SISTEME DE CONVERSIE A ENERGIILOR REGENERABILE

CUPRINS

INTRODUCERE........................................................................................................ 13

CAPITOLUL I

UTILIZAREA SURSELOR REGENERABILE DE ENERGIE LA NIVELGLOBAL, EUROPEAN ŞI NAŢIONAL ................................................................ ...... 17

1. ........................... Consumul actual de energie primară la nivel global şi naţional 171.1. ................................................... ......Consumul actual de energie primară la nivel global 171.2. ................................................ ......Consumul actual de energie primară la nivel naţional 29

2. ........................................................................................ Energia şi mediul ambiant 332.1. Factorii care modifică clima ........................................................................................ ...... 33

2.1.1. .............................................................................................Variaţiile radiaţiei solare 332.1.2. ...............................................................................................Noţiune de efect de seră 342.1.3. .............................................................Gazele cu efect de seră şi schimbare a climei 37

2.2. Căi de ameliorare a Terrei............................................................................................ ...... 423. ...................................... Energia regenerabilă şi dezvoltarea durabilă a societăţii 46

3.1. Potenţialul energetic teoretic, tehnic şi economic .............................................................. 463.2. ................................................ ......Energia regenerabilă la nivel global - prezent şi viitor 503.3. ..................................... ......Experienţa ţărilor europene în promovarea şi utilizarea SRE 533.4. ......................... ......Utilizarea SRE în Republica Moldova: starea actuală şi perspective 58

3.4.1. ..................................................................Probleme de mediu în Republica Moldova 593.4.2. .......................................................................Potenţialul SRE în Republica Moldova 60

4. Contribuţia cercetătorilor din Republica Moldovaîn dezvoltarea sistemelor de conversie a SRE ........................................................ 66

4.1. Sisteme de conversie a energiei solare ........................................................................ ...... 664.1.1. Energia solară termică................................................................................................ 664.1.2. .................................................................................Energia solară fotovoltaică (PV) 68

4.2. Sisteme de conversie a energiei eoliene....................................................................... ...... 734.2.1. .......................................................................................................... ......Instalaţii eoliene 734.2.2. ........................ ......Elaborarea multiplicatoarelor precesionale pentru agregate eoliene 75

4.3. ............................ ...... Sisteme de conversie a energiei hidraulice în Republica Moldova 76Bibliografie................................................................................................................. ...... 79

CAPITOLUL II

................................................................................................ENERGIA SOLARĂ 831. Soarele ca sursă de energie........................................................................................ 83

1.1. .......................................................................................................... ......Noţiuni generale 831.2. ..................................................................... ......Radiaţia solară pe suprafaţa pământului 871.3. Soarele şi echilibrul energetic global ........................................................................... ...... 881.4. ........................................................................................ ......Modelarea efectului de seră 89

2. ........................................................................................ Potenţialul energetic solar 912.1. Potenţialul energetic solar global................................................................................. ...... 912.2. ........................................................ ......Radiaţia solară pe teritoriul Republicii Moldova 922.3. ............................................................................ ......Calculul radiaţiei solare disponibile 93

2.3.1. ................................................................................................................. ......Generalităţi 932.3.2. Radiaţia solară pe un plan înclinat ............................................................................ ...... 97

3. ..................................................................... Sisteme de conversie a energiei solare 1003.1. Aspecte generale.......................................................................................................... .... 1003.2. Sisteme solare pentru încălzirea apei ........................................................................... 102

3.2.1. ..................................................................................................................Scurt istoric 1023.2.2. Colectorul solar plan pentru încălzirea apei sau a aerului la temperaturi mici .......... 1033.2.3. Caracteristicile termice şi constructive ale colectorului plan solar............................. 1083.2.4. Proprietăţile optice ale materialelor folosite pentru suprafeţele transparentă

