raport stiintific tehnic - automation.ro · activitate i.1 analiza strategiei de proiectare a...

Structura energetica hibrida hidro-eoliana. modelare si tuning pe statie pilot

HIDROEOL

RST

________________________________________________________________________ 1/87 Etapa 1 Studiu tehnic si analiza de sistem Termen: 10.12.2007

RAPORT STIINTIFIC TEHNIC

ETAPA 1: Studiu tehnic si analiza de sistem Activitati: Activitate I.1 Analiza strategiei de proiectare a structurilor energetice hibride hidro-eoliene Activitate I.2 Studiu privind identificarea cerintelor sistemului energetic hibrid. Beneficii preconizate, limitari, considerente de scalabilitate Activitate I.3 Studiu privind sistemele energetice hibride si a criteriilor care pot fi optimizate, in conditii de securitate in functionare Activitate I.4 Studiu privind mecanisme de interogare a bazelor de date distribuite de dimensiuni mari (mecanisme de mentenanta, sincronizare si back-up)


HIDROEOL

RST


CUPRINS

paginaI BAZA LUCRĂRII 1.1 Baza juridica 1.2 Baza tehnica

II STANDARDE ŞI NORME NAŢIONALE ŞI INTERNAŢIONALE DE REFERINŢĂ

II.1. Standarde naţionale şi internaţionale de referinţă II.2 Norme naţionale şi internaţionale de referinţă

III. ANALIZA STRATEGIEI de PROIECTARE a STRUCTURILOR ENERGETICE HIBRIDE HIDRO-EOLIENE

3.1 Motivaţia 3.2 Situatia actuala 3.3. Structura unui generator eolian 3.4. Structuri de ansambluri hibride 3.4. Ansambluri hibride in zone isolate 3.4.1. Ansambluri hibride interconectate prin reteaua energetica 3.4.2. Ansambluri energetice cu centrale hidroelectrice reversibile

(generatoare si pompe)

3.4.3. Ansambluri energetice cu centrale hidroelectrice cu accumulare prin pompare

3.6. Strategia de abordare 3.7. Statia Pilot 3.8. Experimente. Analiza rezultatelor 3.9. Extrapolarea rezultatelor experimentate si modelarea matematica a unnui

ansamblu hidro-eolian

IV. STUDIU PRIVIND IDENTIFICAREA CERINTELOR SISTEMULUI ENERGETIC HIBRID. BENEFICII PRECONIZATE, LIMITARI, CONSIDERENTE de GENERALITATE.

4.1.Caracteristicile energiei eoliene 4.2.Solutii de disponibilizare 4.3 Restrangerea domeniului

4.4.Cerinte 4.4.1. Ansambluri mici si isolate Autonomie, 4.4.2. Ansambluri mari: controlabilitate 4.5 SCADA 4.6 Bibliografie

V. STUDIU PRIVIND SISTEMELE ENERGETICE HIBRIDE SI A CRITERIILOR CARE POT FI OPTIMIZATE, IN CONDITII DE SECURITATE IN FUNCTIONARE.

5.1. Obiective generale 5.2. Centrale electrice eoliene 5.2.1 Potenţialul energetic eolian [7] 5.2.2 Tipuri constructive de captatoare eoliene Captatoare cu ax orizontal Captatoare eoliene cu ax vertical


HIDROEOL

RST


Captatoarele eoliene cu rezistenţă simplă Captatoare eoliene cu diferenţă de rezistenţă 5.3 Instalaţia electrică a centralelor electrice eoliene 5.3.1 Producerea de energie electrică de curent continuu 5.3.2 Producerea de curent alternativ cu generatoare sincrone 5.3.3 Producerea de curent alternativ cu generatoare asincrone sau de

inducţie

5.3.4 Racordarea la sistemul energetic a generatoarelor eoliene 5.4. Amenajările centralelor hidroelectrice cu acumulare prin pompare (CHEAP) [4] 5.5. Centrale electrice hibride 5.6. Situaţia pe plan mondial privind construcţia de centrale hibride hidro-eoliene 5.7. Alte aplicaţii ale centralelor hibride hidro-eoliene 5.7.1. Introducere 5.7.2. Schema electrică a unei centrale hibride hidro-eoliene 5.7.3 Dimensionarea bazinului superior 5.7.4. Dimensionarea barajului 5.7.5. Concluzii 5.8. Bibliografie VI. STUDIU PRIVIND MECANISME DE INTEROGARE A BAZELOR DE

DATE DISTRIBUITE DE DIMENSIUNI MARI

6.1. Obiectivele unui SGBDD 6.2. Funcţiile unui SGBDD 6.3. Arhitectura de referinţă a SGBDD 6.4. SGBDD omogene şi eterogene 6.5. Transparenţe în cadrul SGBDD 6.6. Proiectarea BDD 6.6.1. Fragmentarea datelor 6.6.2. Replicarea datelor 6.7. Etapele proiectării BDD 6.8. Proiectarea fragmentării 6.8.1. Fragmentarea orizontală 6.8.2. Fragmentarea verticală 6.8.3. Fragmentarea mixtă 6.9. Proiectarea alocării 6.10. Cereri distribuite 6.11. Tehnici de reprezentare a cererilor 6.12. Expresia canonică a cererii globale 6.13. Criterii de simplificare a cererilor distribuite 6.13.1. Simplificarea relaţiilor fragmentate orizontal 6.13.2. Simplificarea relaţiilor fragmentate vertical 6.14. Programul de semijoncţiune 6.15. Gruparea distribuită şi evaluarea funcţiilor de agregare 6.16. Bibliografie VII. CONCLUZII


HIDROEOL

RST


Colectiv de elaborare

Director Proiect : cs. gr II ing. Alina CALARASU

cs. gr I. ing STOIAN Ioan - director sucursala Cluj IPA cs. gr II ing. CAPATANA Octavian – Responsabil stiintific as. cs. ing. CAZAN Rares cs. gr II ing. STANCEL Eugen cs. gr II ing KOVACS Istvan cs gr II ing UNGUREANU Gicu cs gr III ing IGNAT Sorin cs. CADIS Magda Universitatea Tehnica Cluj Napoca Prof dr ing. VADAN Ioan - Responsabil stiintific Prof dr ing.MAIER Virgil Conf dr ing.PAVEL Sorin S.l.ing MARTINEAC Corina Asis ing. BOTEZAN Aurel Asis ing.TURCU Antoniu Asis ing.RUSSU Marius Drd. ing ARDELEAN Simona Universitatea Transilvania Brasov Prof dr. ing MARINESCU Corneliu – Responsabil stiintific Prof dr. ing GEORGESCU Marius Conf dr. ing MARINESCU Daniela Sl ing. CLOTEA Luminita Lector ing. IACOB Paul Drd. ing. SERBAN Ioan Drd. ing.ION Catalin


HIDROEOL

RST


III. ANALIZA STRATEGIEI de PROIECTARE a STRUCTURILOR ENERGETICE HIBRIDE HIDRO-EOLIENE

3.1 Motivaţia

Potenţialul energetic eolian anual se ridică la aproximativ 260.000Twh pe întreg mapamondul. Teoretic acest potenţial depăşeşte cu mult consumul mondial anual de energie electrică [2]. Acest potenţíal e de 15 ori mai mare decât actualul consum energetic al lumii şi de 40 de ori mai mare decât actualul comsum de energie electrică a lumii[6].

Exploatarea acestui potenţial energetic este limitată de anumite constrângeri sau dezavantaje. Pe de altă parte utilizarea acestei energii este la început, dar în plin avânt. Conform asociaţiei americane AWEA în 2006 energia produsă de vânt a crescut cu 27% fată de 2005, ceea ce înseamna că în 3 ani se dublează această energie dacă se menţine ritmul de creştere.

Este fără îndoială singura alternativă curată şi nelimitată – dar a cărei neajunsuri trebuiesc surmontate tehnologic. Dezavantajele energiei eoliene sunt: - concentrare de energie relativ mica - concentrarea energiei intr-un interval de timp foarte redus - inpredictibilitate

Aceste dezavantaje se traduc prin faptul ca energia eoliana daca depaseste un anumit procent din totalul energiei produse poate cauza probleme. Danemarca administreaza peste 20% din totalul ei energetic din vant fara probleme, dar cresterea acestui procent ridica probleme; Danemarca fiind o tara relativ mica (ca intindere ~ cat 3 judete) inpredictibilitatea vantului poate face ca 20% din capacitatea totala instalata sa apara sau sa dispara subit, fapt ce ridica mari probleme de management.

Intr-un studiu subventionat de statul Minesota din SUA se apreciaza ca pana la 25% energie eoliana din totalul energiei s-ar putea administra eficient cu un cost mai mic de 0,0045 dolari pe kwh [8]. În alt studiu american al societăţii de energie solară se apreciază că până la 20% din energia consumată poate fi preluată din surse inpredictibile fără mari dificultăţi şi extra costuri.

Nu există o limită maximă, general acceptată, a procentului de energie eoliană intr-un sistem energetic dat. Limita maximă practică depinde de mai mulţi factori cum ar fi structura de generare (hidro, nucleară, combustibili fosili), mecanismele de formare a preţurilor, capacitatea de stocare şi costurile stocării, cerinţele, reglementările de administrare, plus extra costurile de administrare.

Evident, această limită poate fi mai ridicată dacă sistemul energetic e prevăzut cu capacităţi de stocare.

In toate cazurile de acest gen, ce rezidă in dezavantajele menţionate, se intrevăd două soluţii de principiu:

a) interconectarea cu un sistem energetic mai mare, astfel ca procentul de energie eoliană din total să scadă sub un anumit procent – prag de siguranta, şi

b) dezvoltarea de capacităţi de conservare a energiei eoliene. Soluţia a) poate şi este uneori formulată ca o cerinţă de diversitate a surselor de energie; un recent studiu al universităţii din Kassel popunea o reţea hibridă eoliană şi solară întinsă la scara întregii Germanii. Întindrea mare a unei astfel de reţele ar asigura disponibilitatea unui anumit procent din totalul capacităţilor instalate.


HIDROEOL

RST


Avantajele energiei eoliene sunt: • Nu genereaza gaze de seră ( un Mwh produs prin arderea de carbune sau diesel produce 0,8t

gaz de sera – in principal CO2) • Nu rezulta deşeuri toxice concentrate şi radioactive • Nu cosumă combustibil fosil • Costul se reduce la amortizarea investitiei si la mentenata (productia unui kwh prin energie

eoliana costa 0,05-0,10$ canadian sau 0,03-0,07 $ american fata de acelasi kwh produs prin arderea motorinei care costa intre 0,25-1,00$)

• Este larg raspandita geografic • Terenul imobilizat de instalatia eoliana este nesemnificativ (98% din terenul unei ferme eoliene

ramane pentru agricultura, cresterea animalelor etc) • Fermele eoliene pot vitaliza economiile rurale prin inchirierea de teren si redevenţe Toate aceste avantaje si dezavantaje a fost puse in balanta si rezultatele sunt graitoare, vorbesc de la sine:

1. Intre 2000 si 2006 puterea instalata in turbinele eoliene s-au cuadruplat. 2. La finele anului 2004 erau instalate capacitati eoliene de 47.000Mw, iar la finele anului

2006 acestea au ajuns la 73.000Mw. 3. In Danemarca peste 20% din energia electrica produsa este de origine eoliana; in Navara

(N-V Spaniei) 25% din energia produsa este de origine eoliana. 4. In 2005 in Canada s-au instalat turbine eoliene de 944MW (energie pentru 280.000 de case),

tot in 2005 China si-a dublat puterea instalata. 5. Puterea instalata in primele 6 tari producatoare de energie eoliana, la finele anului 2006,

este Total putere instalata in 2006

[MW] 1 Germania 20.622 2 Spania 11.615 3 SUA 11.603 4 India 6.270 5 Danemarca 3.140 6 China 2.604

Din această scurtă inventariere a a problematicii energiei eoliene, care se dezvoltă consistent şi rapid rezultă că beneficiile energiei eoliene sunt certe şi că problema conservării sau principiul disponibilităţii se referă la imbunătăţirea şi eficientizarea energiei eoliene.

Germania, cu un teritoriu puţin mai mare ca al mostru, are capacităţi eoliene de 20GW, adică cam tot atâta cât e toată capacitatea noastră electrica (19GW din hidro, cărbune, păcură, gaze naturale, nucleară etc).

Pe de o parte evoluţia preţurilor de producţie, în scădere continuă, pe de altă parte scăderea continuă a costului investiţiei în generatoarele eoliene, fac ca aceasta să fie luată în considerare dincolo de marile ei avantaje şi anume costurile energiei primare şi condiţia ei ecologică. Singura problemă care rămâne este cum o înserăm la scară mare în sistemul energetic, sau cum o conservăm. Mai jos dăm o imagine sintetică şi comparativă pe sectorul energiilor verzii în ceea ce priveşte costurile la zi.


HIDROEOL

RST


Valori medii

Tip caracteristici rand [%]

cost investitie

[ $/W]

cost anual mentenanta

[$/kw]

durata viata [ani]

factor de

utilizare [%]

cost prod/KWh [ cUSD]

hidro micro 70 4 25 50 >55 4 - 9

mini 80 2.0 * >60 >60 2 - 8 mari 90

vant mici <59

** 3**** 30

20-25 30 4 -10 *** mari 1,8-2,5

solar 6-24 ~0 15-25 15 60 - 200

geotermal 2 50 25 70 4 - 9

biogaz 8 600 20 27 4 - 5 Note

* low head 2-2,2euro/w * high head 1,4-1,6 euro/w ** legea lui Betz

*** sunt cazuri de costuri de productie eoliene raportate in jur de 3 centi

**** firma Joliet ofera turbine eoliene la 1Kw sub 1,5 euro/w Sursa informatii BHA british hydropower association BC Hydro british comunbia - canada BWEA british wind energy association Kapa System atena Geothermal comparison diferite surse

3.2. Situaţia actuală

3.2.1.Acutizarea problemelor mondiale - resursele energetice şi încălzirea globală Resursele energetice fosile în scădere şi încălzirea globală sunt doi factori care vor presa pentru folosirea pe scara tot mai largă a energiei eoliene care este nelimitată, azi, nu costă şi mai ales este curată.

Odată cu depăşirea pragului de 100 dolari pe baril reapare acut motivaţia economică pentru toate energiile recuperabile, iar energia vântului e una considerabilă.


HIDROEOL

RST


Pregătirea pentru viitor, când resursele fosile vor dispărea, trebuie făcută din timp, motiv pentru care se cheltuieşte tot mai mult pentru cercetarea unor resurse energetice alternative, între care şi integrarea pe o scară tot mai largă a resurselor eoliene.

Îngrijorările legate de încălzirea globală, în schimb, nu vor presa suficient oamenii politici

să se mişte în direcţia unor energii curate, precum se va întâmpla cu primul factor menţionat. Dar este uşor de prevăzut că lucrurile vor evolua din rău în mai rău şi noi liderii politici de după 2010 vor acţiona.

3.2.2 Situaţia actuală în România

Conform Anuarului statistic al României pe 2005 în structura resurselor energetice doar 5,9% este energie regenerabilă şi aceasta este realizată în principal în centrale hidroelectrice şi într-un grup nuclear de 700MW (v. figura nr 3.2.1a ). Acum este în probe ce de al doilea grup de încă 700MW putere instalată dar şi cu această investiţie nu atingem, probabil, 7% din total. Puterea eoliană e complet la început - există un o turbină în funcţionare la Ploieşti, urmează să se contruiască un parc eolian pe litoral şi se mai discută de alte câteva proiecte. Primele investiţii eoliene vor profita de faptul că vor fi sub o limită maximă admisă, care nu crează probleme integrării acesteia în sistemul energetic naţional aşa cum am arătat deja.

Fig. 3.2.1.a Structura resurselor energetice primare in 2004 conform INSSE


HIDROEOL

RST


Fig. 3.2.1.b Structura energiei electrice in 2004 , în România

În ciuda faptului că în statisticile oficiale din ţără energia obţinută în reactorul nuclear de la Cernavodă apare împreună cu energia generată hidro din punct de vedere al sistemului energetic care trebuie să facă faţă uşor unor vârfuri de sarcină, energia nucleară se aseamănă mai mult cu energia obţinută în termocentrale. Prin urmare mai puţin de 18% din energia electrică este capabilă să răspundă urgent modificărilor de sarcină.

Întrucât al doilea grup de la Cernavodă urmează să intre în exploatare curentă acest procent va fi încă şi mai mic. După un calcul simplu, dacă la datele din 2004 , ar fi fost în funcţiune şi al doilea grup nuclear, ce se va întâmpla în 2008, atunci procentul de energia electrică produsă hidro scade la aproximativ 15%.

Acest procent este mult mai mic, în mod real, întrucât nu toată energia produsă în hidro este în plus sau altfel zis dedicată reglajului de putere în sistemul energetic. Un anumit procent satiface permanent consumul permanent.

Acum toată energia eoliană care se va produce în viitor nu numai că reduce valoarea energiei hidro din total, ci această energie vine cu specificul ei de inpredictibilitate.

E logic, e aproape matematic că energia eoliană trebuie să fie „asortată” cu capacităţi de conservare hidro. Transelectrica intenţionează să condiţioneze instalarea de capacităţi eoliene de dezvoltarea în paralel de capacităţi de conservare prin pompare[7]. 3.3 Structura unui generator eolian Tehnologia turbinelor şi generatoarelor eoliene a evoluat mult, s-a ajuns astăzi la un nivel de calitate care poate fi considerat ca standard, standard care rezidă, în primul rând, în structura şi funcţiile acestora. Componenţa acestor turbine şi generatoare, indiferent de producător, este redată mai jos în figura nr 3.2.2. Este de remarcat modalitatea de orientare „în vânt” a a turbinei prin orientatorul 10, care transmite microcontrolerului 8, direcţia vantului, microcontroler care motorul 14 şi roţile dinţate 13 orientează ansamblu nacelă şi palete pe direcţia vântului. Mai trebuie remarcate dispozitivele 3 si 4 din structură, care la depăşirea unui anumit nivel al vitezei vântului va frâna rotorul cu palete pentru a evita deteriorarea turbinei.


