Microhidrocentrală tip șenilă

Prezentul raport oferă o evaluare tehnică a conceptului inovator de microhidrocentrală cinetică de tip „șenilă de buldozer”, propusă pentru generarea de energie din curenții fluviali. Această invenție își propune să depășească provocările semnificative de mediu și cost asociate cu hidrocentralele tradiționale, care necesită construcții hidrografice masive și perturbă ecosistemele acvatice. Conceptul se bazează pe o structură modulară, alungită, echipată cu pale angulate la 45 de grade, menită să amplifice forța apei și să optimizeze extracția energiei.

Analiza peisajului brevetelor indică faptul că, deși conceptul general al turbinelor hidrocinetice modulare, desfășurate în serie de-a lungul unui curs de apă, este deja abordat în arta anterioară, specificitatea mecanismului de tip „șenilă” și interacțiunea hidrodinamică unică a palelor la 45 de grade ar putea constitui elemente de noutate. Estimările preliminare de eficiență sugerează un potențial de generare a energiei de la 4.9 kW pentru o unitate de 10 metri, până la 65.2 kW pentru o unitate de 100 de metri, în condiții optime de debit și eficiență a rotorului.

Principalele provocări identificate includ asigurarea durabilității componentelor submerse împotriva coroziunii, uzurii și cavitației, gestionarea operațiunilor pe timp de iarnă și protecția împotriva gheții, minimizarea impactului asupra faunei acvatice și optimizarea logisticii de întreținere pentru un sistem extins. Recomandările vizează studii aprofundate de fezabilitate, simulări hidrodinamice avansate (CFD), testare riguroasă a prototipurilor, selecția strategică a materialelor avansate și integrarea proactivă a caracteristicilor prietenoase cu peștii și a soluțiilor de iernare retractabile. Cu o proiectare atentă și o implementare responsabilă, această tehnologie are potențialul de a oferi o alternativă viabilă și cu impact redus la metodele convenționale de generare a energiei hidroelectrice.

2. Introducere în Conceptul Novel de Microhidrocentrală Cinetică

Descrierea Detaliată a Microhidrocentralei „Șenilă de Buldozer”

Cum funcționează ? Palele sunt ușor concave și sunt într-un unghi de 45 de grade față de amonte orientate spe interior unde curentul de apă îminge pala dar și vectorial este proiectat către pala din direcția opusă vector ce cade pe o inclinație de 45 grade dar aflat la 90 grade față de vectorul apei proiectat de pala opusă. S-ar putea ca vectorial după analize de laborator să fie mai înclinate palele pentru o forță vectorială mai puternică. |Ideea centrală este ca apa să aibă forță și pentru palele din josul șenilei. Pentru a valorifica viteza de curgere a râului se pot pune în dreptul hidrocentralei șenilate deflectoare de val , orientate spre microchidorcentrală. 

Desigur se pot reaiza multiple îmbunătățiri ce vor apărea după punerea în exploatare a primei hidrocentrale șenilate. De exemplu: un sistem de urcare a hidrocentralei când îngheață cursul apei .  

Conceptul propus de microhidrocentrală cinetică se distinge prin abordarea sa inovatoare de exploatare a energiei râurilor, evitând necesitatea construcțiilor hidrografice masive și costisitoare, care caracterizează hidrocentralele tradiționale. Aceste construcții convenționale sunt adesea asociate cu perturbări semnificative ale migrației peștilor și cu modificări ireversibile ale peisajului natural. Invenția își propune să genereze energie din curenții râurilor fără a interveni asupra peisajului și fără a necesita baraje sau alte structuri hidrografice complexe .

Elementul central al inovației este forma sa unică, descrisă ca o „moară sub forma unei șenile de buldozer”. Această analogie sugerează o structură continuă, asemănătoare unei benzi sau a unui lanț, echipată cu multiple pale sau aripioare. Sistemul este conceput să opereze direct în fluxul natural al râului, minimizând astfel intervenția fizică asupra albiei sau malurilor. Flexibilitatea este un atribut cheie, deoarece sistemul poate fi instalat în diverse locații, inclusiv pe râuri mici și medii, unde construcția unei hidrocentrale tradiționale nu ar fi fezabilă .

Designul este remarcabil prin scalabilitatea sa în lungime, variind de la 10 metri până la 100 de metri, fiind desfășurat longitudinal de-a lungul curentului de apă al râului. Această lungime extinsă este intenționată pentru a maximiza interacțiunea cu apa curgătoare, permițând captarea energiei pe o suprafață considerabilă. Structura necesară este limitată la o „structură de ancorare a acestei microhidrocentrale”, indicând o amprentă fizică minimă în comparație cu barajele mari de beton .

Un aspect fundamental al conceptului este amplificarea puterii, realizată prin „numărul de pale”. Aceasta implică un design modular, în care adăugarea mai multor elemente de pale de-a lungul lungimii contribuie direct la o producție energetică mai mare. Această modularitate ar putea facilita, de asemenea, procesele de fabricație, desfășurare și întreținere .

O îmbunătățire esențială propusă este orientarea individuală a palelor la un unghi de 45 de grade. Această configurație specifică, combinată cu o „cădere perpendiculară a apei de pe o pală pe alta”, este menită să creeze un „efect de cascadă”. Inițiatorul conceptului consideră că această acțiune în cascadă va amplifica forța apei și, implicit, puterea generată, contribuind la creșterea eficienței generale a sistemului .

Avantajele Declarate și Obiectivele de Mediu

Conceptul de microhidrocentrală de tip „șenilă de buldozer” este fundamentat pe o serie de avantaje clare și obiective de mediu ambițioase, care o diferențiază de hidrocentralele convenționale.

Unul dintre cele mai semnificative beneficii este impactul redus asupra mediului. Prin eliminarea necesității construirii de baraje sau a altor structuri hidrografice masive, sistemul minimizează perturbarea ecosistemelor acvatice și a peisajului natural [User Query]. Acest aspect este în perfectă concordanță cu principiile hidroenergiei de tip „run-of-river” (ROR), care este considerată, în general, mai puțin dăunătoare pentru mediu decât schemele de stocare la scară largă. Reducerea intervenției asupra mediului este crucială pentru conservarea migrației peștilor și a integrității ecologice a râurilor .

Un alt avantaj major este reprezentat de costurile reduse. Se anticipează că investițiile inițiale și costurile de instalare vor fi semnificativ mai mici decât cele ale hidrocentralelor tradiționale, datorită absenței lucrărilor complexe de excavare și a construcțiilor civile masive . Această reducere a cheltuielilor capitale (CapEx) este un beneficiu bine documentat al turbinelor hidrocinetice în-stream, care pot avea costuri nivelate ale energiei (LCOE) considerabil mai mici comparativ cu barajele hidroenergetice convenționale.

Flexibilitatea și scalabilitatea sunt, de asemenea, atribute cheie. Natura modulară și alungită a designului „șenilă de buldozer” permite instalarea în locații diverse, inclusiv pe râuri mici și medii, unde construcția unei hidrocentrale tradiționale nu ar fi fezabilă. Capacitatea de a ajusta puterea generată prin adăugarea sau eliminarea de pale oferă o flexibilitate considerabilă, permițând adaptarea sistemului la condițiile specifice ale sitului și la nevoile energetice .

În plus, orientarea palelor la 45 de grade si perpendicular una fața de alta și efectul de cascadă propus sunt menite să ducă la o amplificare a forței apei și o eficiență crescută . Această caracteristică de design urmărește să utilizeze mai eficient energia cinetică disponibilă în fluxul de apă, ceea ce, dacă este realizat cu succes, ar putea crește producția de energie și ar face tehnologia mai competitivă.