...............................................................................................................şi absorbantă 1123.2.5. ........................................................Scheme de sisteme solare pentru încălzirea apei 1163.2.6. Aspecte practice privind sistemele solare pentru încălzirea apei................................. 1193.2.7. Dimensionarea unui sistem solar pentru încălzirea apei ............................................. 121

3.3. Sisteme de conversie a energiei solare termice în energie electrică prin îmbinareaefectului de seră şi a diferenţei de presiune a aerului ................................................... 125

3.3.1. .................................................................................................................Scurt istoric 1253.3.2. Turn solar cu colector şi turbină de aer: aspecte teoretice.......................................... 1263.3.3. Turnuri cu colector solar şi turbină de aer: aspecte practice ...................................... 131

3.4. ............................................................. Sisteme solare cu concentrarea razelor solare 1383.4.1. .................................................................................................................Scurt istoric 138

3.4.2. Conversia termică a energiei solare la temperaturi mari: aspecte teoretice ............... 1393.4.3. Motoare termice utilizate în centrale solare termice.................................................... 1433.4.4. Centrale electrice termice solare (CETS) cu concentratoare cilindro-parabolice....... 1493.4.5. Centrale electrice termice solare cu heliostate şi turn central..................................... 1513.4.6. .............................Centrale electrice termice solareparaboloidale cu motor Stirling 153

3.5. Sisteme fotovoltaice..................................................................................................... 1573.5./. ....................................................................Scurt istoric al tehnologiilor fotovoltaice 1573.5.2. Celula fotovoltaică: caracteristici şi parametri tehnici ............................................... 1583.5.3. .....................................................................................................Module fotovoltaice 1643.5.4. .....................................................................................................Sisteme fotovoltaice 1683.5.5. Potenţialul energetic al sistemelor fotovoltaice ........................................................... 1733.5.6. Dimensionarea unui sistem fotovoltaic ........................................................................ 1783.5.7. Domenii de utilizare a energiei electrice fotovoltaice.................................................. 182

Bibliografie ................................................................................................................. 189

CAPITOLUL IIIENERGIA CINETICĂ A APEI CURGĂTOARE A RÂURILOR ........................ 195

1. .................................................................................................. Potenţialul energetic 1951.1. .......................................................................Clasificarea sistemelor hidroenergetice 1951.2. Potenţialul energetic global ......................................................................................... 1951.3. Macro- mini- sau microhidroenergetica? ..................................................................... 2011.4. Calculul potenţialului energetic cinetic al apei ............................................................ 2041.5. Estimări prealabile ale parametrilor potenţialului hidroenergetic cinetic

al râului Prut ................................................................................................................ 2081.6. .....................................................................................................Măsurarea debitului 2161.7. Cum alegem o hidroturbină? ....................................................................................... 219

2. Sisteme de conversie a energiei hidraulice............................................................... 2212.1. Scurt istoric privind dezvoltarea sistemelor de conversie a energiei hidraulice........... 2212.2. ...............................................................................Perioada modernă a roţilor de apă 225

2.2.1. Clasificarea microhidrocentralelor ............................................................................. 2272.2.2. Clasificarea turbinelor de apă..................................................................................... 2292.2.3. ........................................................................Turbine cu reacţiune. Turbina Kaplan 2382.2.4. Turbine cu reacţiune. Turbina Francis ........................................................................ 2402.2.5. Turbine cu impuls. Turbina Pelton .............................................................................. 2422.2.6. Turbina Cross-ftow...................................................................................................... 243

2.3. Microhidrocentrale plutitoare pentru conversia energiei cinetice a apei râurilor ................................................................................................................................ 244

2.3.1. Microhidrocentrală plutitoare cu roată de apă ......................................................................................................................................... 244

2.3.2. Microhidrocentrală plutitoare cu rotor cu trei pale......................................................................................................................................... 244

2.3.3. Microhidrocentrală plutitoare cu turbină Gorlov .................................................................................................................................... 245

2.3.4. Microhidrocentrală plutitoare cu turbină Davis ...................................................................................................................................... 246