HIDROEOL

RST


Alta date despre turbine şi generatoarele eoliene se dau în capitolul IV din prezentul raport de cercetare. Aceste cunoştinţe sunt utile pentru o selecţie eficace pentru turbina eoliană din cadrul staţiei pilot.

a)

b)

Fig. 3.2.2. Structura generatoarelor eoliene a) ansamblu, b)detaliu generator


HIDROEOL

RST


3.4. Structuri de ansambluri hibride 3.4.1. Ansambluri hibride in zone isolate

Şi această categorie ar putea fi aprofundată pe două cauzuri diferite: 1) cazul cabanelor, fermelor izolate care folosesc două sau mai multe surse de energie

(solara, eoliana, hidro cu accumulare pe baterii şi cu suport de siguranţă pe un generator diesel). Noi nu vom lua în calcul acest gen de ansambluri cu generatoare diesel întrucât lucrarea are tocmai ideea de utilizare cât mai intensivă a energiei recuperabile, şi ne mulţumim doar să le consemnăm. În figura este prezentat un ansamblu hidro+eolian+solar care debitează atât în curent continuu cât şi în curent alternativ, din motive de randament. O serie de consumatori cum ar fi elementele de ilumuminat şi de încălzit pot fi conectate direct pe curentul continuu obţinut din energia solară şi eoliană. Preocuparea pentru acest gen de ansambluri microenergetice hibride este foarte veche (în România ICPE din 1970-1980), iar realizările sunt la nivel comercial şi producţie de serie.

Figura 3.4.1.a. micro ansambluri energetice hibride izolate

şi 2) cazul unor reţele mici (pe insule) care se bazează, în principal pe generare diesel, dar

care au fost îmbunătăţite prin interconectari cu surse eoliene şi hidro[3].


HIDROEOL

RST


Figura 3.4.1.b. mini ansambluri energetice hibride pe insule 3.4.2. Ansambluri hibride interconectate prin reteaua energetica

Chiar dacă ţelul e mult mai ambiţios decât ne mărgineşte tema în derulare şi forţele alocate, prin modelare matematică, sperăm să lămurim corect şi problema structurilor hibride hidro-eoliene în contextul global al sistemului energetic naţional. Ideea de la care am plecat în atamarea acestei teme şi prezentate în lucrarea [1].

Figura 3.4.2. Ansambluri energetice hidro-eoliene mari interconectate prin sistemul

energetic naţional


HIDROEOL

RST


3.4.3. Ansambluri energetice cu centrale hidroelectrice cu acumulare

Preocuparea de a face faţă vârfurilor de sarcină, ceea ce implicit presupune si perioade de exces de energie a condos, firesc, si la amenajari hidroelectrice in care acumularea energiei in perioadele de surplus se face pompând apă din bazinul de refugiu, sau dintr-o aducţiune alăturată in bazinul superior al centralei hidroelectrice. Sunt două cazuri: i) ansambluri energetice cu centrale hidroelectrice reversibile (generatoare si pompe), si ii) ansambluri energetice cu centrale hidroelectrice cu staţii de pompare In ambele cazuri energia eoliană, care este impredictibilă, o putem considera ca energia suplimentară in anumite perioade care trebuie consumată. Consumul ei se va face prin pomparea apei in bazine superioare, care va fi folosita in perioadele de vârf de sarcină. In fond accumulăm, cu un anumit randament, energie eoliana, pe care nu se poate conta, şi odată accumulată energia de provenienţă eoliană va fi folosita exact când e nevoie. Ansambluri energetice cu centrale hidroelectrice reversibile (generator/pompă) La acest tip de amenajare, conducta forţată se utilizează atât pentru turbinare cât şi pentru pompare. Avantajul acestui tip de amenajare constă în reducerea numărului de maşini hidraulice şi electrice întrucât turbina hidraulică poate funcţiona şi în regim de pompă prin modificarea unghiului paletelor directoare, iar generatorul sincron trece în regim de motor sincron. Randamentul general al ansamblului reversibil, pompa - generator electric, η, este unul mai mic, adică

η =< ηt * ηp unde ηt este randamentul ansamblului turbina-generator şi ηp este randamentul ansamblului pompa-motor

Figura nr 3.4.3. a

Dezavantjul acestui tip de amenjare constă în faptul că nu se poate utiliza simultan turbinarea cu pomparea. Acest tip de amenajare hidroelectrică, de puteri foarte mari, îl au toate ţările foarte avansate economic (SUA, Japonia, Germania) conform [2]. O astfel de amenjare a fost gândită şi pe Someşul Mic la Lăpusteşti.

În cazul în care acest tip de amenajare vrem să îl folosim pentru accumularea energiei eoliene această imposibilitate de putea funcţiona simultan turbinarea şi pomparea, poate fi hotărâtor şi trebuie studiat în context statistic şi pe durată mare.


HIDROEOL

RST


Ansambluri energetice cu centrale hidroelectrice cu staţii de pompare separate Incercăm să vedem în cazul acesta, ilustrat şi în figura nr 3.4.3a , ce condiţie rezultă între înălţimea de pompare Hp şi înălţimea de turbinare Ht pentru ca acţiunea în sine să fie rentabilă. Pentru a pompa din lacul 1 in lacul 2 cantitatea Q de apa avem nevoie de un lucru mecanic echivalent E = Q*g*Hp, dar intrucat pompa are un randament ηp, energia consumata de pompă, Ep, pentru a pompa aceiaşi cantitate de apă Q la inăţimea Hp este mai mare, adică: unde g este acceleraţia gravitaţională, Hp , Ht sunt înălţimile de pompare, respectiv de turbinare. Energia rezultată din turbinarea cantităţii de apă Q din lacul 2 Et este:

Această energie trebuie să fie mai mare decât energia consumată cu pomparea, Et > Ep, de unde rezultă că În [2] se consideră ηt * ηt cel mult 0,71, adică Ht > 1,4 *Hp .

Acest tip de amenajare hidroelectrică se pretează cel mai bine pentru accumularea energiei eoliene tocmai datorită faptului că turbinarea şi pomparea sunt independente.

Figura nr 3.4.3. a

Q*g*Hp Ep = -------------

ηp

Q*g*Hp Ep = -------------

ηp

Et = Q*g*Ht

1 Ht > ------------ *Hp ηt * ηp


HIDROEOL

RST


3.5. Strategia de abordare

Staţia pilot împreună cu sistemul său de control şi supraveghere (SCADA) are rolul de a valida nişte modele matematice, construite analitic, ale unui ansamblu hidroeolian cu pompaj de conservare. .

Prin validarea acestor modele, vom putea trece prin extrapolare la ansambluri eoliene de diferite anvergurii, şi prin modelări matematice să demonstrăm că structurile hidro-eoliene cu accumulării prin pompaj sunt superioare ca randament aceloraşi capacităţi fără accumulare prin pompaj. Dincolo de limitele temei avem scopul ambiţios de a aprecia unele problemele integrării pe scară mare a energiei eoliene în sistemul energetic naţional.

Din date experimentale achiziţionate prin sistemul SCADA prin regresie matematică de ducem modelul ansamblului staţiei pilot – model care-l comparăm cu modele analitice construite pentru turbina hidro, turbină eoliană, staţie de pompare. În urma acestor operaţii facem ajustarea modelelor analitice, modelele analitice ajustate vor fi ulterior folosite la modelări de noi situaţii de ansambluri hidro-eoliene de anvergură.

În fond aceasta e provocarea, la nivel mondial, în domeniul energetic, de a integra

energia eoliană dincolo de aşa zisă „limită maximă” (aşa cum am definit-o încă din capitolul de Motivaţie).

Fig. 3.5. Tranziţia de la studiul pe o staţie pilot la aprecierea problematicii înglobării energiei eoliene în sistemul naţional

3.6 Staţia Pilot Vom construi o staţie pilot hidro - eoliană de mici dimensiuni ( aprox 1kW) la nivelul resurselor de care dispunem, după ce în prealabil vom monta intr-o locaţie aleasă un anemometru cu livrarea datelor despre potenţialul eolian pe o reţea GSM, sediul coordonatorului proiectului. Anemometru va fi însoţit şi de o cameră video de supraveghere on line conectată prin GSM şi o conexiune VPN la serverul coordonatorului de proiect. Rolul acestei conexiuni e dublu: odată pentru urmărirea a ecipamentului ca atare ca obiect de inventar şi odată din considerente tehnice de a observa în timp real că măsurătorile nu sunt afectate de fenomene climatice extreme (temperaturi


HIDROEOL

RST


foarte joase, chiciură etc). Acest gen de observaţii ne va indica şi tipul de turbină eoliană de care e nevoie cu sau fără încăzire internă, dacă se poate şi mai ales cum face o încălzire separată, consumul acestei instalaţii, autonomia energetică a ansamblului turbină, anemometru, sistem de încălzire, cameră video şi a elementelor SCADA care trebuie să fie în funcţionare şi gata de a intra în funcţiune indiferent dacă avem zile sau săptămâni fără vânt. Această staţie pilot de mici dimensiuni trebuie să ne dea doar nişte corelaţii, în baza cărora vom extrapola datele la o scara mult mai mare sau la mai multe scări mult mai mari. Fiind o diferenţă aşa de mare de scară între pilotul care ni-l putem permite s-ar putea să avem dificultăţi sau mai bine zis inadecvări ale modelului matematic dedus din datele experimentale culese de pe staţia pilot şi un model matematic al unui ansamblu de câţiva Mw. Pentru a face faţă acestei posibile probleme vom dezvolta două modele: un model matematic analitic şi un model dedus din datele experimentale culese de pe staţia pilot. Staţia pilot din cadrul proiectului va fi dezvoltată pe terenul partenerului P1 şi va fi concepută la nivelul puterii de 1 Kw. De asemenea, şi în plus faţă de obligaţiile contractuale, vom încerca împreună cu Hidroelectrica Cluj-Napoca, să realizăm împreună pe o amenajare existentă (Floreşti II) o staţie de pompare de 3,2 sau 7,5Kw (funcţie de echipamentele disponibile la hidroelectrica) energizată doar de energia eoliană obţinută loco cu un generator eolian de aproximativ 10Kw (vezi în acest sens propunerea IPA către Hidroelectrica Cluj-Napoca în anexa 1, cu menţiunea că această staţie de pompare excede contractul şi nu este finanţată din contract). Dar dacă vom reuşi în paralel şi această realizare mai consistentă sub unghiul puterilor manipulate, vom mai avea o cheie de control şi validare, în plus, pentru cele două modele matematice propuse.

Fig. 3.6. Structura staţiei pilot

In urma consultarilor sunt propuse ca staţia pilot două vaiante:

Varianta a)

Sistem de supraveghere şi

înregistrare

Centrala eoliana

Redr-Acc Invertor Staţie de pompare cu turaţie variabilă

Consumator Baterie de acumulatori


HIDROEOL

RST


sa se dezvolte o microamenjare amenajare hidroenergetica de 1 KW in albia Somesului rece, în localitate Mărişelu, şi să se compună din:

1) o pompă de 1 kW 2) turbina si generator eolian 1Kw cu baterie de acumulatori si invertor (vezi anexa), 3) dulap de actionare pompa, 4) cameră de supraveghere video pe IP 5) un consumator permanent.

Varianta b) opţională şi în afara contractului )dar dacă se va reuşi atunci reyultatele vor fi utilizate în proiectul HIDROEOL)

sa se dezvolte intr-o amenajare hidroenergetica existenta in albia Somesului – CHE Floresti II cu aggrementul Hidroelectrica, si sa se compuna din:

1. o pompă de 2,7 kW tip HomAH 500/3,5s, eventual o pompă de 5,5kW tip CRIS150 - dacă se va justifica creşterea de putere (existente la SH Cluj)

2. turbina si generator eolian 10Kw cu baterie de acumulatori si invertor (vezi anexa), 3. dulap de actionare pompa, 4. cameră de supraveghere video pe IP 5. un consumator permanent

3.7. Experimente şi analiza rezultatelor

Se vor realiza si experimenta:

3.1. o staţie pilot independenta energetic, experimentările se vor face la Mărişel colonie în incinta UTCN (P1) cuprinzând turbina – generator eolian - staţia de pompare şi hidroagregatul

3.2. experimentările vor dura 2 ani (2008 si 2009) si vor cuprinde: o bilanţuri si randamente energetice pe ansamblu o randamente pe fiecare componenta în parte (generator eolian, pompa, invertor) -

consumurile vor fi evidentiate si separat, o înregistrarea si analiza regimurilor tranzitorii pentru fiecare componenta a

ansamblului, o debite şi volume de apa pompate, nivele, temperaturi, viteza vântului, şi în

general tot ce este relevant pentru aprecierea experimentului, etc. o consumul propriu de energie, durata acestei autonomi energetice propri şi

costurile investiţionale a acestei autonomii; se vor avea în vedere inclusiv propuneri de structuri care să asigure o autonomie energetică eficientă şi de durată.

3.8. Extrapolarea rezultatelor experimentate si modelarea matematica a unui ansamblu hidro-eolian


HIDROEOL

RST


Prin modelare matematica datele de sinteza vor fi extrapolate, astfel incât să se poată trage concluzii utile cu privire la modul de abordare a situaţiilor similare, şi a abordării la alte scări (puteri energetice). Modele trebuie să permită particularizarea lor pe nişte situaţii date (locaţii, tip de maşini electrice, hidraulice şi eoliene folosite etc)

Unele din concluziile ce trebuiesc să rezulte din modele dezvoltate sunt legate • de dimensionarea optimă şi eficientă a motoarelor şi pompelor, • de dimensionarea optimă şi eficientă a generatoarelor hidro şi eoliene, • de capacitatea amenajărilor superioare, • de randamentele energetice implicate în stocare.


HIDROEOL

RST


IV. STUDIU PRIVIND IDENTIFICAREA CERINTELOR SISTEMULUI ENERGETIC HIBRID. BENEFICII PRECONIZATE, LIMITARI, CONSIDERENTE de GENERALITATE.

4.1.Caracteristicile energiei eoliene Intermitenţa, variabilitatea şi inpredictibilitatea vântultui

Intermitenţa, variabilitatea şi inpredictibilitatea vântultui au fost şi încă mai sunt principalii factori de limitare a răspândirii energiei eoliene. Din toate studiile parcurse până la o limita maximă, în jur de 15-20% din total, energia eoliană poate fi administrată fără creşteri de costuri semnificative. Peste această limită trebuie avute în vedere sisteme de conservare. Un ansamblu eolian împreună cu sistemul de conservare va „disponibiliza” energia energia eoliană din momentele aleatoare când bate vântul pentru momentele când este nevoie. Distribuţia vitezei vântului

Valoarea medie a vitezei vântului permite o evaluare, în mare, a potenţialului eolian a respectivei locaţii. Valoarea medie a potenţialului eolian, într-o locaţie, se obţine după cel puţin un an de măsurători continui. Toate datele obţinute şi citate în diferite studii au aceiaşi alură a distribuţiei vântului funcţie de viteză, precum cea din figura de mai jos.

Distribuţie care se interpretează astfel: diferite locaţii au diferite distribuţii, în sensul că au diferite valori - dar, în general, alura curbei de distribuţie e aceiaşi. Evident, ne referim la locaţiile


HIDROEOL

RST


care au o viteză medie a vântului ridicată. Modelul matematic al distribuţiei vântului funcţie de viteză este un model cu 2 parametri numit model Weidbull sau o variantă Weidbull numită model Rayleigh.

Puterea vântului Energia vântului care străbate o suprafaţă S este

m*v2

E = --------- , 2

unde m este masa de aer de densitate ρ (1,225Kg/mc aer la 15˚C) care străbate suprafaţa S in intervalul de timp t, adică: m = ρ*S*v*t sau

ρ*S*v3*t E = ------------ ,

2 şi de aici puterea vântului ce străbate cu viteza v, suprafaţa S în unitatea de timp este:

ρ*S*v3

P = ---------- 2

Dacă socotim suprafaţa S suprafata baleată de paletele unuei turbine eoliene de rază r atunci puterea vântului este:

Pvântului[W] = 1,92*r[m]2*v[m/s]3

Această este puterea totală a vântului care străbate suprafaţa cercului descris de palete de

rază r ale unei turbine eoliene. Dar nu toată puterea aceasta este preluată de turbină, întrucât dacă ar fi aşa la ieşirea din suprafaţa turbinei vântul ar trebui să aibe viteza 0, că să cedeze intreaga energie turbinei. S-a determinat că maxim 59% din puterea totală a vântului poate fi preluată de o turbină eoliana (aşa numita lege a lui Betz), adică:

Pturbina eoliană[W] = 1,13*η*r[m]2*v[m/s]3

unde η este randamentul turbinei în cauză sau altfel zis

Pturbina eoliană[W] < 1,13*r[m]2*v[m/s]3

Şi de aici avem energia unei turbine eoliene:

Eturbina eoliană[Wh] < 1,13*r[m]2*v[m/s]3*t[h], fie

Eturbina eoliană[Wh] = 1,13*η*r[m]2*v[m/s]3*t[h], unde η


HIDROEOL

RST


Dacă într-o locaţie dată, cu distribuţia vitezei vântului ca în histograma de mai sus vrem să cunoaştem energia eoliană potenţială şi vom folosi ultima formulă dedusă obţinem o distribuţie a energiei ca în histograma de mai jos. Datorită faptului că puterea şi energia sunt proporţionale cu cubul vitezei vântului atunci energia maximă se obţine la viteze mai mari chiar dacă vânt la viteze tot mai mari avem tot mai puţin. Dacă suprapunem peste histograma distribuţiei vântului, histograma energiei rezultate obţinem, histogramele suprapuse de mai jos:

Aceste histograme descriu foarte bine, e drept sintetic, pentru cine se apleacă să le „citească”, în fapt energia eoliană.