3. Analiza Peisajului Brevetelor și Evaluarea Noutății

Prezentare Generală a Tehnologiilor Hidrocinetice Existente

Turbinele hidrocinetice sunt sisteme concepute pentru a converti energia cinetică a apei în mișcare în energie electrică. Acestea operează, de obicei, în „canale deschise” sau în configurații de tip „run-of-river” (ROR), fără a necesita o diferență semnificativă de nivel (cădere) a apei, spre deosebire de hidrocentralele tradiționale care se bazează pe baraje mari pentru a crea o cădere hidraulică substanțială.4 Accentul pe „run-of-river” sau „ultra-low head” este motivat de dorința de a minimiza impactul asupra mediului, de a reduce costurile de construcție și de a permite implementarea în mai multe cursuri de apă unde barajele mari sunt impracticabile sau inacceptabile din punct de vedere ecologic. Există o nevoie recunoscută de îmbunătățire a designurilor de turbine hidrocinetice care să evite „lucrările civile masive și costisitoare” , o problemă pe care conceptul propus o abordează direct.

Designurile modulare reprezintă o direcție promițătoare în tehnologia hidrocinetică. Acestea permit un transport și o instalare mai ușoare, o scalabilitate sporită și, potențial, o întreținere simplificată, deoarece componentele sau secțiunile individuale pot fi asamblate sau înlocuite independent.8

Analiza Artelor Anterioare Relevante

O căutare extinsă în bazele de date de brevete internaționale a relevat mai multe invenții care prezintă similitudini conceptuale cu microhidrocentrala de tip „șenilă de buldozer”. Acestea acoperă domenii precum turbinele hidrocinetice modulare, sistemele „run-of-river” și soluții pentru captarea energiei din curenții de apă cu impact redus.

Un brevet deosebit de relevant este US20240077055A1, care descrie un „sistem modular de turbină hidrocinetică pentru instalare într-un curs de apă… asamblat dintr-un număr de module de pale și un număr de module de susținere, conectate în direcția curentului de apă”. Acest sistem include seturi de pale cu porțiuni de arbore de rotor care pot fi conectate în serie, susținute de module care se sprijină pe albia râului, cu un generator amplasat la un capăt. Această descriere se aliniază direct cu conceptul de bază al propunerii, care vizează un sistem alungit, cu mai multe pale, modular, conceput pentru desfășurare în-stream și care necesită doar ancorare. Brevetul menționează explicit că modulele de pale sunt conectate „în serie, astfel încât porțiunile arborelui rotorului să asigure un arbore de rotor extins în direcția curentului de apă”, ceea ce este în concordanță cu viziunea unei unități lungi, liniare de generare a energiei.

Un alt document relevant este brevetul US11927170B2, intitulat „Cycloturbine modular river current energy converter”.8 Acesta descrie un sistem pentru recoltarea energiei din surse fluviale și mareice, incluzând un doc plutitor cu o turbină hidrocinetică marină. Turbina în sine poate fi un „design cu trei secțiuni de turbină cicloidală” cu multiple hidrofoile. Acest brevet subliniază modularitatea și utilizarea mai multor hidrofoile pentru a capta energia. Deși aspectul „docului plutitor” diferă de „structura de ancorare simplă” propusă, designul modular al turbinei și concentrarea pe conversia energiei curenților fluviali sunt pertinente.

Brevetul US20200088159A1 se concentrează pe un „sistem de turbină dublă cu angrenaj magnetic cicloidal” pentru canale deschise.4 Deși nu menționează explicit un mecanism de tip „șenilă” sau „lanț”, se încadrează în categoria mai largă a turbinelor hidrocinetice concepute pentru conversia energiei cinetice în râuri (clasificarea F03B17/06). Această clasificare acoperă în mod specific „Alte mașini sau motoare care utilizează fluxul de lichid cu conversie predominantă a energiei cinetice, de exemplu, de tip clapetă oscilantă, 'run-of-river', 'ultra-low head'”, indicând un domeniu larg de concepte similare.

Există, de asemenea, diverse alte brevete  referitoare la micro-turbine, generatoare cu turboexpandor și sisteme de turbine electromagnetice. Acestea se concentrează, în general, pe mecanisme sau scări diferite, dar demonstrează colectiv un domeniu activ și extins de inovație în hidroenergia cu impact redus.

Evaluarea Noutății Conceptului Propus „Șenilă de Buldozer”

Conceptul de „șenilă de buldozer” ca formă specifică pentru o microhidrocentrală cinetică pare a fi o analogie sau o concretizare specifică inedită. Cu toate acestea, pentru a stabili o noutate brevetabilă solidă, este esențial să se analizeze în detaliu principiile tehnice subiacente și diferențiatorii față de arta anterioară.

Utilizarea de către inițiatorul conceptului a unei analogii vizuale puternice precum „șenilă de buldozer” și accentul pe natura „lungă” și „cu multiple pale” a dispozitivului sugerează o aranjare liniară și modulară a elementelor de captare a energiei. Analiza brevetelor, în special a US20240077055A1, descrie deja un „sistem modular de turbină hidrocinetică... asamblat dintr-un număr de module de pale și un număr de module de susținere, conectate în direcția curentului de apă”. Conceptul general al unei matrici lungi, modulare, de elemente hidrocinetice desfășurate în-stream este deja cunoscut în arta anterioară. Prin urmare, este puțin probabil ca invenția să fie brevetabilă ca o clasă fundamental nouă de dispozitiv hidrocinetic bazată exclusiv pe natura sa modulară și alungită.

Noutatea, și implicit baza pentru revendicări de brevet puternice, ar rezida probabil în mecanismul specific al „șenilei” (de exemplu, dacă este o bandă continuă, circulantă de pale care se mișcă precum o șenilă, spre deosebire de o serie liniară de rotoare cu axă independentă sau fixă), designul specific al palelor angulate la 45 de grade și efectul lor unic de „cascadă”, precum și modul în care această combinație particulară amplifică puterea și se integrează în structura modulară. Accentul pe care inițiatorul conceptului îl pune pe „de-a lungul curentului de apă a râului” pentru palele de 45 de grade sugerează o axă longitudinală de rotație sau o interacțiune specifică cu fluxul care diferă de turbinele tipice cu flux transversal sau axial. Această interacțiune hidrodinamică specifică și implementarea mecanică ar reprezenta domeniile cheie pentru demonstrarea unui pas inventiv față de designurile modulare existente.

Pentru o brevetare de succes, este esențial ca inițiatorul conceptului să se concentreze pe principiile operaționale unice și detaliile structurale care diferențiază sistemul său de „șenilă de buldozer” de turbinele hidrocinetice modulare existente. Aceasta înseamnă accentuarea geometriei specifice a palelor (unghiul de 45 de grade), mecanismul de transfer de energie „în cascadă” și sistemul mecanic care permite mișcarea „șenilei” sau interacțiunea continuă, mai degrabă decât doar factorul de formă modular și alungit.

4. Fezabilitatea Tehnică și Potențialul de Eficiență

Principiile Extracției Energiei Hidrocinetice și Coeficienții Cheie de Eficiență

Puterea disponibilă dintr-un corp de lichid în mișcare este direct proporțională cu pătratul vitezei fluidului.4 Mai precis, pentru turbinele hidrocinetice, energia cinetică disponibilă pentru conversie este proporțională cu cubul vitezei apei (V³).13 Această relație cubică înseamnă că chiar și creșteri mici ale vitezei apei pot duce la câștiguri semnificative în potențialul de putere.

