Revista >> Martie 2023 [Nr. 252] >> Cercetare & Invatamant superior

Turbine hidrocinetice – o direcție de succes în INCDIE ICPE-CA

Dr. ing. Florentina Bunea, sef laborator de Surse Regenerabile de Energie, ICPE-CA

15 Martie 2023

Echipamentele de conversie a energiei hidro-cinetice sunt concepute pentru instalarea pe cursurile de ape naturale, în mări sau oceane, pentru valorificarea energiei curenților de curgere din râuri, din estuarele unde se manifestă maree și din curenții oceanici sau marini. Cursurile de apă naturale și cele din anumite canale artificiale au potențial de a genera energie electrică prin intermediul unor tehnologii de conversie a energiei hidrocinetice primare. În timp ce sistemele hidroelectrice convenționale utilizează acumulări și baraje pentru a crea o cădere artificială de apă și pentru a extrage energia potențială a acesteia, prin tehnologii adecvate, turbinele hidrocinetice oferă o alternativă ecologică pentru generarea energiei electrice, având ca principal avantaj o construcție minimă, cu un impact redus asupra mediului.Echipamentele de conversie hidrocinetică oferă modalități de captare a energiei apelor curgătoare fără blocarea sau devierea acestora, precum în cazul construcțiilor hidroelectrice convenționale bazate pe baraje și lacuri de acumulare.

Abordare inovativă
Numeroase tipuri de turbine cinetice se află în diferite stadii de dezvoltare, majoritatea fiind amplasate în curentul de apă pentru a capta energia cinetică a acestuia, fiind utilizate în special în zone izolate, pentru consum casnic. Deși s-au făcut progrese importante în dezvoltarea tehnologiilor hidrocinetice, acestea rămân în continuare un domeniu cu mare potenţial de explorare ştiinţifică.
Interesul INCDIE ICPE-CA în domeniul turbinelor cinetice cu ax orizontal a debutat în anul 2002, odată cu proiectarea și realizarea unui micro - hidrogenerator electric submersibil în construcție etanșă, ce avea scopul de a asigura alimentarea cu energie electrică a lămpilor de semnalizare luminoasă a șenalului navigabil dunărean, lămpi ce erau montate pe geamandurile fluviale (fig.1) Rezultatele obținute au fundamentat tematica abordată, dezvoltând elemente specifice turbinelor cinetice ce influențează randamentele de conversie din energie hidraulică în energie electrică. Astfel, menționăm dezvoltarea de noi tipuri de micro-hidrogeneratoare electrice intubate, atât pentru aplicații civile, cât și militare. Acestea utilizează un intubaj cu scopul creșterii densității de putere preluată de către rotorul hidraulic axial (fig.2). Alte aspecte tehnice, noi care au apărut în ultimii ani pentru îmbunătățirea randamentelor de conversie energetică, au intervenit și în cazul generatoarelor electrice, ceea ce a dus la creșterea randamentului global.
În prezent, INCDIE ICPE-CA dispune de un stand de testare a modelelor de turbine hidrocinetice constând dintr-un agregat hidraulic realizat în construcţie modulară etanşă, care vehiculează apă curată în regim controlat, în circuit închis. Modulele principale ale standului constau din tronsoane de curgere, tronson de testare, rezervor, pompe de recirculare, și un bloc de comandă și acționare a pompelor pentru asigurarea curgerii controlate în zona de testare.Standul permite testarea în condiții de laborator a prototipurilor de turbină hidrocinetică dezvoltate care, ulterior, sunt testate in situ pentru demonstrarea/validarea eficienței.

Parteneriate cu mediul economic, proiecte de succes
Un exemplu de succes realizat în cadul INCDIE ICPE-CA a fost dezvoltat în cadrul proiectului Transenerg, POC 2014-2020, P_40_432 / 105567, Contract nr. 126 -D4/2020, în parteneriat cu Mecanica IND SRL.
Obiectivul principal avut în vedere de echipa de cercetare a fost de a demonstra funcționalitatea și fiabilitatea unui sistem turbină hidrocinetică – generator electric submersibil, adecvat pentru cursurile de apă și canalele de fugă din avalul centralelor hidroelectrice. În acest sens, s-a proiectat și realizat un prototip de turbină hidrocinetică cu diametrul rotorului de 1,2 m, cuplată la un generator electric având excitația realizată cu magneţi permanenţi de mare energie. Performanțele obținute pe prototip au fost comparate cu cele rezultate în urma experimentărilor pe rotoare cinetice la scară redusă, în condiții de laborator. S-au trasat astfel curbe de predicție pentru o gamă variată de diametre rotorice, utile în calculele și simulările efectuate pentru creșterea randamentului de conversie energetică.
Elementele clasice turbină hidraulică - generator cu magneți permanenți sunt combinate într-un ansamblu compact, optim, relativ uşor și cu impact redus asupra mediului. Fără structuri de ciment sau alte amenajări, ecosistemul local nu este afectat de instalarea și funcționarea acestei turbine.

Pentru o transpunerea cât mai precisă a rezultatelor obținute pe modele la scară reală, prototipul MICROHIDRO a fost testat în condiții reale pe canalul de fugă al CHE Mihăilești, la diferite viteze de curgere a apei, cuprinse între 0,9 și 1,6 m/s, obținându-se o putere maximă de 1,2 kW.
Un alt exemplu recent de model de turbină hidrocinetică dezvoltat la ICPE-CA este modelul Hyper - o turbină cu rotor casetat, cuplată direct cu un generator cu magneți permanenți, cu design compact, ușor de transportat și utilizat, denumit „Sistem energetic ecologic pentru utilizarea energiei hidrocinetice a curenților de apă de cădere foarte mică“. Acesta a fost dezvoltat în cadrul unui proiect CDI PED478/2020, coordonat de UPB, în parteneriat cu ICPE-CA și Smart Mechanics SRL. Sistemul se bazează pe combinarea elementelor clasice - turbină hidraulică și generator cu magneți permanenți- studiate într-un ansamblu compact inovator. Puterea generată de modelul HyPER a atins valoarea de 6,3 W, fiind testat pentru viteze de curgere a apei între 0,3 m/s și 1,1 m/s, cu turații variind de la 30 rot/min la 220 rot/min. Deși puterea generată nu este însemnată, acest model de dimensiuni reduse (cu diametrul de doar 200mm) poate să asigure necesarul de energie electrică a unor echipamente cu consum redus de energie, precum: senzori de monitorizare caracteristici de mediu, telefon, laptop, radio/tv portabil, poate să alimenteze iluminatul cu becuri LED etc.
Având în vedere expertiza acumulată de-a lungul anilor și rezultatele mai mult decât promiţătoare, ICPE-CA face demersuri, în colaborare cu operatorii economici, pentru punerea în funcțiune, pe termen lung, a acestor tipuri de turbine hidraulice, implementarea unor măsuri cu impact pozitiv asupra dezvoltării mediului înconjurător reprezentând un deziderat constant asumat de INCDIE ICPE-CA.n