Mai mult decât histograma distribuţiei vântului pe viteze este numai înregistrarea analitică a vitezei vântului pe minute, ore, zile, luni şi ani, date din care de fapt se deduce această distribuţie sintetică a vitezei vântului într-o locaţie dată. Alte observaţii 1) Nu tot spectrul de viteze al vântului e util, există o limită inferioară (cut in speed) sub

care o turbină nu produce energie, şi o limită superioară (cut out speed) peste care turbina se autofrânează, în ideea de a se autoproteja de distrugere. Fiecare producător de turbine eoliene are definite aceste limite tehnologice. În general limita inferioară este in jur de 3-4 m/s (10 -12km/h), iar limita superioară este în jur de 25m/s (90km/h)

2) În histogramele care arată distribuţia vitezei vântului nu figurează o parte esenţială a dinamicii curenţilor de aer, şi anume acele perioade când nu există mişcare

Prin urmare, dacă eliminăm din cele 8760h ale unui an perioadele când nu suflă vântul şi

perioadele când suflă prea slab, sub limita inferioară, şi când suflă prea tare, peste limita superioară obţinem perioada utilă care în nici o situaţie nu a fost luată în considerare peste 35%. În literatura de specialitate această perioadă de utilizare se cheamă şi factor de capacitate si este cuprins între 30% şi 35%. Nota bene: se discută despre factorul de capacitate a unei locaţii eoliene cu potenţial eolian. În locaţii cu factorul de capacitate eolian sub 20% nu se mai discută despre utilizarea energieie eoliene.


HIDROEOL

RST


De aici, vom deduce o altă regulă importantă pentru compunerea unui ansamblu hidro-eolian hibrid, şi anume din observaţia că pe durate scurte de timp din totalul duratei unui an obţinem aproape toată energia eoliană. Cea mai multă de energie o obţinem, pentru cazul din histogramă, la o vietză a vântului de 12m/s care într-un an (adică dintr-o perioadă de 8760 ore) care atinge această valoare în aproximativ 200h, adică în maximum 2% din timpul total al unui an. Deoarece energia e proportională cu cubul vitezei , partea cea mai mare a energiei eoliene este disponibilă în scurte perioade de timp.


HIDROEOL

RST


4.2. Solutii de disponibilizare a energiei eoliene Faptul că energia eoliană e intermitentă, variabilă şi inpredictibilă, că nu se poate conta pe ea pe scurt, constituie provocarea căreia trebuie să-i facem faţă pentru a aduce această energie în reţea în proporţii tot mai semnificative. În proporţii tot mai semnificative înseamnă dincolo de procentul de 20% - 25%, stabilit ca limită superioară pentru a menţine reteaua stabilă şi echilibrată. Lupta este:

1) să conservăm energia eoliană în momentele în care e în exces pentru momentele când avem vârfuri de sarcină, şi astfel

2) să ridicăm pragul de penetrare a energiei eoliene, curate şi suficiente, în ansamblu energetic naţional.

Dintre toate tehnologiile potenţiale de conservare a energiei electrice care includ: stocarea

energiei sub formă de aer comprimat, producerea de hidrogen prin electroliză, stocarea în cuent continuu în baterii de accumulatoare şi pomparea în bazinele superioare - această din urmă fiind singura care întruneşte condiţiile unei tehnologii mature şi e de proporţii acceptabile.

Un alt mijloc de ridicare a gradului de penetrare a energiei eroliene este folosirea unei resurse

logistice la consumatori. Este vorba de adaptarea anumitor consumatori la tariful variabil din cursul unei zile. De exemplu pomparea apei curente nu trebuie să funcţioneze continuu şi pomparea se poate face când energia există şi e ieftină. Consumatori pot alege, sau cumpăra în viitorul apropiat unităţi inteligente de gestiune a consumatorilor astfel încât maşinile de spălat automate, de încărcare a accumulatorilor maşinilor electrice etc se va desfăşura automat în intervalele de disponibilitate ale energiei electrice. Aceste unităţi inteligente de gestiune a consumatorilor sunt simple şi uşor de proiectat şi produs astăzi în societatea informatică, post industrială.

Există două costuri ale conservării şi anume costul de randament al pompării şi costul de management al integrării energiei eoliene în sistemul energetic. Orice resursă suplimentară se adaugă unui sistem energetic, oricum costă, dar aceste costuri sunt, aşa cum am citat din studiile anterioare la nivel de 0,0045 dolari pe kwh [8], adică la un nivel sustenabil şi acceptabil economic. În lucrarea , „HYDRO-EOLIAN ENERGETICAL ENSAMBLE”, IFAC iul 2007, Cluj-Napoca tocmai acest lucru se demonstrează că un ansamblu hidro-eolian cuplat prin staţii de pompare este superior ca randament total sumei capacitîţiilor hidro şi eoliene luate separate.

4.3. LOCALIZAREA DOMENIULUI DE CERCETARE. CERINŢE GENERALE ŞI SPECIFICE

Din toate structurile de ansambluri hibride cu conservare prin pompare trecute în revistă în

capitolul III, ne vom mărgini în cadrul temei doar la două: ansambluri hibride hidro-eoliene din locaţii izolate (figura nr 3.4.1. ) respectiv ansambluri hibride hidro-eoliene mari interconectate prin sistemul energetic naţional (figura nr 3.4.2. ).

Microansamblurile hidride hidro, eoliene, solare etc pentru servirea unei locaţii cu conservare pe baterii nu privesc studiul nostru care urmăreşte conservării de amploare a vitezei


HIDROEOL

RST


vântului. Ele sunt de mult cercetate şi dezvoltate şi aplicaţiile sunt cu miile; îmbunătăţirile care apar, cu care avem intersecţii, sunt legate de noi turbine, de noi baterii, de noi invertoare mai eficiente, cu randamente mai bune, cu viaţă şi siguranţă în funcţionare mai mari.

Cercetarea care o facem direct, la scară redusă prin intermediul staţiei pilot presupune efortul de a construi şi pune în funcţiune staţia meteo, staţia pilot ( turbine şi generatorul hidro, turbina şi generatorul eolian, încărcătorul, bateriile şi invertorul, pompa si dulapul de acţionare), sistemul SCADA plus uneltele informatice de interpretare a datelor experimentale.

Cercetarea indirectă, prin model matematic se referă la ansambluri hibride hidro-eoliene mari interconectate prin sistemul energetic naţional; cercetări directe la acest palier nu se pot face în cadrul temei de cercetare (fiind vorba de sute de milioane de euro investiţie în lucrări de construcţii montaj hidrotehnice). Doar că prin datele experimentale din primul caz vrem să obţinem posibilitatea de ajustare a modelului la scară mică şi credibilitate utilizarea lui la scară mare.

Este uşor de observat că avem nişte cerinţe comune pentru cele două cazuri şi avem cerinţe particulare care sunt diferite.

Între cerinţele comune sunt controlabilitatea de la distanţă, funcţionarea non stop în sensul dea fi gata de funcţiona si a funcţiona oricând sut condiţii, şi funcţionarea în regimuri climatice grele (în cazul nostru, cu climă continentală, cerinţa de funcţionare până la -30˚C este o condiţie de bun simţ, obligatorie. Condiţionarea climatică

Turbinele eoliene au o temperatura minimă de funcţionare, specificată de furnizor, care restricţionează utilizarea lor la temperaturi foarte joase şi la fenomene de chiciură şi gheaţă. Turbinele eoliene trebuie protejate de accumulările de gheaţă care pot încărca structura în mod nepermis şi pot conduce chiar la deteriorarea acesteia. Unii producători de turbine au prevăzută încălzirea internă pentru astfel de situaţii

Intre cerinţele specifice este şi aceea de autonomie energetică în cazul ansamblurilor

hibride hidro-eoliene cu accumulare prin pompare, din locaţii izolate. În cazul acesta neexistând conexiunea la sistemul energetic, nevoia proprie de energie pentru comunicaţii, pentru staţia meteo, pentru sistemul SCADA, pentru electronica proprie şi pentru motorul de orientare ce aparţin turbinei eoliene trebuie avut în vedere un sistem autonom de energie. Acest sistem trebuie să ţină în funcţiune sistemele enumerate poate şi 60 de zile. Prin urmare apar probleme de consumuri, de dimensionare corectă, de corectarea bilanţurilor energetice globale.

4.4. SISTEMUL DE SUPRAVEGHERE ŞI CONTROL – SCADA

Sistemul SCADA a staţiei pilot e conceput să lucreze non stop şi fără operator. Operatorul

va putea controla şi citi stările staţiei când doreşte. Explotarea datelor arhivate de către SCADa se va face cu intervenţia operatorului şi cu programe applicative care nu fac parte din SCADA.

Rezerva de capacitate. Toate echipamentele SCADA ce vor fi prevăzute în proiect vor avea o rezervă de capacitate de aproximativ 20%. Rezerva de capacitate se referă, după caz, la posibilitatea de a adăuga funcţii noi, de a adăuga canale pentru senzori sau conduce noi actuatori..

Circuitele de pământare şi paratrăznet. Alimentarea cu energie electrică a staţiei meteo (anemometru, termometru etc), a staţiei de pompare se va realiza în sistem electric de cinci fire, tip TN-S conform cu IEC 60364, cu conductor neutru şi conductor de împământare (protecţie).


HIDROEOL

RST


Cablurile de împământare ale echipamentelor SCADA trebuie să fie din Cu multifilar izolat în plastic galben-verde. 4.4.1. Structura sistemului SCADA

Sistemul de supraveghere şi control a staţiei pilot - se compune din: 1. sistem de calcul SCADA (PC, laptop), conectat pe de o parte la automatizarea propriu –

zisă (PLC cu traductori, actuatori şi controalere independente) şi pe de altă parte acesta poate fi accesat de la distanţă printr-o conexiune VPN. Acest sistem include şi o imprimantă grafică, un modem radio GPRS(3G) si un UPS de 600W.

2. Programele de aplicaţii care fac achiziţia, arhivarea, procesarea datelor achiziţionate 3. automatizarea propriu-zisă formată dintr-un PLC Siemens cu sezorii şi elementele de

execuţie proprii procesului cu programele intrinseci PLC-ului de măsurători şi comunicaţii

4. dulapul de alimentare şi releistică pentru PLC, circuite senzori şi interconectarea actuatorilor; Tot aici sunt incluse tranformatorul de separare galvanica. După cum se vede este o structură ierarhizată pe două nivele.

In figura 4.5.1. este schiţată structura de ansamblu a sistemului SCADA.


HIDROEOL

RST


Fig structura sistemului SCADA – Hidroeol


HIDROEOL

RST


Calculatorul principal SCADA Acest calculator, numit şi calculatorul principal, are următoarea componenţă: PC propriu-zis

sau un laptop echivalent - cu CD/writer, o memorie de 2Gocteţi, monitor LCD TFT 19”(1280x1024), imprimantă grafică, modem GPRS(3G), şi sursa neintreruptibilă care să asigure functionarea calculatorului şi a echipamentului de comunicatii cel puţin 30 minute la înteruperea alimentării cu energie electrică din reţeaua publică. Sistemul de operare va fi unul stabil precum Windows XP Professional.

Pentru o operare prietenoasă în cadrul aplicaţiei telematice ce se va dezvolta ulterior, se va opta pentru o aplicaţie software bazată pe ecrane (interfaţe) dintre sistem (proces, subsistem PLC) şi operator sub forma grafică, cât mai intuitivă. În fond va fi vorba de multe de astfel de ecrane, specifice atât procesului măsurat, condus, urmărit, arhivat, ce se pot dezvolta în LabView sau CVI. Prin intermediul acestor ecrane, care conţin bare de selecţii, „butoane”, „leduri” şi „selectoare” se pot atinge toate funcţiile implementate. Este o analogie perfectă dintre noţiunea noastră de „ecran” (interfaţă) şi noţiunea de fereastră din sistemul de operare Windows – cu singura specificitate a „ecranului”, care ocupându-se de un proces real este mult mai intuitiv mai direct, astfel că un operator cu cunoştinţe minime să poată opera la un nivel de pretenţii acceptabil.

PLC - automatul programabil Acesta conduce direct procesul odată administrând direct staţia pilot şi staţia de pompare.

Toate componentele PLC sunt produse de o firmă consacrată în domeniul echipamentelor şi aparturii de comandă şi reglare, în principal de la acelaşi producător, Siemens, şi din aceiaşi familie SIMATIC S7-200. Capacitatea PLC instalată asigură o creştere de cel puţin 20% a funcţionalităţii fără nici o dezvoltare (upgrade) hardware. PLC S7-200 are urmatoarele module în afara unităţii centrale CPU 224XM:

EM231 RTD - modul de intrări analogice pentru termoresistenţe RTD – 2buc,

EM232 – modul de 2 esiri analogice – 2buc,

CP243-1 - modul Ethernet,

TD200C – consola operator – interfaţa locală cu PLC-ul,

SITOP – modul de alimentare PLC, în 24Vdc (ÊPI 332)

Intrările discrete sunt izolate galvanic de proces prin contactele care nu sunt purtătoare de tensiuni. Intrările analogice în semnal unificat (4-20mA, 0-10V) sunt separate galvanic prin module de separare speciale. Convertorul A/N este realizat pe 12biţi ( 11 biţi de date şi 1 bit de semn).

Alimentarea sistemului

In figura 25 este prezentată schema de alimentare a părţii din sistemul SCADA care conduce direct staţia de pompare şi staţia meteo - prin separare galvanica, sursa neintreruptibilă şi stabilizatorul de 24Vdc.

Alimentarea calculatorului SCADA şi a modemului se face la rândul ei prin alt UPS, astfel încât anumite alarme şi avarii să poată fi comunicate la distanţă imediat după căderea reţelei electrice


HIDROEOL

RST


Figura 4.5.2. Schema de alim_PLC

Consola locala – interfaţa cu automatul programabil – TD200C

Interfaţa locală om maşină este elementul prin care un operatorul comunică local cu PLC-ul

care conduce automatizarea. Consola operator, marca Siemens tipul TD200 C este un ecran LCD cu 2x20 caractere alfanumerice şi 9 taste cu diferite funcţii fixe şi programabile .Conexiunea între PLC şi consola TD200C se face pe interfaţa serială RS485. Alimentarea ei se face pe acelaşi cablu din PLC.

Traductoare şi senzorii

Senzorii de temperatură , viteza şi direcţia vântului sunt intrinseci staţiei meteo WS235 la Crosse. Senzorii de nivel Sunt senzorii cu afişare locală şi ieşire în 4-20mA de la firma TURCK Gmbh tip QT50ULBQ6. Gradul de protecţie: IP67; domeniul de temperatură de operare este -20C - +70 grd. C; domeniul de măsură 20-800 cm; precizia +- 1 mm.

Traductoare de debit Pt măsurarea volumului de apă pompată va fi un debitmetru, cu alimentare în 24 V, şi grad de protecţie IP67 şi care dau la ieşire un semnal (0-10V sau 4-20mA) proporţional cu debitul ce trece prin ei.


HIDROEOL

RST


Actuatori Se va folosi un Soft Starter Siemens pentru pornirea motorului pompei, care conţine o serie de protecţii termice, de dezechilibrare (lipsa unei faze) care vor permite PLC şi aplicaţiei SCADA să cunoască exact ce se întâmplă în staţia de pompare.

Interfeţele (ecranele) utilizator

Aplicaţia soft SCADA se prezintă ca o succesiune de ecrane interactive atât în spre operator cât şi în spre procesul propriu-zis (prin intermediul automatului programabil). Suma acestor ecrane o mai numim şi “intefaţa operator”. Interfeţele operatorului cu procesul sunt ecrane care se pot dezvolta în CVI sau LabViews care sunt medii de dezvoltare specializate pe dezvoltarea de aplicatii SCADA. Ele sunt implementate pe calculatorul SCADA, care intruneşte toate cerinţele hard pentru implementarea unui astfel de program aplicativ.

Navigarea de la un ecran tehnologic la altul se va face prin bare de meniu-uri organizate

ierarhic. Avem interfeţe sunt ecrane tehnologice, de configurare şi de raportare. Interfeţele tehnologice sunt, funcţie de conţinut, interfeţe de comandă, de masură, de

comandă şi masură. Prin conţinut aici inţelegem puncte de măsură, bucle de reglaj, stabilire de referinţă fără reglajul propriu zis, comenzi directe de elemente de execuţie

Interfeţele tehnologice de măsura şi Interfeţele tehnologice de comandă specifice unei bucle au pe lângă „led”-ul de Alarmă, şi o fereastră de informare cu privire la ce se întâmplă în ansamblu. Altfel zis dacă te afli într-un ecran de detaliu eşti informat de evenimentele esenţiale din ansamblu instalaţiei printr-o fereasta de informare.

Fereatra de informare apare de obicei în partea inferioară a ecranului monitorului şi are anumite reguli deatenţionare.

Accesul la aceste ecrane se va putea face în mod „remote” printr-o conexiune restrictionata tip VPN.

