variaza, se poate controla usor jetul de apa care cade pe palele turbinei, prin modificarea dimensiunilor ajutajelor sau utilizarea de ajutaje reglabile. In contrast cu acestea, turbinele de reactiune de dimensiuni mici nu pot lucra la debite variabile. Un avantaj al acestor turbine este acela ca folosesc in intregime caderea apei, spre deosebire de turbinele de impuls care trebuie montate deasupra nivelului apei din capatul inferior la canalului de aductie. Turbinele de reactiune pot fi inlocuite de pompe centrifugale, acestea avand randamente mai ridicate si preturi de cost scazute. Insa alegerea unei pompe pentru o anume aplicatie este dificila, deoarece producatorii nu furnizeaza date despre performantele acesteia la functionarea in regim de turbina. Turbinele folosite pentru caderi mici sau medii sunt cel mai des cu reactiune si includ turbine Francis si Kaplan cu pale fixe sau variabile.Turbinele folosite pentru instalatii mari sunt cele cu actiune. Acestea includ turbinele Pelton, Turgo si Banki (curgere transversala). Turbina care are curgere transversala, e numita uneori Banki. E folosita pentru o gama larga de caderi, acoperind domeniile turbinelor Kaplan, Francis si Pelton. E potrivita pentru curgeri cu debite mari si caderi mici. Tipul selectiei, geometria si dimensiunile turbinei depind in principal de cadere, de debit si de viteza rotorului. Pentru caderi inalte, turbina lucreaza la viteze mari, rezultand un sistem cu o turbina si un generator de dimensiuni mai mici pentru o putere de iesire data. Folosirea celei mai bune turbine depinde de CAP si DEBIT. De exemplu Turbina Pelton este mai eficienta in locatile cu CAP inalt, in contrast cu o turbina Crossflow care e folosita numai in locatile cu CAP scurt dar DEBIT mare. Tipul, geometria si dimensiunile turbinei sunt conditionate de urmatorii parametrii: • caderea neta
• Debitul apei pe palele turbinei • viteza rotorului turbinei • probleme de cavitatie • Costul. Configuratia turbinei depinde de modul in care jetul de apa cade pe pale (axial, radial sau mixt) si de tipul amplificatorului de turatie utilizat.
Domenii de utilizare a micro-turbinelor in functie de debit si randament Hidrocentralele moderne au un randament ridicat prin intermediul turbinelor şi generatoarelor care pot realiza un randament de până la 90 %. Turbinele pentru hidrocentralele de dimensiuni mici au randamente care, rareori depăşesc 80%. Parte din putere se pierde în conducte prin frecare; aceste pierderi datorate frecării pot fi menţinute între 5 – 10%. Randamentul total al sistemelor de generare a energiei variază între 50 şi 70 %, cu un randament mai ridicat pentru sistemele cu cădere înaltă. De regulă, randamentul sistemelor cu capacităţi până la 10 kW este în jur de 50%; pentru sisteme cu capacităţi mai mari, randamentul este de cca 60 - 70%. Randamentul turbinei caracterizeaza nu numai capacitatea acesteia de a exploata potentialul hidrologic dintr-o zona, dar si comportamentul sau hidrodinamic. Un randament de valori medii este datorat unui design hydraulic deficitar, ceea ce conduce la distrugerea in timp a acesteia. Dimensiunea ajutajelor si forma palelor sunt in legatura cu debitul si caderea apei; deseori, ajutajele turbinei au dimensiuni diferite putand fi conectate sau nu, in functie de modificarile in debitul apei de pe parcursul anului.
Principiul de functionare al turbinelor Kaplan Turbina Kaplan este o turbina de apa cu roatatie axiala, cu un rotor cu pale reglabile, utilizat frecvent la hidrocentrale. Aceasta turbina este inventia din anul 1913 a profesorului dr. inginer Viktor Kaplan. Aceasta inventie este de fapt perfectionarea turbinei Francis (inventata de inginerul American James B. Francis in 1849). La turbina Francis exista probelma formarii cavitatiei (bule de aer in curentul de apa din turbina) care produce scaderi de presiune cu scaderea randamentului turbinei. Aceasta deficienta este inlaturata la turbina Kaplan care foloseste palete reglabile; pentru o functionare optima turbina necesita un curent de apa cu debit constant. Turbina functioneaza prin efectul de suprapresiune, randamentul sau atingand 80-95 %. Multe posibilitati de instalare a acestor masini fac ca ele sa fie sensibile la variatii de debite. Un current cu debit mare si cu o cadere mica de apa sunt conditii optimale pentru turbinele Kaplan In turbinele Kaplan se regasesc turbinele cu bulb si elicele (turbinele cu reactie).