Formula fundamentală pentru calcularea puterii mecanice (P) extrase de o turbină hidrocinetică din energia cinetică a fluxului este:

P = 0.5 * ρ * A * V³ * CP * NR * NB * NG 13

Unde:

• P: Reprezintă puterea mecanică generată de turbină (tipic în Wați sau kilowati).

• ρ (ro): Densitatea apei. Acesta este un factor crucial, deoarece apa este de aproximativ 900 de ori mai densă decât aerul, ceea ce duce la o densitate de putere mult mai mare pentru turbinele hidrocinetice comparativ cu turbinele eoliene de dimensiuni similare. Valoarea sa este de aproximativ 1000 kg/m³ (sau 2.0 lbm/ft³).2

• A: Aria măturată de pale (sau „aria de captare”). Aceasta este aria secțiunii transversale prin care palele turbinei interacționează efectiv cu apa curgătoare. Pentru un sistem liniar de tip „șenilă”, aceasta ar fi aria cumulativă efectivă a tuturor palelor active care interacționează cu fluxul la un moment dat. Maximizarea acestei arii este un obiectiv principal de proiectare pentru extracția puterii.

• V: Viteza curentului de apă. Acesta este un parametru specific locației. Vitezele tipice ale râurilor adecvate pentru turbinele hidrocinetice sunt adesea mai mici de 2 m/s, unele prototipuri vizând viteze de curgere în jurul valorii de 1.5 m/s.7

• CP (Limita Betz): Acesta este coeficientul teoretic maxim de extracție a puterii, care afirmă că nu mai mult de 59.3% (aproximativ 0.59) din energia cinetică dintr-un flux deschis, neîngrădit, poate fi extrasă de o turbină.Această limită există deoarece o parte din energia cinetică trebuie să rămână în apă în aval pentru ca fluxul continuu să aibă loc.

• NR (Eficiența Rotorului): Acest coeficient reprezintă eficiența reală a rotorului în conversia energiei cinetice a fluxului în cuplu mecanic. Pentru un „design bun”, este, de obicei, în jurul valorii de 0.6.13 Cu toate acestea, designurile avansate și optimizate, în special cele cu condiționare a fluxului (de exemplu, turbine cu duză) sau geometrii de pale foarte rafinate, pot atinge eficiențe mai mari (de exemplu, 90% pentru o turbină propusă în 17, 50% pentru turbine cu duză în 18, și până la 94% eficiență hidraulică maximă pentru turbinele FishSafe™ RHT în 19).

• NB (Frecarea Lagărelor și a Angrenajului): Acest coeficient reprezintă pierderile de eficiență datorate frecării în lagăre și în orice cutie de viteze utilizată pentru a crește viteza de rotație pentru generator. Este, de obicei, în jurul valorii de 0.9.13

• NG (Eficiența Generatorului): Acest coeficient reprezintă eficiența generatorului în conversia puterii mecanice a arborelui în putere electrică utilizabilă. Un generator modern are, de obicei, o eficiență de aproximativ 0.9.13

Analiza Orientării Palelor la 45 de Grade și Efectul de Cascading asupra Amplificării Forței

Propunerea de a utiliza pale orientate la 45 de grade și o „cădere perpendiculară a apei de pe o pală pe alta” pentru a crea un „efect de cascadă” reprezintă o caracteristică de design unică, menită să amplifice forța apei și să crească eficiența . Această abordare sugerează o tentativă de a realiza un transfer de energie mai continuu și mai intens de la apă la turbină.

În contextul ecuației de putere, aceste alegeri de design influențează în primul rând coeficientul NR (Eficiența Rotorului). Deși limita Betz (CP) este un maxim teoretic pentru fluxul deschis, eficiența reală a rotorului (NR) poate fi îmbunătățită semnificativ prin designul avansat al palelor și condiționarea eficientă a fluxului. De exemplu, turbinele hidrocinetice cu duză sunt cunoscute pentru creșterea eficienței de recoltare a energiei prin „condiționarea mai bună a fluxului către pale”, ceea ce poate duce la o putere de ieșire mai mare și o eficiență de până la 50%. Efectul de „cascadă” ar putea fi interpretat ca o metodă inedită de condiționare a fluxului sau de extracție secvențială a energiei, putând crea o interacțiune mai controlată sau intensificată între apă și palele succesive de-a lungul șenilei. Dacă este implementat cu succes, acest lucru ar putea duce la o valoare

NR mai mare decât tipicul 0.6, posibil apropiindu-se de intervalul de 80-90% raportat pentru unele designuri optimizate  sau turbine hidraulice. Cu toate acestea, inițiatorul conceptului menționează și provocări potențiale, cum ar fi „pierderile de energie din cauza turbulențelor create de căderea apei de pe o pală pe alta”  ceea ce subliniază o zonă critică pentru o analiză detaliată a dinamicii fluidelor.

Această geometrie unică a palelor și mecanismul de cascadă ar putea fi un diferențiator cheie și o sursă de câștiguri semnificative de eficiență pentru sistemul de tip „șenilă de buldozer”. Cu toate acestea, performanța sa reală și măsura „amplificării forței” necesită o validare riguroasă. Acest lucru va impune simulări avansate de Dinamică a Fluidelor Computațională (CFD) pentru a modela cu precizie interacțiunile complexe apă-pală, generarea turbulențelor și transferul de energie între palele multiple în serie. Testarea experimentală cu prototipuri ar fi apoi esențială pentru a confirma rezultatele simulărilor.

Discuție privind Optimizarea Designului Palelor și Impactul Ariei Măturate

Designul palelor este un factor primordial în performanța turbinelor hidrocinetice. Procedurile de optimizare, adesea bazate pe metode numerice sofisticate precum Teoria Elementului de Pală și Impulsului (BEMT) sau Dinamica Fluidelor Computațională (CFD), sunt cruciale pentru maximizarea captării energiei, creșterea cuplului și minimizarea fenomenelor nedorite, cum ar fi sarcina axială și cavitația.Aceste metode permit rafinarea iterativă a profilului, unghiului de torsiune și a formei palelor.

„Aria măturată” (A) este direct proporțională cu puterea de ieșire; dublarea ariei măturate dublează teoretic cantitatea de energie care poate fi captată. Pentru sistemul de tip „șenilă”, aria măturată efectivă totală ar fi suma ariilor tuturor palelor care interacționează simultan cu fluxul de-a lungul lungimii sale de 10-100 de metri. Această scalabilitate inerentă prin creșterea lungimii (și, prin urmare, a numărului de pale active) este un avantaj fundamental.

Inițiatorul conceptului afirmă că „puterea este amplificată de numărul de pale” și că sistemul poate avea o lungime de 10-100 de metri . Aceasta se leagă direct de conceptul de creștere a „ariei măturate” (A) prin adăugarea mai multor elemente de pale de-a lungul lungimii. Deși creșterea lui A crește liniar puterea, dacă toți ceilalți factori rămân constanți, eficiența reală (NR) a fiecărui element de pală și a sistemului în ansamblu depinde în mare măsură de designul specific al palelor (unghiul de 45 de grade, efectul de cascadă) și, crucial, de modul în care aceste multiple elemente interacționează fluidodinamic într-o matrice lungă. Palele din aval ar putea funcționa în siajul turbulent al palelor din amonte, ducând la o viteză efectivă redusă și la degradarea eficienței – un fenomen cunoscut sub numele de efect de siaj. Simulările CFD 17 sunt, prin urmare, esențiale pentru a înțelege aceste efecte de siaj și pentru a optimiza distanța dintre pale într-o matrice lungă, pentru a preveni degradarea eficienței. Efectul de „cascadă” propus de inițiatorul conceptului ar putea, dacă este proiectat eficient, chiar să atenueze unele dintre aceste pierderi de siaj prin re-energizarea sau redirecționarea fluxului pentru palele ulterioare.