4.4.2. Funcţiile sistemului SCADA ierarhizat

Calculatorul Scada Supraveghează prin PLC staţia de pompare şi staţia meteo, permite accesul de la distanţă, oferă

date de sinteză despre parcurul tehnologic al instalaţiei în sesiunea curentă sau despre sesiunile precedente:

• înregistrează datele procesului, măsurate şi transmise de automatul programabil pe tot parcursul desfăşurării lui

• arhivează aceste date • oferă, la cerere, raporte bazate pe aceste date • permite prelucrări cu scop ştiinţific şi statistic • permite acces restricţionat, pe nivele de competenţă, până la nivelul modificării unor

referinţe din proces sau până la nivelul comenzilor anumitor elemente de execuţie • atenţionează şi, după caz, alarmează local sonor si prin ecrane speciale şi la distanţă prin

SMS


HIDROEOL

RST


Automatul programabil - PLC

Supraveghează direct staţia de pompare prin intermediul senzorilor şi traductorilor şi a elementelor de execuţie:

• citeşte valorile senzorilor şi comandă actuatorii corespunzători • citeşte datele de la senzorii indepedenţi şi le transmite la calculatorul SCADA pentru

înregistrare şi arhivare • în cazul când anumiţi parametri se aproprie de limitele admise de funcţionare

o trimite comenzi de atenţionare spre calculatorul SCADA o aprinde o lampă locală de atenţionare,

• în cazul când anumiţi parametri depăşesc limitele de funcţionare admise o trimite comenzi de alarmă spre calculatorul SCADA o aprinde o lampă locală de alarmă, porneşte o hupă

• îndeplineşte alte sarcini programate 4.5. Experimente şi analiza rezultatelor

Se vor realiza si experimenta:

O staţie pilot independenta energetic, experimentările se vor face la Mărişel colonie în incinta UTCN (P1) cuprinzând turbina – generator eolian - staţia de pompare şi hidroagregatul cu puteri centrate pe 1Kw turbina hidro. De partea hidro, inclusiv de pompare se va ocupa partenerul P1. De sistemul de achiziţie a datelor despre potenţialul eolian se va ocupa coordonatorul. Deasemenea Co va propiecta şi realiza sistemul SCADA a ansamblului staţiei pilot. Partenerul P2 se va ocupa de turbina eoliană a staţiei pilot şi din punct de vedere soft de bazele de date ale sistemului SCADA. Prin verbul generic „se ocupă” se înţelege:

• răspunderea pentru tot ce ţine aprovizionare, proiectare, asamblare şi punere în funcţiune a părţii de agregate şi echipamente

• realizarea de modele matematice analitice, identificarea (deducerea funcţiilor de transfer) din datele achiziţionate de SCADA pe staţia pilot, ajustarea (tuning-ul) modelelor analitice pe baza datelor experimentale

Experimentările vor dura 2 ani (2008 si 2009) si vor cuprinde:

o bilanţuri si randamente energetice pe ansamblu o randamente pe fiecare componenta în parte (generator eolian, pompa, invertor) -

consumurile vor fi evidentiate si separat, o înregistrarea si analiza regimurilor tranzitorii pentru fiecare componenta a

ansamblului, o debite şi volume de apa pompate, nivele, temperaturi, viteza vântului, şi în

general tot ce este relevant pentru aprecierea experimentului, etc. o consumul propriu de energie, durata acestei autonomi energetice propri şi

costurile investiţionale a acestei autonomii; se vor avea în vedere inclusiv propuneri de structuri care să asigure o autonomie energetică eficientă şi de durată.


HIDROEOL

RST


Fig. 4.5 Structura staţiei pilot

Se va construi un site public în care datele meteo curente (viteza şi direcţia vântului, temperatura) vor putea fi accesate liber de oricine e interesat. Se vor organiza ateliere de difuzare a rezultatelor la zi atât în medii universitare cât şi industriale (Hidroelectrica şi Hidroservice).

Rezultatele şi prelucrările ulterioare ale datelor achiziţionate se vor putea face individual de fiecare partener, cu obligaţia morală şi intelectuală, de a specifica originea datelor şi contribuţia celorlalte părţi. 4.6. Bibliografie [1] Octavian Căpăţînă, sa, „HYDRO-EOLIAN ENERGETICAL ENSAMBLE”, IFAC iul 2007, Cluj-Napoca [2] Silviu Darie, Ioan Vădan, “PRODUCEREA, TRANSPORTUL, şi DISTRIBUŢIA ENERGIEI ELECTRICE”, Editura UT PRES, Cluj+Napoca 2000. [3]. K. Protopapas sa, “Operation of hybrid wind-pumped storage systems in isolated island grids!”, de la National Technical University of Athens [4]. S.A. Papathanassiou sa “Possible benefits from the combined operation of wind parks and pumped storage stations”, de la National Technical University of Athens, School of Electrical and Computer Enginneering – Electric Power Division [5]. Octavian Căpăţînă, sa , „ASPECTS OF AN EXPERT SYSTEM FOR ON-LINE EOLIAN SITES DESIGN”, , IFAC iul 2007, Cluj-Napoca [6]. Cristina Archer sa, Evaluation of global wind power, Stanford University, 2006 [7]. C. Diaconu, S. V. Oprea, Strategy for renewable sources integration into the romanian power systems, The 7-th International Power Systems Conference PSC 2007, November 22-23, 2007, Timişoara, Romania, pp. 217-220. [8].Minesotta Report, (http://www.puc.state.mn.us/docs/windrpt_vol%201.pdf) [9] Octavian Capatina, “Consideratii despre modele şi modelare”, raport de cercetare -

CONMEC, ANCST, 2007

Sistem de supraveghere şi

înregistrare

Centrala eoliana

Redr-Acc Invertor Staţie de pompare cu turaţie variabilă

Consumator Baterie de acumulatori


HIDROEOL

RST


V. STUDIU PRIVIND SISTEMELE ENERGETICE HIBRIDE SI A CRITERIILOR

CARE POT FI OPTIMIZATE, IN CONDITII DE SECURITATE IN FUNCTIONARE. 5.1. Obiective generale Studiu privind sistemele energetice hibride si a criteriilor care pot fi optimizate în condiţii de

securitate în exploatare. 5.2. Centrale electrice eoliene 5.2.1. Potenţialul energetic eolian [7] Ideea folosirii potenţialului energetic al vântului se pierde în negura preistoriei, când au fost

construite navele cu vele. Egiptenii, chinezii şi grecii foloseau astfel de ambarcaţiuni încă înainte de era noastră. Ulterior, vikingii şi spaniolii dezvoltă această tehnică.

În evul mediu începe să fie utilizat vântul şi pe uscat: sunt cunoscute morile de vânt olandeze care se utilizează şi în prezent. Şi la noi în ţară se utilizau mori de vânt, mai ales în zona Moldovei şi a Dobrogei.

Utilizarea energiei eoliene pentru producerea energiei electrice apare ca o soluţie, demnă de luat în seamă, la criza energetică declanşată în anii ’70. Se demarează programe pentru cercetarea acestui potenţial energetic în multe ţări ale globului. Astfel, Danemarca, puternic lovită de criza petrolului, trece laboratorul guvernamental de cercetare energetică de la Riso, de la cercetări nucleare la cercetări eoliene. Pornind de la o experienţă anterioară (în 1891 inginerul danez Paul La Cour realiza prima turbină generatoare de electricitate din lume, cu o putere de 8 kW), în câţiva ani au dezvoltat o tehnologie cu care azi domină industria generatoarelor eoliene din întreaga lume. Guvernul danez a subvenţionat realizarea de centrale eoliene cu 30% din costurile de investiţii şi impunând societăţilor de distribuţie să cumpere electricitatea generată la un preţ convenabil. Rezultatele sunt vizibile pe tot teritoriul Danemarcei. Izolate sau în grupuri mici, mii de turbine suple şi albe, orizontale cu trei pale, de 20-30 m diametru, se înalţă pe fondul verde ondulat al peisajului. În total, Danemarca avea aproximativ 3600 de turbine eoliene în 1994, cu o capacitate de 500 MW. Aceasta face ca Danemarca să fie a doua mare utilizatoare de energie eoliană din lume, producând 3% din energia electrică a ţării şi prima exportatoare de echipament eolian.

La începutul anilor ’80 această sursă de energie primeşte un nou avânt în California (SUA). Şi aici a intervenit statul cu facilităţi de creditare şi prin impunerea uzinelor electrice să cumpere energia electrică produsă din surse refolosibile la preţuri preferenţiale faţă de cea generată convenţional. Între 1982 şi 1992 s-au instalat în California aproape 15000 de turbine eoliene, cu o putere instalată de 1600 MW. Multe nu au rezistat şi s-au mai importat 7500 din Danemarca. S-au încercat, cu ajutorul companiilor Westinghouse şi Boeing, realizarea unor turbine gigant , dar fără rezultate.

În general costul unui kWh produs pe cale eoliană este în prezent de 7 cenţi, aproape dublu faţă de 4 cenţi la centralele electrice noi pe cărbune sau gaz natural, dar nu mai este mult până va deveni competitiv.

Un al treilea val al energiei eoliene afectează din anii ’90 şi Europa. Danemarca va fi depăşită în curând de Germania, Olanda şi Marea Britanie în utilizarea energiei eoliene. Astfel la nivelul anului 1995 puterea instalată în centralele eoliene din Europa era de 2170 MW, din care: 900 MW în Germania, 592 MW în Danemarca, 200 MW în Olanda, 190 MW în Anglia şi 123 MW în Spania.

Goana după vânt s-a extins şi în alte părţi ale globului: Mexic, Argentina, China şi Noua Zeelandă.


HIDROEOL

RST


La nivelul anului 1996 erau instalaţi în lume 5000 MW eolieni, din care 2500 MW în Europa şi de atunci puterea eoliană instalată a tot crescut cu aproximativ 1000 MW anual .

Energia vânturilor îşi are originea tot în energia solară, datorită diferenţelor de presiune şi temperatură din atmosferă, diferenţe create prin încălzirea neuniformă a aerului.

Sunt cunoscute alizeele care bat înspre ecuator (şi dinspre nord şi dinspre sud) deoarece aerul de aici , fiind mai cald se ridică şi locul lui este luat de aerul de la tropice. Dar datorită inerţiei mecanice a aerului la rotaţia globului în jurul axei sale, aceste alizee vor avea o direcţie înclinată faţă de meridian. Această înclinaţie diferită deasupra şi sub ecuator i-au permis lui Columb să ajungă cu vase cu vele de pe coastele Europei şi Africii pe coastele Americii şi să găsească şi vânturi de întors.

De asemenea la graniţa dintre apa mărilor şi uscat apar brizele marine, care noaptea bat dinspre uscat spre mare şi ziua dinspre mare spre uscat, datorită variaţiei temperaturii solului dintre zi şi noapte, tot din cauza radiaţiei solare.

Se apreciază că ţărmurile mărilor şi oceanelor posedă cele mai mari rezerve de energie eoliană. O altă zonă cu potenţial eolian ridicat este zona defileurilor şi trecătorilor din munţi. Rezervele anuale potenţiale ale energiei eoliene la nivelul globului, sunt estimate de către

specialişti la 2.6x1014 kWh. Aceste rezerve depăşesc de multe ori consumul mondial anual de energie electrică, dar ele nu pot fi exploatate decât în proporţie redusă din cauza a numeroase constrângeri, determinate de caracteristicile vântului: concentrarea relativ mică a energiei şi inconstanţa vitezei vântului (puterea dezvoltată variază proporţional cu cubul vitezei).

Comparativ cu potenţialul energetic solar, cel eolian este mai favorabil, deoarece vânturile bat şi noaptea, deşi el reprezintă numai circa 2% din cel care ne vine de la soare pe pământ.

5.2.2 Tipuri constructive de captatoare eoliene

Captatoare cu ax orizontal Această categorie cuprinde captatoarele cele mai performante din punct de vedere al

coeficientului de putere şi a posibilităţilor de reglare a puterii. În figura 4.1 se prezintă cea mai cunoscută variantă constructivă.

Fig. 5.2.2 Turbină eoliană cu ax orizontal.

Rotorul acestei turbine este echipat cu două, trei sau mai multe pale, asemănătoare cu cele ale unei elice de avion atât în privinţa profilului cât şi a posibilităţilor de rotire în jurul axului propriu (de modificare a unghiului de atac).

Cele cu două sau trei pale mai poartă denumirea de moară olandeză, iar cele cu un număr foarte mare de pale poartă denumirea de moară americană.

De asemenea, se poate observa sistemul de orientare după direcţia vântului sub forma unei aripi sau coadă de orientare.

Această soluţie constructivă se adoptă şi la puteri mici, dar şi la cele mai mari puteri (diametre peste 100 m).


HIDROEOL

RST


Există şi construcţii cu ax orizontal, perpendicular pe direcţia vântului (de tip baraj eolian sau cu mişcare oscilantă), dar mai puţin folosite.

Captatoare eoliene cu ax vertical Acestea au cele mai multe variante constructive. Ele, de regulă, nu au nevoie de sistem de

orientare după direcţia vântului. Captatoarele eoliene cu rezistenţă simplă La aceste turbine eoliene, forţa motoare se obţine ca efect al acţiunii vântului pe palele

(verticale) care se deplasează în direcţia acestuia. Mişcarea rotorului este posibilă numai dacă o jumătate de circumferinţă este ecranată (varianta a) sau dacă palele sunt articulate în aşa fel încât preiau impuls mecanic numai acelea care se deplasează în direcţia vântului (varianta b).

a) b)

Fig. 5.2.2. Turbine eoliene cu ax vertical şi rezistenţă simplă: a) cu rotor ecranat; b) cu pale batante.

Aceste variante s-au realizat practic numai pentru puteri mici. Există un mare număr de brevete

cu cele mai diverse şi originale sisteme de anulare a forţei pe o jumătate din rotor. Captatoare eoliene cu diferenţă de rezistenţă La aceste captatoare forţa motoare se obţine ca diferenţa dintre forţele de rezistenţă exercitate pe

palele care se deplasează în sensul vântului (concave) şi palele care se deplasează în sens contrar (convexe), soluţia constructivă fiind prezentată în figura 7.7 a.

O variantă interesantă este rotorul Savonius (fig.7.7 b si c), formată din doi semicilindrii cu

axele paralele şi decalate astfel încât să permită intrarea curentului de aer între aceştia. În acest caz, forţa motoare apare atât datorită diferenţei de rezistenţă cât şi datorită impulsului creat prin schimbarea direcţiei curentului de aer în interiorul rotorului. Prin urmare acest tip de turbină necesită pentru demaraj cele mai scăzute viteze ale vântului (3…5 m/s).

Această soluţie prezintă şi o posibilitate simplă de reglare a puterii preluate de la curentul de aer

prin modificarea distanţei dintre cei doi semicilindrii şi deci a deschiderii rotorului. La depăşirea vitezei admisibile a vântului prin apropierea până la suprapunere a axelor semicilindrilor puterea preluată devine nulă şi turbina nu se mai roteşte.


HIDROEOL

RST


a) b) c)

Fig. Turbine eoliene cu ax vertical şi diferenţă de rezistenţă. a) tip morişcă; b) cu rotor Savonius; c) cu rotor Savonius – vedere de sus.

Dezavantajul principal al turbinei Savonius este legat de greutatea ei mare, dată de suprafeţele

mari din tablă necesare. Pentru puteri mari se utilizează şi aici pale cu forma aripii de avion la care forţa motoare este de

tip forţă portantă sau rotoare sub formă de turbină. O variantă interesantă este turbina eoliană Darrieus (fig.4.4), inventată în 1925 şi restudiată

după 1970. Aceasta are palele flexibile şi de tip panglică. Acestea în zona activă au un profil asemănător aripii de avion. Fiecare pală (2-3 pale) este îndoită, având forma simetrică pe care o ia o funie atunci când se roteşte în jurul unei axe verticale.

Fig. Turbina eoliană Darrieus.

Palele sunt supuse la întindere în timpul funcţionării. De asemenea această turbină nu necesită un

mecanism special de protecţie împotriva vânturilor prea tari, deoarece datorită proprietăţilor sale aerodinamice rotorul Darrieus îşi micşorează viteza la vânturi tari.

Un dezavantaj al acestei turbine este că nu porneşte singură. Fie se utilizează, pentru pornire,

generatorul electric în regim de motor, fie se montează cu un mic rotor Savonius pe acelaşi ax. Şi turbinele Darrieus s-au realizat pentru puteri de ordinul MW-lor şi înălţimi până la 200 m.


HIDROEOL

RST


Captatoarele eoliene cu ax vertical sunt mai avantajoase decât cele cu ax orizontal, atât prin

faptul că sunt omnidirecţionale, nu au nevoie de dispozitive de orientare după direcţia vântului, cât şi datorită faptului că energia mecanică este accesibilă la sol, nu e nevoie de nacelă pentru montarea generatorului.

Există încă foarte multe alte tipuri de captatoare eoliene: motoare eoliene oscilante, captatoare solaro-eoliene de tip turn termic, turbina Tornado etc.

5.3. Instalaţia electrică a centralelor electrice eoliene Principalele domenii de utilizare a energiei mecanice obţinute la axul turbinei eoliene sunt: pomparea apei, comprimarea aerului, producerea de căldură dar cel mai important domeniu este producerea de energie electrică. Energia electrică produsă pe cale eoliană are câteva caracteristici specifice care afectează

utilizarea ei şi integrarea generatoarelor electrice eoliene în sistemele electroenergetice. Energia eoliană este: • accesibilă în multe ţări dar concentrată în arii specifice; • intermitentă, adică are caracter aleatoriu; • fluctuantă, adică chiar când avem vânt producerea de energie electrică se poate schimba în

câteva secunde; • difuză, adică în zonele favorabile, turbinele se amplasează pe suprafeţe întinse (km2); • imprevizibilă, nu se poate prevedea decât pe termene foarte scurte. 5.3.1 Producerea de energie electrică de curent continuu Se utilizează îndeosebi în instalaţiile de putere mică şi utilizează fie generatoare de c.c. sau

alternatoare asociate cu un redresor. Ultima soluţie este mai avantajoasă, alternatorul având un gabarit mult mai mic (greutate de două ori mai mică decât un dinam la aceeaşi putere).