Inaltimea: 0 - 30 metri; Debit 4 - 350 m3/s Palele rotorului sunt dispuse astfel incat apa circula printre ele.
Componente constructive ale unei turbine Kaplan - SPIRALA – este organul in care fluidul intra prima oara find prelevat din amonte. Rolul sau este acela de a conduce apa spre paletele predistribuitorului. Nu re o functionare deoarece prin functionarea sa trebuie sa mentina debitul la predistribuitor constant.
Cameră spirală Proiect Marlengo, Italia - PREDISTRIBUITORUL – acest organ este interconectat cu distribuitorul. Numarul sau de pale este de obicei egal cu jumatate din numarul de pale al distribuitorului. In general pentru o pala a predistribuitorului exista doua pale ale distribuitorului.
-
DISTRIBUITORUL – are scopul de a forma un current de fluid, amonte de rotor. Este o importanta componenta verticala care transforma energia de presiune in energie cinetica. Palele sunt proiectate cu un profil aerodynamic care creaza o minima rezistenta pasiva.
- ROTORUL – este organul care tansforma puterea hidraulica in putere mecanica, la arboreal pe care este montat rotorul, imprimand astfel miscarea de rotatie a acestuia. Presiunea de la intrarea in rotor este mai mica decat presiunea de la iesirea lui.
Caracteristica universala a turbinei Pentru rotorul turbinei se schiteza CARACTERISTICA UNIVERSALA, care reprezinta variatia randamentului la diferite debite si caderi, sub forma de debit unutar Q' si turatie unitara n'.
Pentru determinarea turatiei n si a diametrului D a unui tip de turbine astfel incat sa se obtina randamente acceptabile pentru tot domeniul de variatie al debitelor si caderilor la care va lucra turbine, se stabilesc urmatoarele caderi si debite caracteristice. a) caderea nominala Hn – caderea minima la care turbine va dezvolta puterea nominala utilizand debitul nominal Qn. b) Caderea de calcul Hc si debitul de calcul Qc, corespunzatoare randamentului maxim al turbinei, pe baza caruia se calculeaza turatia n. Pe baza acestor coordinate sunt trasate curbele de egal randament. Caracteristica de exploatare da posibilitatea utilizatorului sa determine direct randamentul turbinei in finctie de cadere si debit (putere).
Caracteristica de exploatare a turbinei Caracteristica universala, si cea de exploatare permit determinarea caracteristicii de lucru a turbinei, care reprezinta curba : ηt = f (Q) sau ηt = f(P), penrtru o anumita cadere de. Aceste elemente pun in evidenta zona de caderi si debite pentru care turbine lucreaza cu randamente maxime. Compararea randamentelor in cazul mai multor tipuri de turbine.
a: Elice
b:
Turbine Francis c:
d:
Turbine Kaplan
Turbine Pelton
a: Elice b: Turbine Francis c: Turbine Kaplan d: Turbine Pelton
Problemele care apar in dupa o perioada de functionare a turbinei 1) CAVITATIA Cavitatia este un fenomen care influenteaza semnificativ durata de viata a componentelor turbinei. Se manifesta prin aparitia unor bule de aer in lichid. Poate aparea in orice punct in curentul de lichid ducand la scaderea presiunii. O data cu presiunea se poduce si o scadere de randament. Din pricina existentei bulelor de aer echipamentele turbimnei se corodeaza in timp.
2)
UZURA MECANICA
3) COROZIUNE CHIMICA Este rezultatul actiunii sulfatului de calciu din apa care se depune pe partile turbinei expuse coroziunii.