Scalabilitatea designului de tip „șenilă” prin adăugarea mai multor pale este teoretic solidă pentru creșterea puterii totale. Cu toate acestea, atingerea acestei amplificări fără randamente semnificativ diminuate necesită o modelare hidrodinamică sofisticată la nivel de sistem. Această modelare trebuie să se concentreze pe optimizarea interacțiunii dintre palele succesive de-a lungul lungimii de 10-100 de metri, pentru a se asigura că „numărul de pale” amplifică cu adevărat puterea în mod eficient, mai degrabă decât să adauge pur și simplu mai multe elemente care operează într-un câmp de flux degradat.

Estimări Preliminare ale Eficienței și Calcule

Pentru a oferi estimări preliminare ale puterii de ieșire pentru microhidrocentrala cinetică propusă de tip „șenilă de buldozer”, se va aplica formula de extracție a puterii utilizând o serie de parametri asumați. Aceste calcule sunt ilustrative și evidențiază potențialul de putere în condiții specifice, subliniind rolul critic al eficienței rotorului și al ariei măturate.

Tabelul 1: Parametri Asumați pentru Calculul Preliminar al Eficienței

Parametru	Simbol	Valoare	Unitate	Sursă/Asumpție
Densitatea Apei	ρ	1000	kg/m³	Valoare standard pentru apă
Viteza Râului (Asumată)	V	1.5	m/s	Tipică pentru curenții fluviali, utilizată în designuri prototip
Limita Betz	CP	0.59	-	Maxim teoretic
Eficiența Lagărelor și a Angrenajului	NB	0.9	-	Tipică pentru designuri bune
Eficiența Generatorului	NG	0.9	-	Tipică pentru generatoare moderne
Eficiența Rotorului (Conservatoare)	NR_C	0.6	-	Tipică pentru un design bun de rotor hidrocinetic
Eficiența Rotorului (Optimistă/Țintă)	NR_O	0.8	-	Aspirațională, bazată pe designuri optimizate/cu duză
Înălțimea Măturată Efectivă (Asumată)	H_eff	1	m	Asumpție pentru dimensiunea verticală efectivă a „șenilei”
Lungimea Sistemului (Minimă)	L_min	10	m	Cerere Utilizator
Lungimea Sistemului (Maximă)	L_max	100	m	Cerere Utilizator

Tabelul 2: Puterea Estimată în Funcție de Lungimea Sistemului și Eficiența Rotorului

Lungimea Sistemului	Aria Măturată Efectivă (A)	Puterea Estimată (kW) @ NR=0.6 (Conservatoare)	Puterea Estimată (kW) @ NR=0.8 (Optimistă)
10 metri	10 m²	4.9	6.5
100 metri	100 m²	48.9	65.2

Notă: Acestea sunt estimări preliminare bazate pe parametri asumați. Performanța reală ar necesita simulări detaliate CFD, prototipare fizică la scară mică și testare empirică în condiții reale de râu pentru a valida eficiența rotorului (NR) și performanța generală a sistemului, în special luând în considerare potențialele efecte de siaj de-a lungul structurii alungite.

Pentru a calcula aceste valori, s-a determinat mai întâi puterea de bază pe metru pătrat, presupunând o eficiență a rotorului de 1.0, folosind formula:

P_bază_per_m² = 0.5 * ρ * V³ * CP * NB * NG

P_bază_per_m² = 0.5 * 1000 kg/m³ * (1.5 m/s)³ * 0.59 * 0.9 * 0.9

P_bază_per_m² = 0.5 * 1000 * 3.375 * 0.59 * 0.81 = 815.39 W/m² ≈ 0.815 kW/m²

Apoi, pentru fiecare scenariu de lungime și eficiență a rotorului, puterea totală a fost calculată prin înmulțirea puterii de bază pe metru pătrat cu aria măturată efectivă (Lungime * Înălțime efectivă) și cu eficiența rotorului (NR). De exemplu, pentru o lungime de 10 metri și o eficiență a rotorului de 0.6, puterea estimată este de 0.815 kW/m² * 10 m² * 0.6 = 4.89 kW. Aceste calcule demonstrează potențialul semnificativ de generare a energiei, în special pentru sistemele mai lungi și cu o eficiență optimizată a rotorului.

5. Abordarea Provocărilor Cheie și Strategii de Atenuare

Durabilitatea și Selecția Materialelor pentru Componentele Submerse (Coroziune, Uzură, Cavitație)

Sistemul de tip „șenilă”, cu o lungime de 10-100 de metri, este continuu submers în mediul fluvial, ceea ce expune toate componentele la provocări semnificative legate de coroziune, uzură abrazivă (cauzată de sedimentele în suspensie) și cavitație (în special pe suprafețele palelor). Acești factori pot degrada sever performanța și pot scurta durata de viață a sistemului dacă nu sunt abordați în mod adecvat.

Materiale și Proprietăți Recomandate:

• Materiale Compozite: Polimerii armați cu fibră de sticlă (GRP) și materialele plastice armate cu fibră de carbon (CFRP) sunt înalt recomandate pentru pale și elementele structurale. Acestea oferă o reducere semnificativă a greutății (50-80% față de oțel), o durabilitate excelentă, rezistență la oboseală și o rezistență superioară la coroziune în medii acvatice. Compozitele din fibră de bazalt prezintă, de asemenea, un potențial promițător pentru structurile marine.Capacitatea lor de a fi modelate în forme complexe și fără sudură este un avantaj pentru designul palelor.

• Acoperiri Aplicate Termic: Pentru zonele critice ale palelor și ale altor componente predispuse la eroziune ridicată și cavitație, acoperirile specializate sunt esențiale. Materiale precum WC-20(Cr3C2)-7Ni, WC-10Ni și WC-CoCr, aplicate prin tehnici precum pulverizarea HP-HVOF, pot îmbunătăți semnificativ rezistența la eroziunea cu nămol și la cavitație, prelungind astfel durata de viață a componentelor și menținând eficiența. Nitrurarea cu plasmă și nitrocarburarea în baie de sare pot, de asemenea, spori rezistența componentelor din oțel.

• Polimeri și Materiale Superhidrofobe: Aceste materiale, utilizate ca sisteme de căptușeală sau acoperiri, pot reduce pierderile de energie datorate frecării în cursurile de apă (4-20% pentru căile navigabile sub presiune, până la 90% pentru canalele cu curgere liberă) și pot îmbunătăți rezistența generală la coroziune.Aplicarea de acoperiri superhidrofobe pe palele rotorului a demonstrat îmbunătățiri ale eficienței hidraulice.

• Materiale Noi pentru Lagăre: Designul de tip „șenilă” implică numeroase piese în mișcare și lagăre. Materialele noi pentru lagăre, cum ar fi compozitele polimerice (pe bază de PPS și UHMWPE) și cele armate cu nanoparticule pe bază de carbon (nanodiamante, CNT-uri, grafenă), pot reduce semnificativ uzura lagărelor și pot permite funcționarea fără ulei sau cu lubrifiere cu apă, atenuând riscurile de contaminare a mediului.

• Oțel Inoxidabil: Deși compozitele sunt preferate, oțelul inoxidabil cu conținut ridicat de molibden (de exemplu, 316L) este potrivit pentru structurile de susținere robuste sau componentele de ancorare datorită rezistenței sale îmbunătățite la coroziunea prin pitting în medii bogate în cloruri, cum ar fi apa de mare sau apa de râu salmastră.