2.3.5. Microhidrocentrală plutitoare cu ax orizontal cu turbină multiplală ............................................................................................................................... 248

2.3.6. Microhidrocentrală plutitoare cu ax orizontal şi turbină cu elice ........................................................................................................................................ 248

2.3.7. Microhidrocentrale integrate cu alte sisteme de conversie a energiei regenerabile ... 250

3. Microhidrocentrale cu ax vertical şi palete cu profil rectiliniu în secţiunenormală, elaborare de

......................................................................................................................................autor 253

3.1. Scheme conceptuale............................................................................................................................. 253

3.2. Modelarea CFD a interacţiunii paletelor cu apa .......................................................................................................................................... 255

3.3. Testarea de laborator a modelului microhidrocentralei cu ax vertical.................................................................................................................................... 257

4. Microhidrocentrale cu ax orizontal şi turbine elicoidale, elaborare de autor ............................................................................................................................................ 258

4.1. Scheme conceptuale............................................................................................................................. 258

4.2. Aspecte privind descrierea analitică a parametrilor geometrici de bază ........................................................................................................................................ 259

4.3. Modelarea CFD a interacţiunii paletelor cu apa .......................................................................................................................................... 261

5. Elaborarea sistemului de conversie a energiei cinetice a apei râului în energieelectrică, mecanică sau combinată Microhidrocentrală cu ax verticalal rotorului şi profil hidrodinamic al palelor", elaborare de autor ...................................................................................................................................... 266

5.1. Scheme conceptuale............................................................................................................................. 267

5.2. Cercetarea factorilor de influenţă asupra eficienţei conversiei energiei cineticeşi elaborarea rotorului hidrodinamic........................................................................................................................... 275

5.2.1. Argumentarea teoretică a alegerii profilului hidrodinamic al palei în secţiunenormală .................................................................................................................................. 275

5.2.2. Determinarea coeficienţilor hidrodinamici CL şi C^. Mişcarea potenţială plană ....................................................................................................................................... 277

5.2.3. Determinarea coeficientului hidrodinamic CD. Stratul-limită laminar şi turbulent ................................................................................................................................. 283

5.2.4. Alegerea profilului hidrodinamic optim al palelor .................................................................................................................................... 290

5.2.5. Momentul de torsiune şi forţele aplicate asupra rotorului hidrodinamic multipal................................................................................................................................... 290

5.2.6. Optimizarea profilului hidrodinamic NACA 0016 ........................................................................................................................................ 298

5.2.7. Stabilitatea flotantă a microhidrocentralei ................................................................................................................ 300

5.2.8. Turbulenţa şi stabilitatea rotorului hidrodinamic........................................................................................................................... 303

5.2.9. Estimarea potenţialului energetic convertit la arborele rotorului hidrodinamic..................................................................................................................................multipal

3055.2.10. Modelarea numerică a interacţiunii dintre curentul de apă şi pale

hidrodinamice ............................................................................................................. 308

5.2.11. Tehnologii de fabricare a palelor cu profil hidrodinamic............................................................................................................... 317

5.2.12. Elaborarea şi fabricarea rotorului hidrodinamic............................................................................................................... 322

5.3. Multiplicatorul precesional ca o componentă de bază în structura cinematicămicrohidrocentralei ................................................................................................................ 324

5.3.1. Studiul performanţelor şi selectarea structurii cinematice a multiplicatorului ......................................................................................................... 324

5.3.2. Descrierea analitică a profilului dinţilor şi argumentarea alegerii parametrilorangrenajului

.................................................................................................................precesional 329

5.3.3. Calculul angrenajului precesional la presiunea de contact ........................................................................................................................ 333

5.3.4. Elaborarea construcţiei multiplicatorului .................................................................................................................precesional

3375.4. Cercetarea, proiectarea şi testarea generatorului electric cu viteză de rotaţie mică

pentru microhidrocentrale (turbine ...................................................................................................................................eoliene)