Fig. 5.3.1. Schema bloc a unei instalaţii eoliene de putere mică.

AcumulatAlternat Redreso

Invertor Sarcina de c.a.

Regulator de


HIDROEOL

RST


Energia obţinută poate fi stocată în acumulatoare şi apoi distribuită la tensiune constantă. În figura 4.5 se prezintă schema bloc a unei astfel de instalaţii eoliene (la puterea ei mică este impropriu să-i spunem centrală).

Turbinele eoliene folosite sunt de regulă cu ax vertical 5.3.2 Producerea de curent alternativ cu generatoare sincrone În acest caz, generatorul sincron poate funcţiona fie la turaţie variabilă, fie la turaţie constantă. Varianta cu turaţie variabilă, se utilizează în reţele izolate faţă de sistemul energetic. Această

energie nu îndeplineşte indicatorii esenţiali de calitate şi nu poate fi utilizată decât la anumite aplicaţii: încălzire electrică şi iluminat.

Varianta cu turaţie constantă, implică existenţa unor mijloace de reglare foarte sofisticate a turaţiei prin reglarea înclinării palelor turbinei şi nu se justifică decât la puteri mari. Aceste generatoare eoliene pot fi legate la sistemul electroenergetic.

Un sistem foarte des utilizat este prezentat în Fig. 4.6. Fig. 5.3.2. Posibilitatea de funcţionare a unui generator eolian cu turaţie variabilă şi conectat

la sistemul electroenergetic.

Acesta permite utilizarea generatorului sincron la turaţie variabilă (la diferite viteze ale vântului), sau chiar utilizarea unui generator sincron inelar cu un foarte mare număr de perechi de poli, frecvenţă mărită, deoarece tensiunea generată este oricum redresată. Acest sistem se poate racorda la sistemul electroenergetic, după cum se vede din figură.

Folosirea de invertoare introduce armonici în sistemul electroenergetic. Din acest motiv se utilizează, de regulă, invertoare echipate cu GTO şi comandate în sistem PWM. De asemenea se prevăd filtre de absorbţie a armonicilor la racordul cu reţeaua electrică.

Există şi generatoare sincrone funcţionând la turaţie variabilă şi racordate la reţeaua de frecvenţă industrială fără convertizor de frecvenţă, dar prevăzute cu un sistem complex de reglare cu orientare după câmp.

5.3.3 Producerea de curent alternativ cu generatoare asincrone sau de inducţie Motoarele asincrone antrenate, cu o turaţie superioară celei de sincronism devin generatoare de

energie electrică. Frecvenţa este impusă de reţeaua la care se racordează, de la care se absoarbe şi energia reactivă necesară creării câmpului magnetic învârtitor. Puterea dezvoltată de generator depinde de turaţie.

În centralele electrice eoliene, generatorul asincron sau de inducţie este cel mai utilizat datorită următoarelor avantaje:

• sunt mai ieftine şi necesită întreţinere mult mai puţină în raport cu celelalte tipuri de generatoare;

• pornirea şi punerea în paralel cu sistemul electroenergetic nu necesită dispozitive speciale;

~

=

Contr

Acumulat

Contactor

Sistemul electroenergeti

Sarcini (C i)


HIDROEOL

RST


• funcţionare mai sigură la defecte în reţea (dispariţia tensiunii), repornirea este însoţită doar de un curent mai mare de câteva ori decât cel nominal.

Dezavantajele lui ar fi curentul mai mare la pornire şi consumul de energie reactivă din reţea. Ele se prevăd cu baterii de condensatoare pentru producerea energiei reactive, pentru a putea fi

folosite şi izolat, nelegate la sistemul electroenergetic. 5.3.4 Racordarea la sistemul energetic a generatoarelor eoliene

Racordarea la sistemul energetic a generatoarelor eoliene are următoarele avantaje: • nu se pune problema distanţei dintre locul de producere a energiei eoliene (loc cu potenţial

eolian ridicat) şi locul de consum al acestei energii; • sistemul electroenergetic preia fluctuaţiile de energie produsă şi caracterul intermitent al

acestei producţii, cu condiţia ca ponderea energiei eoliene să nu fie prea mare într-o anumită zonă;

• permit funcţionarea generatoarelor asincrone, furnizându-le energia reactivă necesară. Având în vedere puterile curente ale generatoarelor eoliene, integrarea lor în sistemul energetic

are loc astfel: • la puteri de 1 – 10 MW, racordarea se face în reţelele de înaltă tensiune; • la puteri de 100 kW – 1 MW, racordarea se face la reţelele de medie tensiune ale sistemului

electroenergetic; • la puteri de 1 – 100 kW, racordarea se face la reţeaua de joasă tensiune a SEE; • generatoarele eoliene cu puterea sub 1 kW se utilizează de regulă pentru alimentări de

consumatori izolaţi, deci nu se racordează la SEE. În practică se utilizează şi soluţii hibride de producere a energiei electrice. Astfel o combinaţie

între o instalaţie fotovoltaică şi una eoliană asigură o producţie de energie electrică mai puţin intermitentă, deoarece vântul şi soarele de regulă nu se suprapun (vântul suflă şi noaptea când nu e soare). Mai se utilizează şi grupuri Diesel de rezervă, la reţelele izolate pentru a face faţă situaţiei când nu avem nici vânt, nici soare şi puterile instalate sunt aşa de mari că depăşesc posibilităţile de acumulare eficientă a energiei.

Distribuţia pe arii largi a generatoarelor eoliene facilitează preluarea de către SEE a fluctuaţiilor

de putere produsă pe cale eoliană şi permite alimentarea locală a unor consumatori, reducând costul transportului energiei electrice.

De asemenea producerea de energie eoliană are ca efect principal reducerea consumului de

combustibili fosili pentru producţia de energie electrică şi deci a emisiilor lor poluante.

5.4. Amenajările centralelor hidroelectrice cu acumulare prin pompare (CHEAP) [4] Centralele hidroelectrice cu acumulări artificiale realizate prin pompare (CHEAP) sunt rezultatul

preocupării de acoperire a vârfurilor de sarcină în sistemele energetice. Ele, spre deosebire de centralele termoelectrice si nuclearoelectrice pot prelua variaţii mari de sarcină într-un timp scurt, de ordinul secundelor.

O altă aplicaţie a acestor centrale este integrarea surselor de energie electrică cu caracter


HIDROEOL

RST


intermitent, cum e energia solară si cea eoliana. Se ştie că perioadele de calm, fără vânt, pot dura de la câteva zile la câteva săptămâni, şi în acest caz, alte metode de stocare a energiei de capacitate redusă, nu mai pot fi luate în considerare.

CHEAP utilizează energia electrică disponibilă în anumite perioade ale zilei sau anului, pentru a pompa apa dintr-un rezervor inferior intr-unul superior, între care există o diferenţă de nivel, care reprezintă căderea statică a CHEAP. De aici apa este turbinată şi se produce din nou energie electrică în perioadele de sarcină maximă a consumului.

În acest fel se realizează o stocare a energiei electrice, din perioada când aceasta este disponibilă, sub forma de energie potenţială a apei, pentru ca să o producă din nou în perioadele când aceasta este deficitară în sistemul energetic.

În figura 5.4 se prezintă cazul tipic al unei centrale hidroelectrice cu pompare în circuit deschis.

Fig. 5.4.1 Schema de amenajare cu pompare în circuit deschis: 1 – staţia de pompare; 2 – centrala hidroelectrică; 3 – bazinul superior; HP – înălţimea de pompare; HT – înălţimea de

turbinare. La aceste amenajări întreaga cantitate de apă trecută prin turbine este obţinută prin pompare. Staţia de pompare 1 preia apa din primul lac natural şi o pompează până în lacul artificial aflat la înălţimea hp De aici apa este adusă prin conducta forţată până la CHE amplasată mai jos cu înălţimea de turbinare ht.

Dacă notăm: • ηt – randamentul total de funcţionare al CHE; • ηp – randamentul de pompare;

energiile se pot scrie:

ttt QghE η= şi ptpP QghE η/= . Pentru a realiza condiţia ca ET/EP>1, trebuie ca:

4.11=>

ptp

t

hh

ηη.

CHE

HP

HT

1 2

3


HIDROEOL

RST


O altă soluţie constructivă pentru amenajările CHEAP este cea cu circuit închis, figura 5.4.2.

Fig. 5.4.2 CHEAP în circuit deschis: 1 – bazin

inferior; 2 – grupul pompă – turbină – motor – generator; 3 – bazin superior.

Acest tip de amenajare poate fi considerat cu acumulare prin pompaj pură, amenajarea în circuit

deschis mai purtând numele şi de CHE cu pompaj secundar. La acest tip de amenajare, conducta forţată se utilizează atât pentru turbinare cât şi pentru

pompare, ,din acest motiv turbinarea şi pomparea nu pot funcţiona simultan ca la cele în circuit deschis.

Dacă la CHEAP în circuit deschis se utilizau patru maşini energetice: motor, pompă, turbină şi

generator; la CHEAP în circuit închis se poate reduce numărul maşinilor energetice la trei sau chiar la două, având în vedere că turbina hidraulică poate funcţiona şi în regim de pompă prin modificarea unghiului paletelor directoare, iar generatorul sincron trece uşor în regim de motor sincron.

De această dată, înălţimea de turbinare este aproximativ egală cu cea de pompare, aşa că randamentul global al CHEAP va fi limitat la:

7.0=⋅== ptp

t

EE

ηηη .

La randamentul global mai trebuie luată în considerare şi evaporarea apei din bazinul superior. De asemenea se caută soluţii pentru realizarea bazinului superior cu costuri cât mai reduse, prin

utilizarea unor lacuri naturale sau a unor văi care necesită baraje de dimensiuni reduse. Se pot utiliza şi salbele de microhidrocentrale de pe cursurile inferioare ale râurilor, dar şi

centralele mareomotrice de la ţărmul oceanelor cu maree puternice, cum este centrala de la Rance din Franţa.

Toate ţările avansate din punct de vedere economic: SUA, Japonia, Germania etc. au astfel de

centrale cu puteri totale de mii de MW. Ele folosesc căderi mari de apă (mai mari de 200 m) pentru a fi necesare debite mai reduse. Puterea unitară a agregatelor este cuprinsă între 100 şi 450 MW. Până la căderi de 400 m se utilizează maşini hidraulice reversibile (pompă – turbină), la înălţimi mai mari se utilizează agregate cu două maşini hidraulice separate.

1 2

3

T ∼


HIDROEOL

RST


Şi la noi în ţară avem instalaţi 60 MW în trei staţii de pompaj secundar la CHE Lotru, şi există un proiect pentru o CHEAP în circuit închis la CHE Tarniţa, pe Someş, cu un lac artificial la Lăpuşteşti, la o diferenţă de nivel de aproximativ 400m faţă de lacul de la Tarniţa. Dar, din păcate, acest proiect nu poate fi încă finalizat din lipsă de fonduri. Acest proiect va trebui finalizat atât în urma punerii în funcţiune a grupurilor 2 şi eventual 3 şi 4 de la CNE Cernavodă, cât şi în perspectiva punerii în funcţiune a circa 3000 MW energie eoliană în viitorul apropiat.

În [5] se prezintă situaţia pe plan mondial a CHEAP, situaţie redată în Tabelul de mai jos.


HIDROEOL

RST


Tabelul 5.1 Worldwide list of pumped storage plants AUSTRALIA

• Bendeela (1977), 80 MW • Kangaroo Valley (1977), 160 MW • Tumut Three, (1973), 1,500 MW • Wivenhoe Power Station, 500 MW AUSTRIA

• Häusling (1988), 360 MW • Lünerseewerk (1958), 232 MW • Kraftwerksgruppe Fragant, 100 MW • Kühtai (1981), 250 MW • Malta-Hauptstufe (1979), 730 MW • Rodundwerk I (1952), 198 MW • Rodundwerk II (1976), 276 MW • Roßhag (1972), 231 MW • Silz (1981), 500 MW BELGIUM

• Coo, (1979), 1100 MW BULGARIA

• PAVEC Chaira, (1998), 800 MW CANADA

• Sir Adam Beck Pump Generating Station, (1957) near Niagara Falls, reversible Deriaz turbines, 174 MW CHINA

• Guangzhou, (2000), 2,400 MW • Tianhuangping (2001), 1,800 MW CROATIA

• RHE Lepenica (1985), 1.14/1.25 MW[3] • RHE Velebit (1984), 276/240MW[4] CZECH REPUBLIC

• Dalešice, (1978), 480 MW • Dlouhé Stráně, (1996), 650 MW • Štěchovice, (1947), 45 MW FRANCE

• Grand Maison (1997), 1,070 MW • La Coche (1976), 285 MW • Le Cheylas (1979), 485 MW • Montézic (1983), 920 MW • Rance (1966), 240 MW hybrid pumped water-tidal plant • Revin (1976), 800 MW • Super Bissorte (1978), 720 MW GERMANY

• Erzhausen (1964), 220 MW • Geesthacht (Hamburg) (1958), 120 MW • Goldisthal (2002), 1,060 MW • Happurg (1958), 160 MW • Hohenwarte II (1966), 320 MW • Koepchenwerk (1989), 153 MW • Langenprozelten (1976), 160 MW • Markersbach (1981), 1,050 MW

POLAND

• Dychów, 79.5 MW • Niedzica, 92.6 MW • Porąbka-Żar, 500 MW • Solina, 200 MW • Żarnowiec, 716 MW • Żydowo, 150 MW PORTUGAL

• Aguieira, 270MW • Alqueva, 260MW • Alto Rabagão, 72MW • Torrão, 144MW • Vilarinho II, 74MW RUSSIA

• Kuban (1968) 15.9/19.2 MW • Zagorsk (1994) 1,200/1,320 MW • Zelenchuk (under construction) 140/150.6 MW SERBIA

• Bajina Basta (1982) 614 MW SLOVAKIA

• Čierny Váh 735.16 MW SLOVENIJA

• Avče 600 MW SOUTH AFRICA

• Drakensberg, South Africa, (1983) 1,000 MW • Palmiet 400 MW SPAIN

• Aguayo (Cantabria) 339 MW • Aldeadavila (Salamanca) 422 MW (2 X 211 MW) [4] • Moralets-Llauset (Lleida/Huesca) 210 MW [5] • La Muela (Valencia) 628 MW • Sallente-Estany Gento (Lleida) 451 MW [6] • Tajo de la Encantada (Málaga) 360 MW • Tavascan-Montmara (Lleida) 52 MW • Villarino (Salamanca) 810 MW (6 X 135 MW) [7] SWEDEN

• Juktan, 334 MW [5] TAIWAN

• Minghu (1985) 1,000 MW • Mingtan (1994) 1,620 MW UKRAINE

• Dniestr HPSP (1st construction phase completed and now provides 972 MW, next phases


HIDROEOL

RST


• Niederwartha, Dresden (1958), 120 MW • Waldeck II (1973), 440 MW INDIA

• Bhira(Maharashtra) pump storage unit 150 MW • Kadamparai, Near Coimbatore, Tamil Nadu,(4*100)MW • Nagarjuna Sagar PH, Andhra Pradesh, 810 MW (1 x 110MW + 7 x 100 MW) • Purulia Pumped Storage Project, Ayodhya Hills, Purulia,West Bengal, 900 MW (Under construction) • Srisailam Left Bank PH, Andhra Pradesh, 900 MW (6 x150 MW) • Tehri dam, Uttranchal, 1000 MW (under construction) IRAN

• Siah Bisheh, Iran, (1996), 1,140 MW IRELAND

• Turlough Hill (1974), 292 MW ITALY

• Chiotas (1981), 1,184 MW • Lago Delio (1971), 1,040 MW • Piastra Edolo (1982), 1,020 MW • Presenzano (1992), 1,000 MW JAPAN

• Imaichi (1991), 1,050 MW • Kannagawa (2005), 2,700 MW • Kazunogawa (2001), 1,600 MW • Kisenyama, 466 MW • Matanoagawa (1999), 1,200 MW • Midono, 122 MW • Niikappu, 200 MW • Okawachi (1995), 1,280 MW • Okutataragi (1998), 1,932 MW • Okuyoshino, 1,206 MW • Shin-Takasegawa, 1,280 MW • Shiobara, 900 MW • Takami, 200 MW • Tamahara (1986), 1,200 MW • Yagisawa, 240 MW • Yanbaru, Okinawa (1999), 30 MW (First high-head seawater pumped storage in the world) Hitachi LITHUANIA

• Kruonis Pumped Storage Plant, (1993) Designed - 1,600 MW, installed - 900 MW LUXEMBOURG

• Vianden, (1964), 1,100 MW NORWAY

Note that Norway has a high density of hydroelectric powergeneration, so some of the following locations are simply pumpsthat never generate power themselves, but transfer water toreservoirs where it can be re-used by existing hydroelectric power stations. This information comes from [1], [2], and [3] • Aurland III, Hordaland, (1979), 270 MW

will give up to 2,268 MW)photo • Kaniv HPSP (design stage) 1800 MW [8] • Kyiv HPSP 235.5 MW [9] • Tashlyk HPSP 905 MW/-1325 MW [10] UNITED KINGDOM

• Ben Cruachan, Scotland (1965), 440 MW (2 × 120 MW + 2 × 100 MW units) • Dinorwig, Wales (1984), 1728 MW (6 × 288 MW units) • Foyers, Scotland (1975), 305 MW • Ffestiniog, Wales (1963), 360 MW (4 × 90 MW units) UNITED STATES