Lungimea considerabilă (10-100m) a sistemului de tip „șenilă de buldozer” implică o cantitate substanțială de material submers în râu. Acest lucru ridică preocupări cu privire la impactul cumulativ al coroziunii, uzurii și cavitației pe durata de viață operațională a sistemului. Deși materialele avansate (compozite, acoperiri specializate, lagăre noi) au adesea un cost inițial mai mare, studiile indică faptul că aceste „îmbunătățiri determină eficiențe mai mari, o durată de viață mai lungă, reducerea deșeurilor și a nevoilor de întreținere”. Natura modulară a designului (similar unde modulele de pale pot fi îndepărtate și înlocuite individual) este un factor cheie în acest context. În loc să se înlocuiască o întreagă structură de 100 de metri din cauza uzurii localizate, doar anumite „module de pale” sau „module de susținere” trebuie înlocuite. Acest lucru face ca costul inițial mai mare al materialelor avansate să fie mai justificabil economic pe bază de modul, deoarece cheltuielile operaționale pe termen lung (OpEx) pentru întreținere și înlocuiri sunt reduse semnificativ, îmbunătățind în cele din urmă Costul Nivelat al Energiei (LCOE). O investiție strategică în materiale de înaltă performanță, specializate pentru componentele cele mai expuse și critice (de exemplu, palele, lagărele și punctele de conectare), va fi justificată economic pe durata de viață a sistemului. Această abordare, facilitată de designul modular, va duce la reducerea cheltuielilor operaționale și la creșterea timpului de funcționare, făcând tehnologia mai competitivă pe termen lung, în ciuda costurilor inițiale potențial mai ridicate ale materialelor.

Operarea pe Timp de Iarnă și Strategii de Gestionare a Gheții

Inițiatorul conceptului a identificat corect formarea gheții și mișcarea sloiurilor de gheață ca o amenințare majoră la adresa integrității structurale a microhidrocentralei, putând duce la distrugerea acesteia și la oprirea funcționării sistemului în timpul iernilor geroase . Aceasta este o provocare bine cunoscută și semnificativă pentru sistemele hidrocinetice desfășurate în regiunile reci.

Strategii de Atenuare:

• Retractabilitate/Desfășurare: Sugestia inițiatorului conceptului ca sistemul să poată fi „scos” sau „suspendat” este o soluție extrem de practică și adesea eficientă din punct de vedere energetic pentru iernare. Proiectarea sistemului pentru a fi ușor de ridicat din apă sau de scufundat mai adânc sub stratul tipic de gheață în lunile de iarnă ar preveni eficient deteriorarea cauzată de acumularea gheții și de sloiurile de gheață în mișcare.Această abordare necesită un mecanism robust și fiabil de desfășurare/recuperare și un sistem de ancorare care poate funcționa în condiții dificile.

• Sisteme Active de Gestionare a Gheții (AIMS): Tehnologii precum AIMS  utilizează senzori avansați pentru a detecta formarea timpurie a gheții și a declanșa automat măsuri preventive, cum ar fi aplicarea de căldură sau materiale de reducere a gheții. Aceste sisteme ar putea fi integrate pentru protecția localizată a componentelor critice (de exemplu, carcasa generatorului, conexiunile arborelui principal) sau pentru gestionarea gheții în timpul perioadelor scurte de funcționare pe vreme rece. Cu toate acestea subliniază o limitare critică: pentru funcționarea continuă a unei structuri mari în frig sever (de exemplu, -40°C), cererea de energie pentru încălzire poate fi „prohibitiv de mare”, făcând-o nefezabilă economic.

• Design pentru Rezistența la Gheață: Chiar și cu retragere, componentele ar trebui proiectate pentru a rezista la potențialele impacturi ale gheții în timpul desfășurării/recuperării sau în condiții neașteptate. Materialele care rezistă aderenței gheții sau sunt foarte durabile la impact (de exemplu, anumite compozite sau acoperiri specializate) ar putea fi luate în considerare.

• Monitorizare și Prognoză: Implementarea unor sisteme avansate pentru monitorizarea condițiilor râului, formarea gheții și potențialele curgeri de gheață ar permite desfășurarea sau retragerea la timp și proactivă a microhidrocentralei, minimizând riscurile.

Preocuparea inițiatorului conceptului cu privire la operarea pe timp de iarnă („Problema majoră este că atunci când este iarnă grea această microhidrocentrală nu va funcționa”) reprezintă o constrângere critică de proiectare care afectează direct producția anuală de energie și viabilitatea economică. Deși sistemele de încălzire activă  oferă o soluție oferă o dovadă crucială: „generarea de energie termică necesară pentru a preveni acumularea [gheții] la temperaturi de aproximativ -40 C a fost prohibitiv de mare”. Aceasta sugerează puternic că bazarea exclusivă pe încălzirea activă pentru o structură mare, alungită, precum „șenila de buldozer” în iernile geroase este impracticabilă și neeconomică. Acest lucru conduce la un compromis necesar: funcționare continuă pe timp de iarnă versus protecție și cost. Sugestia inițiatorului conceptului de „îndepărtare” sau „suspendare” indică

retractabilitatea ca o strategie de iernare mai viabilă și pasivă. Dacă sistemul este proiectat pentru o retragere ușoară și rapidă, poate fi protejat de deteriorarea gheții, chiar dacă aceasta înseamnă încetarea temporară a generării de energie. Acest lucru implică faptul că designul trebuie să prioritizeze ușurința de desfășurare și recuperare, potențial utilizând controlul flotabilității sau un mecanism de ridicare robust. Costul Nivelat al Energiei (LCOE) va fi afectat semnificativ de strategia de iernare aleasă, deoarece aceasta influențează atât cheltuielile operaționale (energie pentru încălzire vs. forță de muncă pentru retragere), cât și factorul de capacitate anual al sistemului. Pentru ca microhidrocentrala de tip „șenilă de buldozer” să fie viabilă în climatele reci, un mecanism eficient și rentabil de retragere/suspendare trebuie să fie o caracteristică de proiectare primordială, mai degrabă decât o idee ulterioară. Sistemele active de gestionare a gheții ar putea servi ca o măsură secundară, localizată, pentru componentele critice sau pentru ferestrele operaționale scurte, dar bazarea pe ele pentru întreaga structură alungită în iernile geroase este probabil prohibitiv de costisitoare. Această alegere de design va influența direct modelul de afaceri general, inclusiv randamentul energetic anual proiectat și costurile operaționale.

Impactul Asupra Mediului și Considerații privind Pasajul Peștilor

Deși designurile de tip „run-of-river” (ROR) sunt considerate, în general, a avea o amprentă ecologică mai redusă decât barajele mari, ele pot afecta totuși semnificativ fauna acvatică prin modificarea regimurilor naturale de curgere, crearea de obstacole fizice și influențarea calității apei. Designul de tip „șenilă de buldozer”, fiind o structură lungă, în-stream, ar putea prezenta potențial o barieră fizică continuă sau o zonă cu risc ridicat pentru pești.

Principii de Design Prietenoase cu Peștii (esențiale pentru acest concept):

• Forma și Materialul Palelor: Implementarea designurilor cu pale groase, cu o curbură înainte și profile mai netede și mai late  poate reduce semnificativ severitatea rănilor peștilor la contact. Designurile brevetate FishSafe™ de la Natel, de exemplu, au demonstrat rate excepționale de supraviețuire a peștilor (98-100%) cu astfel de geometrii ale palelor.