3395.4.1. Cerinţe tehnice impuse generatoarelor electrice pentru conversia

energiei hidraulice (eoliene) ................................................................................................................................. 339

5.4.2. Generatoare sincrone cu excitaţie electromagnetică sau magneţi permanenţi(GSMP): argumentare

.................................................................................................................................teoretică 341

5.4.3. Scheme constructive ale .....................................................................................................................................GSMP

3465.4.4. Calculul şi caracteristicile generatoarelor cu magneţi permanenţi elaborate

în baza construcivă a motoarelor asincrone............................................................... 3505.4.5. Argumentarea teoretică a parametrilor geometrici ai magneţilor permanenţi ........... 3525.4.6. Particularităţile constructive şi tehnologice ale GSMP fabricate cu racordare

.................................................................................................la microhidrocentrale 3575.4.7. Fabricatea şi testarea GSMP...................................................................................... 359

5.5. Proiectarea, fabricarea şi testarea pompei centrifugecu viteză de rotaţie mică pentru microhidrocentrale ................................................... 363

5.5.1. Studiul caracteristicilor funcţionale şi selectarea tipului de pompă .......................... 363J. 5.2. Calculul preliminar al pompei centrifuge şi optimizarea geometriei roţii

centrifuge la viteze mici de rotaţie .............................................................................. 3675.5.3. Fabricarea şi cercetarea experimentală a caracteristicilor pompelor centrifuge

...............................................................................................la viteze mici de rotaţie 3695.6. Elaborarea conceptului constructiv şi fabricarea staţiei-pilot a microhidrocentralei

flotante polifuncţionale pentru cercetări experimentale în condiţii reale .................... 3745.6.1. ................................................................................................Destinaţia staţiei-pilot 3745.6.2. Descrierea construcţiei şi fabricarea staţiei-pilot....................................................... 374J. 6.3. Agenda şi metodologia cercetărilor experimentale pe staţia-pilot

...........................................................................................................în condiţii reale 3785.7. Microhidrocentrale flotante pentru conversia energiei cinetice a apei râului

în energie electrică şi mecanică, elaborate la Universitatea Tehnică,....................................................................................................Republica Moldova 379

5.7.7. Aspecte generale ........................................................................................................ 3795.7.2. Microhidrocentrală cu rotor hidrodinamic pentru conversia energiei cinetice

a apei răului direct în energie mecanică (MCHF D 4x1,5 M), elaborare de autor...... 3815.7.3. Microhidrocentrală cu rotor hidrodinamic pentru conversia energiei cinetice

a râului în energie electrică şi mecanică (MCHF D 4x1,5 ME),elaborare de autor........................................................................................................ 385

5.7.4. Microhidrocentrală cu rotor hidrodinamic pentru conversia energiei cineticea apei râului în energie electrică şi mecanică la turaţii mici (MCHF D 4x1,5 M),elaborare de autor........................................................................................................ 388

5.7.5. Microhidrocentrală cu rotor hidrodinamic pentru conversia energiei cineticea apei răului în energie electrică (MCHF D4xl,5 E), ..................elaborare de autor 391Bibliografie ................................................................................................................ 393

CAPITOLUL IV

..............................................................................................ENERGIE EOLIANĂ 4011. .......................................................................................Vântul ca sursă de energie 4012. Estimarea resurselor energetice eoliene ale Republicii Moldova .......................... 405

2.1. Caracteristicile şi parametrii energetici ai vântului ................................................................................................................................... 405

2.2. Metodologia estimării potenţialului energetic

eolian ...................................................................................................................................... 409

2.3. Statistica climatologiei vântului şi Atlasul Vântului .................................................................................................................................. 410

2.4. Date istorice despre vânt şi măsurări recente ale caracteristicilor vântului ................................................................................................................................... 416

3. Potenţialul energetic eolian al Republicii Moldova şi validarea lui 420

3.1. Viteza medie anuală şi densitatea de putere eoliană la diferite înălţimi ...................... 4203.2. Potenţialul eolian tehnic şi teoretic al Republicii Moldova şi validarea lui ................ 422