California • Castaic Dam, (1978) 1,566 MW • John S. Eastwood, (1988) 200 MW • Gianelli, (San Luis Dam & Pyramid Lake), (1968) 400 MW • Helms, (1984) 1,200 MW • Iowa Hill, (Proposed 2010) 400 MW • Edward C Hyatt, (1968) 780 MW Colorado • Cabin Creek (1967), 324 MW • Mount Elbert 200 MW, 1,212 MW Connecticut • Rocky River, (1929) 31 MW Georgia • Rocky Mountain Pumped Storage Station 848 MW • Wallace Dam (operated by GA. Power) Lake Oconee/Lake Sinclair 4 x 52 MW reversible units Hawaii • Koko Crater, Oahu, Hawaii (Proposed) Massachusetts • Bear Swamp, (1972) 600 MW • Northfield Mountain, (1972) 1,080 MW Michigan • Ludington, (1973) 1,872 MW Missouri • Clarence Cannon dam, (1983) 58 MW (pump-back capability tested twice in 1984 and not used since.[12]) • Taum Sauk, pure pump-back 450 MW (out of operation as of December, 2005) New Jersey • Mt. Hope 2,000 MW[6] • Yards Creek Generating Station (1965) 400MW [13] New York • Blenheim-Gilboa, (1973) 1,200 MW • Robert Moses Hydro-Electric Dam, Lewiston Pump-Generating Plant (Niagara), (1961) 240 MW Ohio • Summit Pumped Water Plant 1500 MW


HIDROEOL

RST


• Breive, Bykle, Aust-Agder • Duge, Rogaland • Hjorteland, Rogaland • Hunnevatn, Rogaland • Jukla, Hordaland, 40 MW • Kastdalen, Hordaland • Mardal, Møre og Romsdal • Monge, Møre og Romsdal • Nygard, Modalen, Hordaland • Saurdal, Rogaland, 640 MW • Skarje, Bykle, Aust-Agder • Skjeggedal, Hordaland • Stølsdal, Rogaland, 17 MW • Tverrvatn, Nordland PHILIPPINES

• CBK, 700MW

Pennsylvania • Muddy Run 1,071 MW • Seneca 435 MW Tennessee • Raccoon Mountain, (1978) 1,530 MW Virginia • Bad Creek, (1991) 1,065 MW • Bath County 2,100 MW - (World's second largest)[7] • Smith Mountain Lake and Leesville Lake Washington • Grand Coulee Dam, (1981) 314 MW[8]

5.5. Centrale electrice hibride Centralele electrice hibride sunt acele centrale care au grupuri ce produc energie electrică

pornind de la surse primare de energie diferite: combustibili fosili, energie hidro etc. Centralele electrice hibride au fost utilizate încă cu foarte mult timp în urmă. De exemplu

centrala hidroelectrică de la Someşul Rege de lângă Cluj, construită în 1905, şi încă în funcţiune şi azi, avea iniţial şi grupuri termice care sa poatî fi utilizate în perioadele secetoase, când scădea debitul de apă de pe râu.

Sistemele hibride de generare a energiei electrice din surse regenerabile constă din două sau mai multe surse de energie regenerabilă: eoliană-solară, eoliană-hidro, eoliană-biomasă etc. Aceste sisteme reprezintă soluţii flexibile şi fiabile de alimentare cu energie eoliană a localităţilor rurale mici [2]. Aproape toţi furnizorii de echipamente de producere energie din surse regenerabile: eoliene şi fotovoltaice, pentru locuinţe izolate, recomanda fie utilizarea de acumulatoare pentru stocarea energiei când nu există nici soare nici vânt, la pueri mici, iar la puteri mai mari drupuri Diesel cu pornire rapidă. Grupul Diesel, chiar daca este alimentat cu biocarburanţi, este poluant şi are un randament scăzut.

Sistemele hibride de producere a energiei electrice din surse regenerabile, compensează caracterul intermitent al acestora: când nu este vânt, poate există soare, dar cea ma bună combinaţie este cu sursele care permit stocarea energiei cum ar fi centralele hidroelectrice cu pompaj şi generatoarele antrenate cu motoare termice cu biodiesel.

Beneficiile unui sistem hibrid de producere a energiei din surse regenerabile: • Posibilitatea de a utiliza simultan mai multe surse de energie regenerabilă, disponibile la

un moment dat într-o anumită locaţie; • Protecţia mediului, în special reducerea emisiilor de CO2; • Cost redus, deoarece energia la vârf de sarcină este mai scumpă; • Securitatea alimentării cu energie electrică, prin diversificarea surselor; • Combustibilul este gratuit şi inepuizabil.


HIDROEOL

RST


5.6 . Situaţia pe plan mondial privind construcţia de centrale hibride hidro-eoliene Energia eoliana este cea mai promitatoare sursa de energie regenerabila, în condiţiile în care

potenţialul hidroenergetic este în mare parte amenajat deja, costul unui kWh produs de o turbină eoliana fiind mai redus decât unul produs de panourile fotovoltaice.

Dar energia eoliană, prin caracterul său intermitent, influenţează negativ sistemele electroenergetice de transport a energiei, stabilitatea lor, calitatea energiei livrate. Se considera ca in general, la un sistem electroenergetic, doar un procent de circa 20% ar putea fi asigurat din surse intermitente: fotovoltaice si eoliene. Acest procent ar putea fi si mai mic, daca se ţine cont că la un vânt puternic, puterea centralelor termoelectrice şi nucleare nu poate fi redusă, fără reducerea randamentului şi creşterea noxelor pe kWh produs. De asemenea, în perioadele de vară există zile întregi sau săptămâni fără vânt. În această situaţie e clar că sursele de energie intermitente nu pot fi integrate în sistemul electroenergetic fără un mijloc de stocare a energiei. Acest mijloc de stocare va trebui să permită stocarea energiei când este vânt dar nu e nevoie de consum, dar şi să dea energie în perioadele lungi fără vânt.

Stocarea în energia potenţială a apei, chiar dacă are un randament de circa 75%, este singura care asigură stocarea unor cantităţi mari de energie. Ea a fost deja utilizată pentru a adapta centralele nucleare la curba de sarcină, dar acum va avea o nouă funcţiune şi anume integrarea surselor intermitente de energie electrică, dintre care energia eoliană este cea mai importantă. De aici rezultă importanţa centralelor hibride hidro-eoliene. Importanţa acestor centrale hibride a fost justificată de profesorii Leonhard şiGrobe, de la Universitatea din Braunschweig, Germania, în lucrarea [28].

În Europa sunt deja instalaţi 24 GW eolieni, din care 13 GW, doar în Germania, unde deja energia eoliană are o pondere egală cu cea hidro. Şi în România se intenţionează să se instaleze în viitorul apropiat circa 3 GW de energie eoliană, dar Transelectrica a intrat deja în alertă [3] privind posibilitatea integrării acestor surse în sistemul electoenergetic, şi intenţionează să propună ANRE să legifereze obligaţia investitorilor în centrale eoliane, să investească şi în centrale de compensare cu pornire rapidă: hidro şi cu turbine cu gaze.

Teza [7] se referă la insula Creta din Grecia. Insula creta are un potenţial energetic eolian foarte mare, dar sistemul ei energetic autonom are mari probleme de stabilitate din cauza generatoarelor eoliene. Teza urmăreşte dimensionarea optimă a puterii eoliene, corelată cu puterea hidro şi cu consumul de energie electrică, dar şi dimensionarea optimă a capacităţilor de stocare a energiei electrice.

În [8] se prezintă un studiu al companiei MANITOBA HYDRO din canada, care doreşte să utilizeze capacitatea sa de stocare a apei în scopul integrării surselor de energie eoliană din zonă în sistemul energetic. Problemele studiate:

• Câtă energie eoliană poate fi integrată; • Care va fi valoarea de piaţă a enrgiei eoliene astfel integrate; • Care este costul integrării energiei eoliene.

În [11] se prezintă cazul insulei Tasmaniei din Pacific. Se pare că un loc recomandat pentru instalarea de sisteme hibride hidro-eoliene sunt insulele,

deoarece ele au pe ţărm un potenţial eolian ridicat şi regulat, iar ca sisteme de stocare a energiei sub forma de energie potenţială se pot folosi fie râurile care se varsă în mare, fie chiar apa de mare [18]. În această lucrare se prezintă cazul unui sistem de acumulaare cu apă de mare care este pompată din Marea Moartă într-un rezervor superior aflat la 600 m deasupra niveluli mării, pomparea are loc în timpul golului de sarcină, şi turbinarea are loc în timpul vârfului de sarcină, contribuind la buna stabilitate a sistemelor energetice interconectate ale Israelului, Iordaniei şi Egiptului.


HIDROEOL

RST


Insulele permit amplasarea turbinelor eoliene nu numai pe ţărm (onshore), dar şi în larg (off shore). Amplasarea în larg elimină poluarea estetică a mediului şi nu necesită teren.

În următorii 20 de ani peste 35 GW de turbine ofshore vor fi amplasate în marea Nordului şi Marea Baltică.

Indiferent de modul de amplasare, onshore sau offshore, se pot utiliza turbine eoliene care să pompeze direct apa mării în bazine superioare, de unde să fie turbinată ulterior pentru producerea de energie electrică. În acest fel creşte randamentul stocării energiei sub formă de energie hidraulică.

În [19] s-a studiat influenţa modului de stocare a energiei asupra capacităţii de integrare în sistemul energetic a energiei eoliene:

• Stocarea energiei în jur de 10 min, de exemplu prin flywheel (volant – energie inerţială), permite sistemului să absoarbă cu 10% mai multă energie eoliană;

• Stocarea energiei în jur de 24h, utilizând Redox Flow Cell, acumulatori cu Vanadiu, permite sistemului să absoarbă cu 25% mai multă energie eoliană;

• Stocarea energiei peste 24h, de exemplu cu centrale hidro cu acumulare prin pompaj, sau sub formă de aer sub presiune, permite ca energia eoliană integrată în sistem să crească de aproximativ 3 ori.

5.7. Alte aplicaţii ale centralelor hibride hidro-eoliene Înafară de corelarea la nivelul sistemelor energetice naţionale a capacităţii de stocare a energiei

sub formă hidraulică, cu curba de sarcină a consumului de energie electrică şi cu capacitatea sistemului de a integra energie eoliană, aceste sisteme hibride sunt utile şi în cazul alimentării cu energie electrică a unor locuinţe izolate sau chiar sate izolate. În aceste cazuri, o reţea de alimentare cu energie de la sistem este extrem de scumpă şi nu se recuperează investiţia nici în sute de ani. În aceste cazuri soluţia utilizării surselor regenerabile este mult mai avantajoasă. Un astfel de caz este prezentat în continuare [2].

5.7.1. Introducere Lucrarea prezintă un studiu privind posibilităţile de construcţie a unei centrale hidroelectrice cu

acumulare si pompaj în combinaţie cu o turbină eoliană. Se ia în considerare cazul unui sistem izolat de alimentare cu energie electrică, din surse regenerabile: hidro şi eoliană, care au o putere redusă şi nu sunt acceptate pentru a funcţiona conectate la Sistemul Energetic Naţional. O problemă deosebită este găsirea unor locaţii, atât cu potenţial eolian cât şi cu sursă de apă în apropiere, pentru realizarea centralei hidro-electrice cu acumulare si pompaj. O astfel de locaţie ar fi pe ţărmul mării, unde există potenţial eolian, sau in zona colinară, unde pe vârful unor dealuri există poteţial eolian şi în apropiere pot exista cursuri de apă.

Se cunoaşte caracterul fluctuant al energiei eoliene, puterea turbinei fiind proporţionala cu puterea a 3-a a vitezei [1]:

[ ]23

33

/10

613.010

mKwvvkP ⋅=⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅= ,

iar viteza vantului nu este deloc constantă, variind atât ca valoare cât şi ca direcţie şi sens.

Pentru utilizarea energiei eoliene la alimentarea unor consumatori izolaţi este necesară prezenţa unor sisteme de stocare a energiei pe durate relativ mari, cea mai utilizată metodă fiind stocarea în acumulatoare electrice.


HIDROEOL

RST


Această metodă este foarte costisitoare şi este posibilă doar pentru puteri mici.Costul stocării unui kWh prin această metodă este de 200 Euro/kWh.

Lucrarea propune utilizarea stocării energiei electrice produse de turbinele eoliene sub forma de energie potenţiala a apei pompate într-un bazin superior. De aici apa poate fi turbinată la nevoie într-o turbină hidraulică şi eliberată într-un bazin inferior. În acest fel funcţionarea cuplată a unei instalaţii eoliene şi a unei centrale hidroelectrice cu acumulare şi pompaj are avantaje deosebite în a compensa caracterul fluctuant al energiei eoliene.

În cadrul lucrării se da un exemplu de aplicaţie pentru cazul unei locuinte amplasate în zona colinară şi neracordată la sistemul energetic naţional, exemplu ilustrat in figura 1. .

Fig 5.7.1. Sistem energetic hibrid hidro-eolian Figura reprezintă cazul unei locuinte izolate neracordate la sistemul energetic naţional,

amplasată pe malul unui râu mai mare (sau lac de acumulare), şi în apropierea unui afluent care coboară de pe dealurile din apropiere şi care are un debit fluctuant, în perioada secetoasa fiind posibil chiar să dispară cursul de apă. Pe acest afluent la o anumita inăltime fata de nivelul râului mare se amplasează, între dealuri, un baraj de greutate din anrocamente (piatra şi pământ) şi se realizează un lac de acumulare pentru regularizarea debitului. Suplimentar se amplaseaza şi o turbina eoliană pe varful unuia din cele două dealuri care mărginesc afluentul şi care va alimenta cu energie electrică şi tabloul electric al locuintei izolate, şi o pompă care în perioadele cu vânt şi fără sarcină, va pompa apa din râul mare (sau lac) în lacul artificial creat cu barajul de anrocamente. De aici apa poate fi adusă printr-o conductă forţată şi turbinată pentru a produce energie electrică la nevoie.

5.7.2. Schema electrică a unei centrale hibride hidro-eoliene Funcţionarea hidro-generatorului şi a generatorului eolian în tandem si corelată cu curba de

sarcină a consumatorului casnic va fi supervizată şi controlată cu un sistem mini-SCADA. Functionarea ansamblului poate fi urmarită pe figura 2.

Sistemul de supraveghere va conecta generatorul eolian în perioadele când există vânt, fie pentru consumul casnic dacă acesta există, fie pe motorul pompei de ridicare a apei din bazinul

GE

P

HG H


HIDROEOL

RST


inferior spre bazinul superior pentru a fi stocată, în situaţia când dispare consumul de energie electrică.

De asemenea, in perioadele când nu există vânt, dar există consum, energia electrică va fi obţinută prin turbinarea apei stocate în bazinul superior. Evitarea situaţiei de a rămâne fără rezervă de apă în bazinul superior se va face printr-o atentă dimensionare a acestuia.

Fig. 5.7.2. Schema de conexiuni a centralei hibride hidro-eoliene.

5.7.3 Dimensionarea bazinului superior

Se pleacă de la consumul energetic casnic lunar evaluat al locuinţei, care este prezentat în Tabelul de mai jos.

Tabelul 5.7.1. – Prezentarea consumului casnic lunar evaluat la o locuinta izolată.

Receiver Pieces Power (Kw)

Time by day (h)

Day energy (Kwh)

Number day/month

Month energy (Kwh)

Frigider/Fridge 1 0.5 2 1 30 30 Televizorul/Television Set 1 0.2 4 0.8 30 24 Masina de gatit/Cooking machine 1 1 1 1 30 30 Iluminat interior/Inside lamps (60w) 10 0.06 2 1.2 30 36 Iluminat exterior/Outside lighting 2 0.25 2 1 30 30 Calculatoare, Periferice/Hardware 3 0.25 2 1.5 20 30

H

Q1

Q2

Q3

GE

P HG

TE

UC


HIDROEOL

RST


Fier de calcat/Electric iron 1 2 1 2 4 8 Masina de spalat/Washing machine 1 2 2 3 4 12 TOTAL 200

Energia medie necesară pe durata unui an va fi:

kWhEE lunaan 24002001212 =⋅=⋅=

Durata anuală a zilelor cu vânt pentru zona respectivă este evaluată după hărţi climatice la:

hTan 3000= . Atunci puterea medie necesară la turbina eoliană este de:

kWh

kWhTEP

an

anmed 8.0

30002400

=== .

Alegem o turbină eoliană cu puterea Pw=2 kW pentru a acoperi şi pierderile şi a asigura şi

puterea maximă a consumatorilor. Se alege şi o turbina hidraulică, cu o putere reglabilă de Ph=2 kW din aceleasi considerente de a

asigura puterea maximă a unui consumator (ex. maşina de spălat). La o cădere de apă mH 50≈ vom avea nevoie de o turbină hidraulică cu debitul de:

]/[4/004.0508.9

2][8.9

][ 3 slsmmH

KwPD =≈⋅

=⋅

= .

Dacă consideram 3 zile consecutive fără vânt, în aceasta perioada energia acumulata in bazinul

superior va trebui sa asigure intreg consumul de energie electrica, prin urmare bazinul superior va trebui sa aiba volumul:

38.10363600243004.0 mtDV =⋅⋅⋅=⋅=

Considerăm lacul ca fiind de profil dreptunghiular (figura 8.3).