• Viteza de Rotație: Reducerea vitezei de rotație a turbinei oferă peștilor mai mult timp să reacționeze și să treacă prin ansamblul de pale fără coliziune, minimizând astfel frecvența loviturilor și viteza de impact.

• Spațiile dintre Pale: Creșterea distanței sau lărgirea spațiilor dintre palele individuale de pe „șenilă” reduce probabilitatea impactului direct, în special pentru speciile de pești mai mari.

• Condiționarea Fluxului/Regimurile de Presiune: Proiectarea întregului pasaj de apă, inclusiv a zonelor de interacțiune din jurul palelor, pentru a minimiza schimbările rapide de presiune și turbulențele este crucială. Scăderile bruște de presiune pot provoca barotrauma (leziuni ale organelor interne, cum ar fi vezica înotătoare), iar turbulențele pot dezorienta sau epuiza peștii, făcându-i vulnerabili.Designul GKinetic, care susține că deviază peștii și resturile spre exterior datorită turbinelor cu rotație exterioară și a unui câmp de presiune natural în fața dispozitivului, oferă un exemplu relevant de strategie activă de condiționare a fluxului pentru siguranța peștilor.

• Sisteme de Bypass: Deși designul inițiatorului conceptului urmărește să evite lucrările civile ample, canalele de bypass localizate sau modificările sistemului de ancorare ar putea fi încorporate. Acestea ar putea permite peștilor să navigheze în jurul ansamblului de turbine, în special în perioadele critice de migrație. Acest lucru ar putea implica proiectarea unor goluri specifice în șenilă sau crearea de devieri ale fluxului.

Designul inițiatorului conceptului vizează în mod explicit „impact redus asupra mediului” și evitarea perturbării migrației peștilor . Deși sistemele „run-of-river” sunt, în general, mai puțin impactante decât barajele tradiționale un sistem de tip „șenilă” lung de 10-100 de metri, chiar și fără baraj, ar putea prezenta totuși o barieră fizică semnificativă sau o „zonă de trecere” cu pale rotative în râu. Nu este suficient să se evite pur și simplu construirea unui baraj;

structura în-stream în sine trebuie să fie proiectată cu protecția activă a peștilor în minte. Palele angulate la 45 de grade, deși potențial eficiente pentru putere, trebuie evaluate riguros pentru interacțiunea lor cu peștii, deoarece ar putea crea diferențiale de presiune specifice sau zone turbulente care ar putea dăuna peștilor prin barotrauma sau dezorientare.Prin urmare, designul trebuie să

încorporeze în mod activ caracteristici specifice, validate empiric, prietenoase cu peștii, cum ar fi cele detaliate în (pale groase, cu o curbură înainte; viteză de rotație redusă; spații largi între pale; pasaje de flux netede). Modelarea prin Dinamica Fluidelor Computațională (CFD) este critică pentru a prezice aceste interacțiuni complexe pește-turbină și pentru a optimiza designul pentru un impact minim. Pentru a-și atinge cu adevărat obiectivele de mediu declarate și a obține acceptarea reglementară, designul de tip „șenilă de buldozer” trebuie să depășească simpla evitare a lucrărilor civile ample. Este necesar să se integreze proactiv caracteristici specifice, validate empiric, prietenoase cu peștii în designul palelor și al structurii. Acest lucru va necesita studii biologice și hidraulice dedicate, influențând potențial unghiul optim al palelor, configurația șenilei sau parametrii operaționali (de exemplu, opriri sezoniere sau viteză redusă în timpul migrației).

Mentenanța și Logistica Operațională pentru un Sistem Submers Extins

Întreținerea regulată este crucială pentru orice sistem hidrocinetic pentru a asigura funcționarea optimă, îndepărtarea resturilor și prevenirea degradării eficienței. Natura alungită și submersă a sistemului de tip „șenilă”, în special la lungimi de până la 100 de metri, prezintă provocări unice pentru acces, inspecție și reparații.

Considerații:

• Modularitatea pentru Mentenanță: Designul modular este un avantaj semnificativ. Acesta permite ca modulele individuale de pale, structurile de susținere sau unitățile de preluare a puterii să fie îndepărtate, întreținute sau înlocuite independent, fără a necesita oprirea sau îndepărtarea întregului sistem. Acest lucru reduce considerabil timpul de nefuncționare și simplifică logistica reparațiilor.

• Monitorizarea la Distanță: Implementarea unui sistem robust de monitorizare la distanță este esențială. Acest sistem ar trebui să furnizeze date în timp real privind producția de energie, starea operațională și să detecteze potențialele probleme, cum ar fi acumularea de resturi, vibrațiile anormale (indicând acumularea de gheață sau deteriorări) sau uzura lagărelor.Capacitățile de control la distanță (pornire/oprire) ar îmbunătăți și mai mult eficiența operațională și siguranța.

• Accesibilitate: Designul trebuie să ia în considerare ușurința accesului pentru personalul de întreținere. Acest lucru ar putea implica proiectarea sistemului pentru o ridicare parțială la suprafață sau utilizarea de roboți subacvatici specializați sau scafandri pentru inspecție și reparații minore. Sistemul de ancorare ar trebui, de asemenea, să fie proiectat pentru acces și ajustare ușoară.

• Gestionarea Resturilor: Râurile transportă în mod natural diverse forme de resturi (bușteni, vegetație, sedimente) care se pot acumula pe componentele turbinei, reducând eficiența și crescând uzura. Deși ecranele pot preveni intrarea resturilor mari  ele însele necesită curățare regulată. Designul GKinetic susține că deviază resturile prin turbine cu rotație exterioară și un câmp de presiune , un concept care merită explorat pentru „șenila de buldozer”. Unghiul de 45 de grade al palelor și efectul de cascadă ar putea fie să elimine natural resturile, fie, dimpotrivă, să creeze zone unde resturile se acumulează, necesitând caracteristici de design specifice pentru eliminarea activă a resturilor sau colectarea acestora.

6. Viabilitatea Economică și Implicațiile Costurilor

Analiza Comparativă a Costurilor Capitale și Operaționale cu Tehnologiile Existente

Costurile Capitale (CapEx): Afirmația inițiatorului conceptului privind „costurile reduse” [User Query] datorate absenței lucrărilor civile masive este un avantaj principal și se aliniază bine cu beneficiile economice generale ale turbinelor hidrocinetice în-stream. Cercetările indică faptul că estimările Costului Nivelat al Energiei (LCOE) pentru turbinele în-stream (3.8-4.4 cenți/kWh) pot fi semnificativ mai mici – cu 46-54% din costul mediu raportat – comparativ cu barajele hidroenergetice convenționale existente (~8.2 cenți/kWh).3 Această reducere substanțială a cheltuielilor de inginerie civilă este un motor economic puternic pentru acest tip de tehnologie.

Costurile Operaționale (OpEx): Deși CapEx pentru lucrările civile este minim, natura alungită și modulară a sistemului de tip „șenilă” introduce factori unici de costuri operaționale care necesită o atenție deosebită:

• Întreținere: Aceasta include curățarea de rutină pentru acumularea de resturi, inspecțiile periodice și înlocuirea eventuală a componentelor uzate. Designul modular  este un avantaj semnificativ aici, deoarece poate reduce timpul de nefuncționare și poate simplifica reparațiile, permițând ca modulele individuale să fie întreținute sau înlocuite.