4. Conversia energiei cinetice a fluxului de aer în energie mecanică.Limita lui Betz........................................................................................................... 429

4.1. Energia şi puterea vântului ......................................................................................... 4294.2. Turbina eoliană în fluxul de aer .................................................................................. 4304.3. Limita lui Betz............................................................................................................ 4314.4. Efectul numărului de pale şi al diametrului rotorului ................................................. 432

5. Evoluţia dezvoltării tehnologiilor eoliene................................................................ 4365.1. Demararea tehnologiilor comerciale........................................................................... 4365.2. ........................................................................Tipuri constructive de turbine eoliene 4375.3. Principii de control al puterii furnizate de turbina eoliană în reţea ............................. 4405.4. Scheme constructive de acţionare a generatorului ...................................................... 4435.5. ....................................................................................Materiale utilizate pentru pale 445

6. Turbine şi ferme eoliene de putere mare................................................................. 4466.1. Turbine eoliene de putere mare: tendinţe şi obiective................................................. 4466.2. Ferme eoliene ............................................................................................................. 4526.3. Perspectivele implementării fermelor eoliene în Republica Moldova.

Premise de management şi legislative: primii zece paşi ............................................. 4526.4. O eventuală fermă eoliană amplasată în zona de Sud a Republicii Moldova.............. 454

7. ............................................................................... Turbine eoliene de putere mică 4567.1. Studiul pieţei mondiale, firme producătoare şi politici de stimulare........................... 4567.2. Turbine eoliene de putere mică elaborate la Universitatea Tehnică,

Republica Moldova..................................................................................................... 4627.2. l. Turbină eoliană cu giruetă, elaborare de autor .......................................................... 4627.2.2. Turbină cu servomotor, elaborare de autor .................................................................. 4667.2:3. Alimentarea cu energie eoliană a sistemelor de irigare prin picurare....................... 471

Bibliografie ................................................................................................................ 473CAPITOLUL V

ENERGIA VALURILOR MĂRII ............................................................................ 4771. Generalităţi................................................................................................................ 4772. .................................................................................................Potenţialul energetic 480

2.1. ................................................................................Potenţialul energetic al mareelor 4802.2. ...............................................................Potenţialul energetic al curenţilor maritimi 4852.3. Potenţialul energetic al valurilor oceanice .................................................................. 486

3. Aspecte teoretice privind energia mareelor............................................................. 4893.1. .........................................................................................................Noţiuni generale 4893.2. Fizica mareelor ........................................................................................................... 4903.3. Amplitudinea, durata ciclului şi frânarea mareică....................................................... 491

4. Aspecte teoretice privind energia valurilor............................................................. 4934.1. ...................................................................Unele aspecte privind formarea valurilor 4934.2. Tipurile şi caracteristicile de bază ale valurilor........................................................... 4944.3. Valurile şi vântul ......................................................................................................... 4964.4. Unele aspecte privind teoria valurilor ......................................................................... 499

5. Sisteme conceptuale de conversie a energiei oceanice............................................ 5045.1. Clasificarea sistemelor de conversie ........................................................................... 5045.2. Turbine de apă submersate.......................................................................................... 5055.3. Sisteme bazate pe oscilarea coloanei de apă ............................................................... 5065.4. Sisteme cu elemente flotabile ...................................................................................... 5075.5. Analiza de cost a unui grup de sisteme de litoral ........................................................ 508

6. Sisteme tehnice de captare a energiei marine ......................................................... 5096.1. Sisteme tehnice de captare a energiei mareice ............................................................ 5096.2. Sisteme tehnice de captare a energiei valurilor ........................................................... 512

7. Sisteme tehnice de captare a energiei valurilor, elaborări de autor...................... 5167.1. Instalaţii de conversie a energiei valurilor .................................................................. 516