Fig. 5.7.3. Profil lac de acumulare superior.

h

l=20m


HIDROEOL

RST


Având lăţimea l=20 m, lungime L=10H, unde H este adâncimea lacului lângă baraj şi o adâncime 0 la coada lacului, volumul lacului va fi:

][20 32 mHLHlV ⋅=××= Rezultă adâncimea lacului la baza barajului:

][27.2200

1036200

mVH ===

Se adoptă un baraj de greutate realizat din anrocamente cu o înălţime de Hbaraj=3m faţă de albia

afluentului. Debitul mediu anual al afluentului este estimat la:

]/[1 slDafluent = ,

aşa încât numai amenajarea hidro nu poate asigura toată energia necesară locuinţei pe timp de un an. Va trebui compensata aceasta energie şi cu energia eoliană. 5.7.4. Dimensionarea barajului

La proiectarea unui baraj se iau în considerare toate eforturile la care este supus acesta precum şi caracteristicile solului pe care este amplasat. Se urmăreşte determinarea dimensiunilor barajului (grosime, forma) şi a materialelor de construcţie astfel încât să reziste în condiţii optime la cele mai dificile solicitări.

Fig. 5.7.4. Modelul de calcul al unui baraj de greutate.

Se consideră un element de baraj de lungime egală cu un metru şi de forma paralelipipedică. Se consideră cazul simplu când asupra barajului acţionează numai forţa proprie de greutate G, şi forţa de împingere a apei, W.

HG ⋅= 1γ si 2

2HW ⋅=γ ,

unde γγ si1 reprezintă greutatea specifică a rocilor, respectiv a apei.

21

20 2HHHSW med

γγρ =⋅⋅+

=⋅=

G

W

e

2/3HH


HIDROEOL

RST


Grosimea e a barajului se determină din două ipoteze:

1. să nu alunece, caz în care forţa de împingere a apei trebuie sa fie mai mică decât forţa de frecare care poate să apară între baraj şi fundaţie:

GW µ≤ ; respectiv HeH1

2

2γµγ

≤ ,

de unde rezultă:

mHe 66.130003.02

310002 1

=⋅⋅⋅

=≥µγγ .

2. să nu se răstoarne:

32HWeG ≥ ,

cu condiţia finală:

mHe 130003

100033 1

=⋅

=≥γγ .

Dacă barajul s-ar executa din beton, atunci o grosime de e=2m ar fi suficientă. Deoarece barajul

din anrocamente este mai ieftin, va trebui să fie de forma trapezoidală în secţiune cu baza mică la vârf de 2m şi baza mare de 14m pentru a asigura o pantă a taluzului de cel putin 1:2. Pe baza acestor date se poate calcula volumul barajului şi costurile de construcţie.

Dată fiind importanţa redusă a acestei amenajări hidroelectrice, barajul de poate construi din pământ (nu din piatra), excepţie fiind un canal betonat pentru evacuarea prea-plinului. 5.7.5. Concluzii

Utilizarea unei centrale hibride hidro-eoliene prezintă avantaje clare, pentru alimentarea cu energie electrică a unei locuinţe izolate, sau a unui grup de locuinţe cu un consum de energie electrică limitat, reprezentand o alternativa la racordarea la sistemul national, mai ales acolo unde aceast lucru nici nu este posibil.

Se are în vedere faptul că debitul cursului de apă (pârâului) este insuficient pentru a asigura întreg consumul de energie al unei locuinţe izolate, şi acest lucru să fie compensat în combinaţie cu o turbină eoliană, căreia îi va asigura stocarea energiei sub formă de energie potenţială a apei.

Costurile de investiţii vor fi mai reduse, prin înlocuirea unei părţi din puterea instalată în hidrocentrală prin putere instalată în generator eolian, construcţia unui baraj fiind foarte scumpă.

Lacul de acumulare creat poate fi dimensionat la o capacitate mai mare pentru a asigura compensarea sezonieră a debitului acestui pârâu, ştiut fiind că primăvara şi toamna debitul este mai mare din cauza topirii zăpezii şi a precipitaţiilor.

De asemenea apa din acest lac, fie că este stocată din anotimpurile ploioase, fie cu ajutorul vântului, poate fi utilizată în gospodăria respectivă la irigat sau în alte scopuri.

În prezent, preţul petrolului brut a ajuns în jur de 100 USD/baril, contrar tuturor scenariilor care

prevedeau acest preţ abia peste vre-o 30 de ani. În condiţiile acceptării ideii că producţia de petrol va intra în declin în viitorul apropiat, nu sunt speranţe ca acest preţ să mai scadă. Soluţia pentru ieşirea din această criză energetică este în opinia oamenilor de ştiinţă dar şi al şefilor de state,


HIDROEOL

RST


trecerea la suse alternative de energie cum ar fi energia nucleară şi sursele regenerabile de energie: energia eoliană, energia solară (fotovoltaică), biocarburanţii.

Cea mai favorabilă pare a fi energia eoliană. Deja Germania îşi acoperă circa 4% din energia electrică din surse eoliene, cal a acelaşi nivel cu energia hidroelectrică. Dar integrarea surselor de energie eoliană în sistemele electroenergetice e o problemă grea. Vântul bate când vrea, în rafale, cu intensitate variabilă, şi se opreşte când vrea, chiar brusc, şi poate avea şi perioade mari de calm, chiar săptămâni. Este clar că o astfel de sursă de energie electrică, trebuie completată cu o sursă de energie de compensare, care să poată fi pornită rapid cînd se opreşte vântul şi cu un sistem de stocare a energiei pentru perioadele de acalmie.

Sistemul electroenergetic poate servi ca sistem de stocare a energiei, dar se accetă în prezent doar un procent de maximum 205 din putere în surse intermitente fără a afecta stabilitatea sistemului electroenergetic. Apoi poate exista vânt noaptea la gol de sarcină, când reducerea puterii centralelor termoelectrice duce la scăderea randamentului acestora, la creşterea costului energiei electrice produse şi la creşterea emisiei de poluanţi. Este clară necesitatea unor capacitîţi de stocare a energiei electrice pentru integrarea surselor de energie eoliană în sistem şi dintre acestea cenztralele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj sunt cele mai recomandate.

De aici se vede importanţa centralelor hibride hidro-eoliene ce vor fi studiate în cadul acestui contract.

Sunt necesare studii care să coreleze puterea eoliană ce urmează a fi instalată, cu puterea sistemului electroenergetic (necesarul de energie – curba de sarcină) şi cu puterea instalată în centralele hidroelectrice cu acumulare prin pompaj. Aceste studii se vor realiza prin simulare. Un astfel de studiu este şi cel ce urmează a fi făcut în cadrul acestui contract de cercetare.

Centralele cu acumulare prin pompaj sunt esenţiale pentru integrarea centralelor nucleare (la noi în ţară grupurile 3 şi 4 de la Cernavodă) dar şi a marilor ferme eoliene (la noi în ţară circa 3 GW în viitorul imediat, din cauza incentivelor – certificate verzi acordate de guvern).

Centralele hibride hidro-eoliene sunt esenţiale şi pentru alimentarea localităţilor îndepărtate şi izolate, lacul de acumulare superior putând fi utilizat şi pentru alimentarea cu apă potabilă, apă de irigat în agricultură sau creşterea peştilor.

5.8. Bibliografie

[1] Octavian Căpăţână, Mihaela Drăgan, Rareş Cazan, Hydro-Eolian Energetical Ensamble, Procc. Of IFAC 2007, Cluj-Napoca, Romania.

[2] S. Ardelean, I. Vadan, S. Pavel, D. Căpăţână, A. Călăraşu, Hydro-Eolian Hybrid Power Plant, The 7-th International Power Systems Conference PSC 2007, November 22-23, 2007, Timişoara, Romania, pp. 15-20.

[3] C. Diaconu, S. V. Oprea, Strategy for renewable sources integration into the romanian power systems, The 7-th International Power Systems Conference PSC 2007, November 22-23, 2007, Timişoara, Romania, pp. 217-220.

[4] S. Darie, I. Vadan, Producerea, Transportul şi Distribuţia Energiei Electrice, vol. 1 – Instalaţii pentru Producerea Energiei Electrice, Editura U.T.PRES Cluj-Napoca, 2000.

[5] Daniel Kenning, Energy training 4 Europe, A Guide to Renewable Energy – Hybrid System Module.

[6] G. Voicu, C. Ţânţăreanu, Hybrid solutions for rural electrification. Case studies. ICEMENERG, 1999, Bucharest, Romania.

[7] Maria Somaraki, A Feasibility Study of a Combined Wind-Hydro Power Station in Greece – Doctoral Thesis, University of Strathclyde, Dept. Of Mechanical Engineering, October 2003, Glasgow, G.B.


HIDROEOL

RST


[8] Bill Girling, Wind/Hydro Integration for Manitoba Hydro-s System, presented to Wind-Hydro Integration Workshop UWIG, PORTLAND, 21-22.03.2007.

[9] Hannele Holttinen, Wind-Hydro Integration on a large Hydro System, Wind-Hydro Integration Workshop UWIG, PORTLAND, 21-22.03.2007.

[10] Clint Kalich, A Parametric Evaluation of Wind/Hydro Integration in the Avista System in the Pacific NorthWest, Avista Corp. Workshop, PORTLAND 21.03.2007.

[11] Tom Acker, Ph.D., Operating Agent, Task 24, Northern Arizona University, IEA Task 24 – Integration of Wind and Hydropower Systems, Wind-Hydro Integration Workshop UWIG, PORTLAND, 21-22.03.2007.

[12] Matt Schuerger, Wind-Hydro Integration in the Missouri Basin, Annual Meeting, December 8, 2003.

[13] Joseph Cohen et all., Analysis of Wind-Hydro Integration Value in Vermont, WINDPOWER 2003, May 21, 2003.

[14] Brian Parsons, National Renewable Energy Laboratory, Integration of Wind and Hydropower Systems, IEA Wind Implementing Agreement, November 2004.

[15] Luis Jose Garces, Yan Liu, Sumit Bose, General Electric Company, System and Method for Integrating Wind and Hydroelectric Generation and Pumped Energy Storage Systems, Patent US 2007/0114796 A1, May 24, 2007.

[16] Wasfi Youssef, Hybrid Wind-Hydro Power Plant, Patent US 006023105 A, 8 Febr. 2000.

[17] Alexander de Lemos Pereira, Modular Supervisory Controller for Hybrid Power Systems, Ph.D. Thesis, Technical university of Denmark – DTU, June 2000.

[18] The AQABA Hybrid Scheme, www.unu.edu/unupres/unupbooks/UU18ce/uu18ceOd.htm

[19] Jon Barton, David Infield, Energy Storage and its Use with Intermitent Renewable Energy, IEEE Transactions on Energy Conversion, vol.10 No. 2, June 2004.

[20] Pedro Rosas, Dynamic influences of Wind power on the power Systems, Ph.D. Thesis, Technical University of Denmark – DTU, June 2000.

[21] Bao Nengscheng, Ma Xinqian, Ni Weidon, Investigation on the integral output powe model, of large scale wind farm, Frontiers of Energy and Power Engineering in China, vol.1, no. 1, feb. 2007.

[22] Ioanis Niadas, Panos, Mentzelopoulos, Probabilistic Flow Duration curves for Small plant design, and performance Evaluation, Water Ressource management, No. 10, 2007.

[23] Angelos Mademlis, Wind and hydro power system for the Tweed Valley Ecovillage, Thesis, University of Strathclyde, Dept. Of Mechanical Engineering, 2002, Glasgow,

[24] Sivakumar Vekapoma, Carron Valley – A Case Study for Comunity Wind Power, Thesis, University of Strathclyde, Dept. Of Mechanical Engineering, 2004, Glasgow, G.B.

[25] Kiriakos Antonakis, Analysis of the Maximum Wind energy penetration in the Island of Crete, University of Strathclyde, Dept. Of Mechanical Engineering, 2006, Glasgow, G.B.

[26] http://www.esru.strath.ac.uk/EandE/theses.htm [27] Bob Fesmire, Wind&Hydro: a match made in heaven?, Electric Light and Power,

May/June 2006; 84, 3. [28] W. Leonhard, M. Grobe, Technical University of Braunschweig, Germany,

Sustainable Electrical Energy Supply with Wind, Biomass and Pumped Storage – a Realistic Long Term Strategy or Utopia?

[29] Pumped-storage hydroelectricity, from Http://en.wikipedia.org/wiki/Pumped-storage_hydroelectricity


HIDROEOL

RST


VI. STUDIU PRIVIND MECANISME DE INTEROGARE A BAZELOR DE DATE DISTRIBUITE DE DIMENSIUNI MARI

6.1. Obiectivele unui SGBDD

În această parte a lucrării vom da câteva definiţii pentru a alcătui un limbaj propriu BDD. O BDD reprezintă o colecţie de date integrate din punct de vedere logic care sunt fizic distribuite pe staţii ale unei reţele de calculatoare. Fiecare staţie din reţea are autonomie de prelucrare care îi permite să realizeze aplicaţii locale, aplicaţii care sunt executate în întregime de computerul staţiei. De asemenea, fiecare staţie participă la execuţia a cel puţin unei aplicaţii globale care necesită accesarea datelor din mai multe staţii. Pentru a înţelege mai bine vom dezvolta puţin noţiunile de integrare logică şi distribuire fizică:

– integrare logică: un utilizator interacţionează cu BDD în acelaşi fel ca şi în cazul BD centralizate şi, în general, nu are informaţii despre localizarea datelor pe staţii;

– distribuire fizică: BD este partiţionată fizic pe staţiile dintr-o reţea (se admit copii ale fragmentelor memorate pe staţii diferite).

Fiecare staţie are o BD locală alcătuită din toate datele stocate pe acea staţie. Aceste BDL se integrează în BDD prin intermediul unei scheme globale la care va face referire orice utilizator global. Un utilizator local reprezintă un utilizator care are acces şi exploatează o BDL (cunoaşte şi manipulează numai schema acelei BDL). Un utilizator global este un utilizator care cunoaşte şi are acces la schema întregii BD. Utilizatorul global exploatează schema globală conform autorizărilor şi drepturilor sale de acces. Pentru a distribui fizic BD pe diverse staţii aceasta trebuie fragmentată conform unor principii şi condiţii de optimalitate care vor fi tratate pe larg în capitolul ΙΙΙ. Un sistem de gestiune a bazei de date distribuite este software-ul care permite gestiunea unei BDD şi face distribuirea transparentă pentru utilizatori. În condiţiile exploziei informaţionale, cerinţa acută de informare trebuie satisfăcută ţinând seama de o serie de condiţii care să asigure: minimizarea costului procesului de prelucrare a datelor, creşterea vitezei de răspuns la întrebările solicitate de utilizatori, adaptabilitatea sistemului informatic la evoluţia în timp a sistemului informaţional din care face parte, posibilitatea folosirii sistemului de informare dispunând de un minim de cunoştinţe despre modul de organizare a lui în general şi informatică în special, integritatea şi securitatea datelor etc. În acest context, unui SGBD, nu neapărat distribuit, îi revin o serie de obiective, cum sunt:

– asigurarea independenţei datelor: dacă apar aplicaţii noi care au nevoie de viziuni diferite ale aceloraşi date, datele existente să poată fi convertite fără a afecta programele de aplicaţie mai vechi. Independenţa datelor trebuie privită din două puncte de vedere: logic şi fizic. Independenţa logică a datelor se referă la posibilitatea adăugării de noi articole sau extinderea structurii conceptuale fără a afecta programele existente. Independenţa fizică a datelor face ca memorarea lor şi tehnicile fizice de memorare să poată fi modificate fără a determina rescrierea programelor de aplicaţie.

– asigurarea unei redundanţe minime şi controlate a datelor din BD: stocarea datelor astfel încât fiecare dată să apară o singură dată este optimă din punct de vedere al spaţiului de memorare. Totuşi, pentru a realiza performanţe sporite (minimizarea timpului de acces la date şi a timpului de răspuns la solicitările utilizatorilor) este necesar a adopta o


HIDROEOL

RST


redundanţă a datelor, instituindu-se, însă, un control automat asupra ei în vederea asigurării coerenţei datelor din bază.

– sporirea gradului de securitate a datelor împotriva accesului neautorizat la ele (administratorul BD hotărăşte cui permite accesul la date şi cui nu).

– asigurarea integrităţilor datelor împotriva unor ştergeri intenţionate sau neintenţionate, prin intermediul unor proceduri de validare, a unor protocoale de control concurent şi a unor proceduri de refacere a bazei de date după incidente.

În cazul SGBDD apar diverse nuanţări ale obiectivelor de mai sus, precum şi noi obiective: – asigurarea transparenţei distribuţiei: programele pot fi scrise făcând abstracţie de

distribuirea fizică a datelor, mutarea datelor de pe o staţie pe alta afectând doar viteza de execuţie, nu şi corectitudinea programului.

– redundanţa datelor, în cazul BDD, devine o caracteristică dezirabilă, din mai multe motive: – localizarea este mai rapidă atunci când datele sunt replicate la staţiile unde sunt

cerute de aplicaţii; – creşte disponibilitatea, siguranţa sistemului, în cazul căderii unei staţii aplicaţiile

fiind dirijate spre staţiile unde datele sunt replicate. Redundanţa datelor reduce efortul de regăsire a datelor dar creşte efortul de actualizare. Evaluarea unui grad optim al redundanţei trebuie să ţină seama de raportul între accesele de regăsire şi accesele de actualizare a datelor.

– asigurarea securităţii datelor: administratorul fiecărei BDL îşi realizează propria protecţie fără să depindă de un administrator central; comunicaţia în reţea poate reprezenta un punct slab în realizarea protecţiei.

– transmiterea datelor la utilizatorii lor: indiferent care este nodul în care se află un utilizator şi indiferent unde se află datele, utilizatorul trebuie să-şi poată obţine informaţiile de care are nevoie (cu condiţia să aibă autorizarea de a le accesa).

– evitarea centralizării datelor deoarece aceasta poate provoca un cost ridicat de prelucrare şi transmitere a datelor la utilizatori.