• Iernare: Costurile asociate cu protejarea sistemului de gheață sunt critice. Aceasta ar putea implica costuri de forță de muncă și logistice pentru retragerea/redesfășurarea sezonieră, sau consumul de energie pentru sistemele active de gestionare a gheții, dacă se dorește o funcționare continuă pe timp de iarnă.

• Durata de Viață a Materialelor: Deși materialele avansate, rezistente la coroziune și uzură , pot avea costuri inițiale mai ridicate, ele contribuie la o „durată de viață mai lungă, reducerea deșeurilor și a nevoilor de întreținere”. Acest lucru se traduce prin OpEx mai mici pe termen lung pentru reparații și înlocuiri.

Factori care Influențează Costul Nivelat al Energiei (LCOE)

Costul Nivelat al Energiei (LCOE) este o măsură cheie a viabilității economice a unui proiect energetic, reprezentând costul mediu pe unitate de energie electrică produsă pe durata de viață a centralei. Pentru microhidrocentrala de tip „șenilă de buldozer”, mai mulți factori interconectați vor influența LCOE:

• Costurile Capitale Ințiale (CapEx): Așa cum s-a menționat, absența barajelor masive și a lucrărilor civile complexe reduce semnificativ CapEx-ul inițial. Acest avantaj fundamental este un factor major în obținerea unui LCOE competitiv. Cu toate acestea, costurile pentru materialele avansate, necesare pentru durabilitate, trebuie echilibrate cu beneficiile pe termen lung ale acestora.

• Costurile Operaționale și de Întreținere (OpEx): Acestea includ costurile pentru personal, energie (pentru monitorizare, control și, eventual, încălzire localizată), piese de schimb și consumabile. Modularitatea sistemului ar trebui să contribuie la reducerea OpEx prin simplificarea reparațiilor și înlocuirilor.Strategiile eficiente de gestionare a resturilor și de iernare vor minimiza, de asemenea, costurile de întreținere și timpul de nefuncționare.

• Factorul de Capacitate: Acesta reprezintă raportul dintre producția reală de energie a sistemului într-o perioadă dată și producția maximă posibilă. Factori precum variațiile debitului râului, perioadele de nefuncționare pentru întreținere și, în special, impactul iernii (dacă sistemul este retras sau funcționează la capacitate redusă din cauza gheții) vor influența direct factorul de capacitate. O eficiență ridicată a rotorului (NR) și o gestionare eficientă a siajului între palele succesive vor contribui la un factor de capacitate mai bun.

• Durata de Viață a Sistemului: Materialele durabile și designul robust vor prelungi durata de viață operațională a microhidrocentralei, amortizând costurile inițiale pe o perioadă mai lungă și reducând LCOE. Materialele inovatoare pot extinde durata de viață a componentelor turbinei și pot reduce nevoile de întreținere.

• Eficiența de Conversie a Energiei: Eficiența generală a sistemului, determinată de coeficienții NR, NB și NG, influențează direct cantitatea de energie produsă pentru o anumită viteză a apei. O eficiență mai mare înseamnă mai multă energie generată per investiție, reducând LCOE. Optimizarea designului palelor la 45 de grade și a efectului de cascadă este crucială în acest sens.

• Costurile de Finanțare: Acestea depind de rata dobânzii și de structura capitalului. Proiectele cu risc perceput mai mic, datorită tehnologiei validate și impactului redus asupra mediului, pot atrage finanțare la costuri mai mici.

În ansamblu, succesul economic al microhidrocentralei de tip „șenilă de buldozer” va depinde de capacitatea de a menține CapEx-ul scăzut, de a optimiza OpEx-ul prin design modular și materiale durabile, de a maximiza producția de energie prin eficiență ridicată și de a gestiona eficient provocările operaționale, în special pe timp de iarnă. Un LCOE competitiv va fi rezultatul unei abordări integrate, care ia în considerare toți acești factori pe parcursul întregului ciclu de viață al proiectului.

7. Concluzii și Recomandări

Conceptul de microhidrocentrală cinetică de tip „șenilă de buldozer” reprezintă o abordare promițătoare și inovatoare pentru generarea de energie regenerabilă, cu un potențial semnificativ de a depăși limitările de mediu și economice ale hidrocentralelor tradiționale. Obiectivele sale de impact redus asupra mediului, costuri reduse și scalabilitate sunt aliniate cu tendințele actuale în dezvoltarea energiei curate.

Analiza brevetelor a demonstrat că, deși ideea generală a sistemelor hidrocinetice modulare, desfășurate liniar în cursul râurilor, este deja prezentă în arta anterioară, specificitatea mecanismului de tip „șenilă” și, în special, designul palelor angulate la 45 de grade cu efectul de „cascadă” ar putea conferi invenției un caracter distinctiv și o noutate brevetabilă. Potențialul de putere, estimat între 4.9 kW și 65.2 kW pentru lungimi de 10, respectiv 100 de metri, subliniază scalabilitatea inerentă a designului.

Cu toate acestea, succesul comercial și operațional al acestei tehnologii depinde de abordarea riguroasă a mai multor provocări tehnice și operaționale. Durabilitatea componentelor submerse în fața coroziunii, uzurii și cavitației necesită o selecție atentă a materialelor avansate. Operarea pe timp de iarnă, cu riscul de distrugere cauzat de gheață, impune integrarea unui mecanism eficient de retragere sau suspendare, deoarece soluțiile active de încălzire pot fi prohibitiv de costisitoare pentru un sistem de o asemenea anvergură. Mai mult, pentru a-și îndeplini pe deplin promisiunea de impact redus asupra mediului, designul trebuie să încorporeze proactiv caracteristici prietenoase cu peștii, depășind simpla absență a unui baraj. Logistica de întreținere pentru un sistem extins, submers, va beneficia enorm de pe urma modularității și a sistemelor de monitorizare la distanță.

Recomandări pentru Dezvoltări Ulterioare:

1. Studii Aprofundate de Fezabilitate și Modelare Hidrodinamică:

• Se recomandă efectuarea unor simulări avansate de Dinamică a Fluidelor Computațională (CFD) pentru a valida și optimiza designul palelor la 45 de grade și efectul de cascadă. Aceste simulări trebuie să evalueze cu precizie interacțiunile apă-pală, generarea turbulențelor și transferul de energie, precum și potențialele efecte de siaj de-a lungul întregii lungimi a sistemului. Aceasta va permite determinarea eficienței reale a rotorului (NR) și optimizarea spațierii palelor pentru a maximiza producția totală de energie.

• Modelarea CFD ar trebui să includă și o analiză detaliată a interacțiunilor cu fauna acvatică, pentru a identifica și minimiza riscurile de barotrauma sau coliziune cu peștii.

2. Prototipare și Testare Riguroasă:

• Dezvoltarea și testarea unui prototip la scară redusă în condiții controlate de laborator (de exemplu, canale de testare) este esențială pentru a valida rezultatele simulărilor și a identifica problemele practice de operare.

• Ulterior, testarea prototipului în condiții reale de râu este crucială pentru a evalua performanța în medii variabile, inclusiv impactul sedimentelor, al resturilor și al fluctuațiilor debitului.

3. Optimizarea Designului pentru Durabilitate și Iernare:

• Materiale: Se impune o cercetare și selecție riguroasă a materialelor. Prioritatea ar trebui să fie acordată compozitelor avansate (GRP, CFRP), acoperirilor termice rezistente la uzură și cavitație (ex. WC-CoCr) și noilor materiale pentru lagăre (ex. compozite polimerice), care oferă rezistență superioară la mediul acvatic coroziv și abraziv.