7.1.1. Instalaţii tip turn fix şi corpuri plutitoare.................................................................... 5167.7.1. ....................................................................................................Instalaţii tip DUCK 519

7.2. Mecanisme de sumare a mişcărilor de rotaţie alternativă pentru instalaţii...............................................................................de conversie a energiei valurilor 523

Bibliografie ................................................................................................................ 526

CAPITOLUL VI

STUDIU DE PREFEZAB1LITATE A SISTEMELOR DE CONVERSIE AENERGIILOR EOLIANĂ, SOLARĂ ŞI MICROHIDRO ÎN CONDIŢIILE

......................................................................................REPUBLICII MOLDOVA 5291. Studiu de prefezabilitate a unei centrale eoliene .................................................... 529

1.1. Introducere ................................................................................................................. 5291.2. Preţul de cost al energiei electrice produsă de o CE amplasată în zona de sud

a Republicii Moldova ................................................................................................. 5311.3. Preţul de cost al energiei electrice eoliene faţă de cel al energiei

electrice produse prin arderea gazului natural ............................................................ 5332. Studiul de prefezabilitate a unui sistem autonom fotovoltaic................................ 537

2.1. Metodica de evaluare economică a sistemelor PV...................................................... 5372.2. Costul unui kWh de energie electrică ......................................................................... 540

3. Studiul de prefezabilitate a unui sistem de pompare pentru irigarea micăfolosind energia electrică eoliană ............................................................................ 543

3.1. .....................................................................................................Necesitatea irigării 5433.2. Irigarea mică în Republica Moldova........................................................................... 5443.3. Surse posibile de energie pentru pomparea apei ......................................................... 5453.4. .....................................................................Pomparea apei folosind energia eoliană 5463.5. Estimarea volumului de apă care poate fi pompată cu o eventuală turbină eoliană .... 5493.6. Estimarea costului pompării unui metru cub de apă.................................................... 554

3.6.1. Sistem de pompare eolian cu pompă electrică centrifugă........................................... 5553.6.2. Sistem de pompare cu motopompă centrifugă ............................................................ 5563.6.3. Sistem de pompare cu grup electrogen si pompă centrifugă ....................................... 556

4. Studiu de prefezabilitate a minihidrocentralei pentru producereaenergiei mecanice şi electrice, elaborare de autor .................................................. 562

4.1. Variante posibile de utilizare a microhidrocentralei flotantepentru conversia energiei cinetice a apei râului .......................................................... 562

4.2. Estimarea investiţiilor în construcţia microhidrocentralei .......................................... 5634.3. Estimarea debitelor pompelor şi a volumului de apă care poate fi pompat

deMHCF D4xl,5 ....................................................................................................... 5654.4. Estimarea costului unui metru cub de apă pompat de MHCF D4xl,5 M,

..................................................................................care produce energie mecanică 5664.5. Estimarea costului unui metru cub de apă şi a unui kWh de energie electrică.

Cazul utilizării MHCF D4xl,5 ME............................................................................ 5674.6. Estimarea costului pompării unui metru cub de apă la diferite înălţimi

.......................şi a unui kWh de energie electrică. Cazul utilizării MHCF D4xl,5 E 5674.7. Estimarea costului pompării unui metru cub de apă la diferite înălţimi

........................................................................................cu utilizarea motopompelor 5684.8. Estimarea costului pompării unui metru cub de apă la diferite înălţimi

în cazul folosirii grupului electrogen şi a pompelor electrice...................................... 5695. Studiu de prefezabilitate a unei microhidrocentrale în derivaţie.......................... 573

5.1. Eventuale minihidrocentrale în derivaţie pe râul Prut................................................. 5735.2. Costurile construcţiilor civile şi ale componentelor minihidrocentralei în derivaţie.... 5745.3. Estimarea preţului de cost al unui 1 kWh de energie electrică produs de MHCD ...... 575

Bibliografie................................................................................................................ 579POSTFAŢĂ ............................................................................................................... 581ANEXE..... .................................................................................................................. 585