Controlul turbinei Variaţiile parametrilor de intrare (debit) şi ieşire (putere electrică) ai micro hidrocentralei trebuie să fie compensate de către sistemul de control, care să deschidă sau închidă valvele, să menţină nivelul apei în captare sau să menţină aproximativ constantă puterea de ieşire. În cazul consumatorilor izolaţi, dacă generatorul se supraîncarcă, viteza turbinei scade; de aceea, pentru a obţine viteza prescrisă a turbinei este necesar să crească debitul apei pe palele acesteia. Dacă nu există suficient debit al apei, fie se poate reduce sarcina consumatorilor, fie se opreşte turbina. În schimb, dacă sarcina scade, atunci debitul pe turbină scade sau poate fi menţinut constant, iar extra sarcina poate fi transferată către un sistem conectat la terminalele generatorului (o baterie). Un invertor se utilizează pentru a transforma curentul continuu generat în curent alternativ pentru alimentarea consumatorilor. În a doua abordare, se consideră că, la încărcare maximă, cu debit şi cădere constante, turbina va funcţiona la viteza proiectată; dar dacă sarcina scade, turbina tinde să-şi mărească viteza. Un senzor care să măsoare frecvenţa, detectează orice modificări, iar un regulator de sarcină, fiabil şi ieftin, introduce în circuit o rezistenţă presetată, menţinând astfel, frecvenţa sistemului. Unele sisteme micro hidroenergetice utilizează, pentru regularizarea puterii de ieşire, dispozitive electronice ELC (electronic load controller). Micro hidrocentralele sunt de regulă, nesupravegheate şi sunt controlate cu sisteme automate. Micro hidrocentralele sunt de regula, nesupravegheate si sunt controlate cu sisteme automate. Aceste sisteme trebuie sa indeplineasca anumite cerinte: a) Sistemul trebuie sa contina dispozitivele necesare pentru detectarea problemelor serioase care apar in functionare si pentru rezolvarea acestora; b) Datele relevante din functionarea hidrocentralei trebuie sa fie colectate pentru a fi disponibile in cazul in care se impune luarea de decizii operationale; c) sistemul de control trebuie sa fie inclus in structura micro hidrocentralei pentru a permite functionarea intr-un mediu nesupravegheat, la regim maxim;
d) sistemul de control trebuie sa fie accesibil de la distanta si sa permita luarea automata de decizii. Sistemul trebuie configurat modularizat: un convertor analog-digital se utilizeaza pentru masurarea nivelului apei, a pozitiei vanelor, a unghiului palelor, a temperaturilor, a puterii instantanee de iesire, etc.; un convertor digital-analog se utilizeaza pentru a actiona valvele hidraulice, a inregistra datele, etc.; un contor care masoara pulsuri ale kWh generati, debitului, etc. Acest sistem modular permite ca hardul si softul sistemului sa fie standardizat, obtinandu-se o reducere a pretului de cost, o crestere a fiabilitatii si totodata o intretinere usoara. Monitorizarea datelor se poate face pe un calculator dotat cu un sistem standardizat de achizitie de date.
Componentele unui sistem micro hidro izolat
Schema sistemului de control a micro hidrocentralei
Bibliografie 1.
www.est.org.uk/myhome
2.
www.british-hydro.org
3.
www.environment-agency.gov.uk
4.
www.eren.doe.gov/RE/hydropower
5.
www.energy.ca.gov/electricity/hydro
6.
www.dams.org
7.
www.ussdams.org
8.
Gordon, J. L. A new approach to turbine speed, Water Power & Dam Construction, August, 1990.
9.
Gordon, J.L. Powerhouse concrete quantity estimates. Canadian Journal Of Civil Engineering, June 1983.
10.
Hothersall, R. Turbine selection under 1 MW. Cross-flow or conventional turbine?. Hydro Review, February 1987.
11.
Hwang, N.H.C.C., Hita, Fundamentals of Hydraulic Engineering Systems. Prentice Hall Inc. Englewood Cliffs, New Jersey 1987.
12.
de Siervo, F. , A. Lugaresi, Modern trends in selecting and designing Francis turbines. Water Power & Dam Construction, August 1976.
13.
Amattya, V.B., R.D., Report of a National Seminar on Mini and Micro Hydropower Development in the Hindu Kush Himalayan Region, ICIMOD, September 1994.
14.
Edwards, A., A. Brown, The Role of International Agencies in Promoting Sustainable Micro and Mini Hydro Activity in Developing Countries, Proceedings of ESHA Conference, Nice, France, 1991.
15.
Fraenkel P. et al "Hydrosoft: A software tool for the evaluation of low-head hydropower sources". HIDROENERGIA97 Conference Proceedings, page 380
16.
IDAE. Manual de Minicentrales Hidroeléctricas. Edición Especial CINCO DIAD, 1997.
17.
*** Lyman's Guide Book, European Small Hydropower Association, DG XVII, 1998.
18.
Barnett, A. The Problem of Access through the expansion of Micro Hydro and MiniGrids, Presentation to the World Bank Conference on Village Power, UK, pp.118,1998.
19.
INFOLEX, Main legal standards concerning mini and micro hydro power, Annex 7, November 1995.
20.
PRODER. Renewable Energies Development Committee: Integrated renewal energies development programme, June 1996.
21.
Sundgren, J. Renewable Energy Sources in Developing Countries: State of the Art, DNV, Norway, 1993.
22.
Simoes, J.,T.,K., SADCC: Energy and Development to the Year 2000, Beijer Institute, Stockholm, Sweden, 1984.