• Mecanism de Retragere/Suspendare: Proiectarea unui mecanism robust și eficient pentru retragerea sau suspendarea sistemului din apă în timpul iernilor geroase este fundamentală. Acest mecanism trebuie să fie simplu de operat și să asigure protecția completă împotriva gheții și a sloiurilor.

4. Integrarea Caracteristicilor Prietenoase cu Peștii:

• Designul palelor ar trebui să încorporeze principii de tip FishSafe™, cu profile groase, cu o curbură înainte, spații largi între pale și o viteză de rotație redusă, pentru a minimiza riscul de rănire a peștilor.

• Explorarea soluțiilor de condiționare a fluxului (cum ar fi cele care deviază peștii) sau a sistemelor de bypass integrate în structura de ancorare ar trebui să fie o prioritate.

5. Dezvoltarea unui Sistem de Monitorizare și Întreținere Inteligent:

• Crearea unui sistem de monitorizare la distanță, capabil să detecteze acumularea de resturi, uzura componentelor și condițiile de gheață, va fi esențială pentru a asigura o funcționare optimă și a reduce costurile operaționale.

• Modularitatea designului trebuie exploatată la maximum pentru a permite întreținerea și înlocuirea rapidă a componentelor individuale.

Prin abordarea sistematică a acestor recomandări, conceptul de microhidrocentrală de tip „șenilă de buldozer” poate evolua într-o soluție viabilă, eficientă și cu adevărat sustenabilă pentru generarea de energie hidrocinetică.

Lucrări citate

1. The Effects of Run-of-River Hydroelectric Power Schemes on Fish Community Composition in Temperate Streams and Rivers - PubMed Central, accesată pe iunie 17, 2025, https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC4871443/

2. Small hydropower: "Run-of-the-river" (ROR) hydroelectricity - Découvrez la Greentech, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.discoverthegreentech.com/en/renewable-energies/hydropower/run-of-the-river/

3. Comparison of costs for conventional hydropower and in-stream... - ResearchGate, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.researchgate.net/figure/Comparison-of-costs-for-conventional-hydropower-and-in-stream-turbines-Results-shown-are_fig3_351064565

4. US20200088159A1 - Hydrokinetic turbine system - Google Patents, accesată pe iunie 17, 2025, https://patents.google.com/patent/US20200088159A1/en

5. HYDRO TURBINE GENERATOR - Patent 2307704, accesată pe iunie 17, 2025, https://data.epo.org/publication-server/rest/v1.0/publication-dates/20180808/patents/EP2307704NWB1/document.html

6. US8820063B2 - Hydroelectric power generation system - Google Patents, accesată pe iunie 17, 2025, https://patents.google.com/patent/US8820063B2/en

7. (PDF) Small hydrokinetic turbines - ResearchGate, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.researchgate.net/publication/358161733_Small_hydrokinetic_turbines

8. Untitled - Googleapis.com, accesată pe iunie 17, 2025, https://patentimages.storage.googleapis.com/09/15/97/f6faa98559d022/US11927170.pdf

9. Tidal power patented technology retrieval search results - Eureka | Patsnap, accesată pe iunie 17, 2025, https://eureka.patsnap.com/topic-patents-tidal-power

10. Modular Hydrokinetic Turbine System - Justia Patents, accesată pe iunie 17, 2025, https://patents.justia.com/patent/20240077055

11. US11927170B2 - Cycloturbine modular river current energy converter and method and apparatus for deploying marine hydrokinetic turbine assembly to harvest riverine and ocean tidal current energy - Google Patents, accesată pe iunie 17, 2025, https://patents.google.com/patent/US11927170B2/en

12. Turbogenerators Patents and Patent Applications (Class 290/52) - Justia Patents Search, accesată pe iunie 17, 2025, https://patents.justia.com/patents-by-us-classification/290/52

13. How to Evaluate Hydrokinetic Turbine Performance and ... - HubSpot, accesată pe iunie 17, 2025, https://cdn2.hubspot.net/hubfs/5468894/assets/docs/Evaluating-Hydrokinetic-Turbines-Alden.pdf

14. Design of a hydrokinetic turbine - WIT Press, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.witpress.com/Secure/elibrary/papers/ESUS15/ESUS15012FU1.pdf

15. Calculate the Sweep Area of Turbine Blades. - Save The Huron Mountains, accesată pe iunie 17, 2025, https://savethehuronmountains.org/2018/10/10/calculate-the-sweep-area-of-turbine-blades/

16. Optimization of Hydrokinetic Swept Blades - MDPI, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.mdpi.com/2071-1050/14/21/13968

17. Design and Multi-criteria Evaluation of a Hydrokinetic Turbine Rotor in Water Transfer Canals for Electricity Generation, accesată pe iunie 17, 2025, https://rera.shahroodut.ac.ir/article_3067_6b68b5bb0e44b1ea412aa01d1061077e.pdf

18. [2411.13492] CFD-based design optimization of a 5 kW ducted hydrokinetic turbine with practical constraints - arXiv, accesată pe iunie 17, 2025, https://arxiv.org/abs/2411.13492

19. FishSafe™ Turbine Design - Natel Energy, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.natelenergy.com/turbines

20. Computational Design Analysis of a Hydrokinetic Horizontal Parallel Stream Direct Drive Counter-Rotating Darrieus Turbine System - Niner Commons, accesată pe iunie 17, 2025, https://ninercommons.charlotte.edu/record/4308/files/hewlrod_etal_comde_ir_2022.pdf

21. Marine Hydrokinetic Turbine Power-Take-Off Design for Optimal Performance and Low Impact on Cost-of-Energy - Publications, accesată pe iunie 17, 2025, https://docs.nrel.gov/docs/fy13osti/58092.pdf

22. Emerging and Innovative Materials for Hydropower Engineering ..., accesată pe iunie 17, 2025, https://www.researchgate.net/publication/354621692_Emerging_and_Innovative_Materials_for_Hydropower_Engineering_Applications_Turbines_Bearings_Sealing_Dams_and_Waterways_and_Ocean_Power

23. Integrating Hydrokinetic Energy into Hybrid Renewable Energy System: Optimal Design and Comparative Analysis - MDPI, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.mdpi.com/1996-1073/16/8/3403

24. Dams in cold regions should account for ice. | Lessons Learned, accesată pe iunie 17, 2025, https://damfailures.org/lessons-learned/dams-in-cold-regions-should-account-for-ice/

25. Research & Development - New Energy Corporation, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.newenergycorp.ca/researchdevelopment

26. Active Ice Management Systems and Methods: A Breakthrough in ..., accesată pe iunie 17, 2025, https://www.erdc.usace.army.mil/Media/News-Stories/Article/4020339/active-ice-management-systems-and-methods-a-breakthrough-in-cold-weather-operat/

27. Hydropower and the environment - U.S. Energy Information Administration (EIA), accesată pe iunie 17, 2025, https://www.eia.gov/energyexplained/hydropower/hydropower-and-the-environment.php

28. What Are Fish-Friendly Turbine Designs? → Question - Energy → Sustainability Directory, accesată pe iunie 17, 2025, https://energy.sustainability-directory.com/question/what-are-fish-friendly-turbine-designs/

29. Hydrokinetic Turbines - generate energy from water, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.gkinetic.com/hydrokinetic-turbines/

30. How Much Dam Water is Needed for Fish and Energy? | Feature | PNNL, accesată pe iunie 17, 2025, https://www.pnnl.gov/news-media/how-much-dam-water-needed-fish-and-energy

The Importance of River Discharge in Run-of-River Hydropower, accesată pe iunie 17, 2025, https://bwi.earth/the-importance-of-river-discharge-in-run-of-river-hydropower/