– proiectarea structurii organizatorice şi funcţionale a sistemului analizat: prin faptul că, în general, BDL se află în locurile în care se produc informaţiile pe care le conţin, o arhitectură distribuită permite modelare mai bună a sistemului informaţional, conform structurii organizatorice şi funcţionale.

– posibilitatea accesului la BDD privită ca un sistem integrat: BDD trebuie să fie văzută de utilizator ca o BD centralizată.

BD este divizată într-un număr de fragmente, fiecare fragment fiind memorat pe unul sau mai multe calculatoare din reţea. SGBDD are următoarele componente software:

– componenta de comunicaţie (CC); – sistemul de gestiune a bazei de date locale (SGBDL); – dicţionarul de date global (DDG); – sistemul de gestiune al bazei de date distribuite (SGBDD).

Componenta de comunicaţie este cea care realizează legăturile în cadrul reţelei. Cuprinde descrierea completă a nodurilor (staţiilor) şi legăturilor din cadrul reţelei. Sistemul de gestiune a bazei de date locale este un sistem standard de gestiune a bazelor de date. Dicţionarul de date global cuprinde informaţii despre BDD: localizarea, structura, disponibilitatea şi modul de utilizare a datelor. SGBDD propriu-zis cuprinde un sistem complex de programe care asigură interfaţa între BDD şi utilizatorii acesteia.


HIDROEOL

RST


6.2. Funcţiile unui SGBDD Pentru realizarea obiectivelor de mai sus, SGBD, în general, dispun de o serie de componente ce permit efectuarea a numeroase operaţii. În funcţie de natura lor şi scopul urmărit, operaţiile pot fi grupate pe activităţi. Activităţile acceptă şi ele o grupare pe funcţii (una sau mai multe activităţi, relativ omogene, vor realiza o anumită funcţie). Ţinând seama de multitudinea sarcinilor ce revin unui SGBD şi grupând aceste sarcini pe activităţi şi apoi pe funcţii, în final pot fi deduse funcţiile sistemului de gestiune. În continuare ne propunem să enumerăm unele dintre funcţiile unui SGBDD:

– funcţia de definire a datelor: la nivelul acestei funcţii, cu ajutorul limbajului de definire a datelor, se descriu multitudinea atributelor din cadrul structurii BD, legăturile dintre entităţile BD, se definesc eventuale criterii de validare a datelor, metode de acces la date, aspecte referitoare la asigurarea integrităţii şi confidenţialităţii datelor. Tot în cadrul acestei funcţii se descriu detaliile privitoare la distribuirea datelor şi la fragmentarea acestora. Rezultatul celor expuse în cadrul acestei funcţii este catalogul BDD.

– funcţia de manipulare a datelor: realizează următoarele activităţi: crearea BD,

actualizarea şi interogarea/extragerea datelor;

– funcţia de utilizare asigură mulţimea interfeţelor necesare pentru comunicarea tuturor utilizatorilor cu baza de date;

– funcţia de administrare a BD este de competenţa administratorului BD;

– funcţia de transport: realizează accesarea staţiilor îndepărtate, transmiterea datelor prin

reţea;

– funcţia de optimizare a cererilor distribuite: optimizarea se face pe baza informaţiilor conţinute în catalogul BDD.

6.3. Arhitectura de referinţă a SGBDD

Spre deosebire de cazul SGBD centralizate unde există o arhitectură general acceptată, în cazul SGBD distribuite este mai dificil de prezentat o asemenea arhitectură dată fiind diversitatea SGBDD. Arhitectura propusă de raportul ANSI/SPARC este cea mai larg răspândită. Această arhitectură este una multinivel pentru a realiza unul din principalele obiective ale SGBDD, şi anume transparenţa distribuţiei.


HIDROEOL

RST


Schema globală Schema fragmentării nivelul global Schema de alocare Schema Schema . . .

locală 1 locală 2 alte staţii SGBD 1 SGBD 2 nivelul local BD 1 BD 2

Fig. 6.3.1. Arhitectura SGBDD.

Această arhitectură nu este implementată explicit în toate SGBDD dar nivelele ei prezentate conceptual ne ajută să înţelegem modul de organizare a BDD.

Nivelul global permite integrarea BDL într-o BD globală prin intermediul schemei globale, schemei fragmentării şi schemei de alocare. • Schema globală este o descriere a BDD, descrierea fiind asemănătoare cu cea a unei BD

centralizate. Pentru a putea înţelege mai bine semnificaţia celorlalte două scheme din cadrul acestui nivel

vom utiliza în continuare modelul relaţional, cel mai utilizat model în domeniul bazelor de date. În cadrul modelului relaţional, schema globală este descrisă de un set de relaţii globale.

• Fiecare relaţie globală poate fi împărţită în mai multe părţi disjuncte numite fragmente. Corespondenţa între o relaţie globală şi fragmente este definită de schema de fragmentare. Această corespondenţă este de tipul “unul la mulţi” (mai multe fragmente corespund unei relaţii globale dar numai o relaţie globală corespunde unui fragment).


HIDROEOL

RST


• Fragmentele sunt porţiuni logice ale relaţiilor globale care pot fi alocate fizic pe una sau mai multe staţii ale reţelei. Schema de alocare defineşte INSTITUŢIA sau staţiile unde sunt alocate fragmentele. Maniera de definire a schemei de alocare determină dacă BDD este redundantă sau neredundantă. Toate fragmentele care corespund aceleiaşi relaţii globale şi sunt situate pe aceeaşi staţie constituie imaginea fizică a relaţiei la INSTITUŢIA respectivă, fiecare fragment fiind o copie a fragmentului definit în schema de fragmentare. Două imagini fizice ale unei relaţii globale la staţii diferite pot fi identice.

Nivelul local permite tratarea fiecărei BDL ca o bază de date centralizată. La acest nivel este necesară realizarea corespondenţei între imaginea fizică şi obiectele manipulate de SGBD locale. Acest lucru este realizat de schema locală de reprezentare a datelor care depinde de tipul de SGBD local.

6.4. SGBDD omogene şi eterogene

O caracteristică importantă a SGBDD este omogenitatea sau eterogenitatea acestora. SGBDD este omogen atunci când toate SGBDD locale sunt de acelaşi fel. Un SGBDD eterogen implică existenţa a cel puţin două SGBDD locale diferite. Sistemele omogene sunt mai uşor de proiectat şi au unele avantaje, cum ar fi: adăugarea de noi staţii sistemului se poate face uşor, se măreşte performanţa exploatând posibilitatea procesării paralele pe mai multe staţii. Sistemele eterogene rezultă, de obicei, când staţii individuale îşi implementează propriile BD, de abia mai târziu punându-se problema integrării lor într-un singur sistem. Comunicarea între SGBD-uri este esenţială. Sistemele eterogene trebuie să asigure transparenţa SGBD, aceasta echivalând cu faptul că un utilizator poate face cereri în limbajul SGBD local. După ce o cerere este făcută sistemul are sarcina localizării datelor şi a efectuării tuturor translaţiilor necesare. Datele necesare satisfacerii cererii pot fi localizate la o staţie care poate avea:

- hardware diferit; - aplicaţii diferite ale SGBD; - şi una şi alta. Dacă diferă hardware-ul dar SGBD sunt identice atunci translaţiile implică schimbări de

coduri şi lungimi de cuvinte. Dacă hardware-ul este identic dar SGBD diferă atunci translaţiile sunt mai complicate, implicând transformarea logică a unui model de date într-un alt model de date (de exemplu, relaţiile din modelul relaţional devin înregistrări şi realizări în modelul relaţional). Poate fi necesară chiar şi traducerea cererilor dintr-un limbaj în altul. Soluţia folosită de SGBDD eterogene este o multitudine de porţi (gateways) care traduc limbaje şi transformă modele.

6.5. Transparenţe în cadrul SGBDD Un sistem distribuit poate oferi diferite nivele de transparenţă. În orice caz, toate aceste nivele au ca obiectiv “centralizarea” BDD (pentru utilizator). Se pot identifica patru tipuri de transparenţă în cazul sistemelor distribuite:

- transparenţa distribuţiei;


HIDROEOL

RST


- transparenţa tranzacţiilor; - transparenţa performanţei; - transparenţa SGBD.

Transparenţa distribuţiei

Transparenţa distribuţiei permite utilizatorului să perceapă BD ca o entitate logic independentă. Dacă SGBDD oferă această transparenţă utilizatorul nu are nevoie să cunoască detalii despre fragmentarea (transparenţa fragmentării) sau despre localizarea datelor (transparenţa localizării).

• Transparenţa fragmentării este cel mai înalt grad de transparenţă şi se referă la faptul că utilizatorii sau programatorii aplicaţiilor lucrează pe relaţiile globale.

• Transparenţa localizării este un nivel de transparenţă mai scăzut şi presupune că utilizatorii cunosc detalii despre fragmentare dar nu cunosc unde sunt localizate datele. Principalul avantaj al transparenţei localizării este acela că BDD poate fi fizic reorganizată fără a afecta programele de aplicaţie care o accesează. Separarea conceptului de fragmentare de conceptul de alocare (localizare) este util în proiectarea BDD pentru că în acest fel determinarea fragmentelor relevante este delimitată de problema alocării optime a datelor. Un alt tip de transparenţă legat de transparenţa localizării este transparenţa replicării, care se referă la faptul că utilizatorii nu au informaţii despre replicarea fragmentelor, sistemul fiind cel responsabil cu menţinerea consistenţei BD.

• Pentru a oferi transparenţa denumirii (denumirea diferitelor părţi din BD de pe diferite staţii să fie diferite) una din staţiile sistemului trebuie să-şi asume rolul de server de nume, a cărui responsabilitate este să asigure unicitatea numelor în sistem. Dacă sistemul oferă această transparenţă apar câteva dezavantaje, cum ar fi:

- scăderea autonomiei locale; - scăderea performanţei dacă serverul de nume este inundat cu cereri; - reducerea disponibilităţii dacă serverul de nume cade, staţiile rămase active nu

pot crea noi părţi ale BD. O alternativă la serverul de nume ar fi ca fiecare staţie să numească părţile BD stocate

acolo cu un prefix propriu (de exemplu, adresa staţiei).

Transparenţa tranzacţiilor Transparenţa tranzacţiilor într-un SGBDD asigură menţinerea integrităţii şi consistenţei BDD în cazul tranzacţiilor distribuite. O tranzacţie distribuită accesează date localizate pe mai multe staţii. Fiecare tranzacţie este împărţită într-un număr de sub-tranzacţii, câte una pentru fiecare staţie care trebuie accesată. SGBDD trebuie să asigure sincronizarea sub-tranzacţiilor cu tranzacţiile locale de la o anumită staţie precum şi sincronizarea sub-tranzacţiilor cu alte sub-tranzacţii. Transparenţa tranzacţiilor este complicată de fragmentare, alocare şi duplicare. Vom prezenta două aspecte ale transparenţei tranzacţiilor: transparenţa concurenţei şi transparenţa căderilor de sistem.

• Transparenţa concurenţei Dacă rezultatele tuturor tranzacţiilor concurente (distribuite sau nedistribuite) coincid cu rezultatul aceloraşi tranzacţii executate însă serial, într-o oarecare ordine, spunem că sistemul oferă transparenţa concurenţei. Asigurarea acestei transparenţe este îngreunată de faptul că tranzacţiile locale sau globale nu trebuie să interfereze unele cu celelalte. În acelaşi timp SGBDD trebuie să asigure consistenţa tuturor sub-tranzacţiilor tranzacţiilor globale. Duplicarea face problema concurenţei una şi mai grea. Dacă o dată care este duplicată este actualizată atunci actualizarea trebuie făcută tuturor copiilor. Cu cât sunt mai


HIDROEOL

RST


multe copii probabilitatea ca tranzacţia să se încheie cu succes scade exponenţial. Dacă unele staţii care conţin copii ale datelor ce trebuie actualizate nu sunt accesibile atunci în momentul în care devin accesibile trebuie să-şi actualizeze propriile copii. • Transparenţa căderilor de sistem

SGBDD trebuie să asigure un mecanism de regăsire (recuperare) a datelor în caz că apar unele defecţiuni în sistem. Pentru aceasta tranzacţiile sunt considerate atomice (sau toate operaţiile presupuse de acea tranzacţie sunt executate sau nici una dintre ele). În consecinţă, dacă o tranzacţie s-a realizat atunci schimbările sunt permanente. Iată câteva din defecţiunile ce pot surveni: erori de programare, dezastre naturale, sabotaje, pierderi de mesaje, căderi ale unor linii de comunicaţie, căderea unei staţii, partiţionarea reţelei etc.

Transparenţa performanţei

Transparenţa performanţei solicită din partea SGBDD ca acesta să lucreze ca un sistem centralizat. Într-un mediu distribuit performanţa unui sistem nu trebuie să scadă din cauza arhitecturii distribuite. Transparenţa performanţei înseamnă, totodată, că SGBDD trebuie să determine strategia cea mai bună (din punct de vedere al costurilor) pentru a executa o cerere distribuită.

Transparenţa SGBDD

Transparenţa SGBDD ascunde faţă de utilizator faptul că SGBDD locale pot fi diferite. În consecinţă, această transparenţă poate fi oferită doar de sistemele eterogene.

6.6. Proiectarea BDD Modul de distribuire a informaţiilor în cadrul BDD se bazează pe: fragmentarea (partiţionarea) datelor şi replicarea datelor. 6.6.1. Fragmentarea datelor Din punct de vedere al modelului relaţional, descompunerea unei relaţii globale în fragmente poate fi realizată aplicând două tipuri de fragmentare:

- fragmentarea orizontală – are ca rezultat relaţii cu aceeaşi structură, conţinând o parte din tuplurile iniţiale;

- fragmentarea verticală – are ca rezultat relaţii care au ca structură o parte din atributele iniţiale;

Fig. 6.6.1. Fragmentare orizontală.


HIDROEOL

RST


Fig. 6.6.2.. Fragmentare verticală.

- fragmentare mixtă.

1 2 3

4

Fig. 6.6.2. Fragmentare mixtă.

Există câteva reguli care trebuie respectate în definirea fragmentelor: - Condiţia de completitudine: întreaga relaţie globală trebuie partajată în fragmente. Cu

alte cuvinte, un articol care aparţine relaţiei globale care se fragmentează nu se poate să nu aparţină nici unui fragment.

- Condiţia de reconstrucţie: în orice moment trebuie să fie posibil să reconstruim relaţia

globală din fragmentele ei.

- Condiţia de disjuncţie: este util ca fragmentele să fie disjuncte pentru ca astfel replicarea datelor să poată fi controlată explicit la nivelul alocării datelor.

6.6.2. Replicarea datelor O bază de date este replicată dacă există mai multe copii ale aceloraşi informaţii. Din punct de vedere al replicării, o BD poate fi:

- nereplicată – atunci când în sistem există o singură copie asignată unui nod şi care rezidă numai pe acel nod.

- parţial replicată – atunci când există informaţii care sunt replicate şi informaţii care nu sunt replicate.

- complet replicată – atunci când întreaga BD este în întregime replicată pe una sau mai multe staţii.

Tehnicile de replicare şi fragmentare pot fi aplicate succesiv pe aceeaşi relaţie. Astfel, un

fragment poate fi replicat iar unităţile replicate pot fi fragmentate.


HIDROEOL

RST


6.7. Etapele proiectării BDD Comparativ cu proiectarea BD centralizate, proiectarea BDD este un proces mai complex. Stadiile care trebuiesc parcurse ar fi:

- proiectarea schemei globale; - proiectarea schemei fizice; - proiectarea fragmentării; - proiectarea alocării.

Tehnica de abordare a proiectării schemelor globală şi fizică a BDD este asemănătoare cu

cea utilizată în cazul BD centralizate. Specifice BDD sunt problemele legate de proiectarea fragmentării şi alocării datelor, probleme ce vor fi discutate în capitolele următoare.

Indiferent de modul de abordare, proiectarea BDD urmăreşte realizarea următoarelor obiective specifice:

Procesarea locală a datelor. Maximizarea procesării locale a datelor corespunde principiului simplu de a plasa datele cât mai aproape de aplicaţiile care le solicită. Acest lucru presupune determinarea numărului de accese locale şi a numărului de accese la distanţă pentru fiecare fragment candidat şi fragment alocat şi alegerea acelui mod de distribuire a datelor care maximizează numărul de accese locale. Avantajul execuţiei complet locale a aplicaţiei este dat nu numai de reducerea numărului de accese la distanţă ci şi de simplificarea controlului în execuţia aplicaţiei.

Siguranţa şi disponibilitatea datelor. Un grad ridicat de siguranţă şi disponibilitate a datelor

este asigurat prin replicarea datelor pe mai multe staţii. Sistemul poate să treacă la o copie alternativă atunci când cea care trebuie să fie accesată în condiţii normale nu este disponibilă.

Procesarea paralelă a datelor. Distribuirea bazelor de date oferă posibilitatea de a beneficia eficient de capacităţile procesoarelor din fiecare staţie pentru a maximiza gradul de paralelism în execuţia aplicaţiilor. În acelaşi timp, procesarea în paralel afectează negativ procesarea locală a datelor. Proiectarea BDD trebuie să asigure un raport optim între cele două tipuri de procesări. 6.8. Proiectarea fragmentării Înainte de a distribui datele, proiectarea fragmentării datelor determină modul în care relaţiile globale vor fi divizate în unităţi logice care vor fi distribuite. Iată câteva motive pentru fragmentare: Utilizarea: în general, aplicaţiile lucrează doar cu anumite părţi ale unor relaţii. Eficienţă: datele vor fi memorate acolo unde sunt cele mai frecvent solicitate (dacă anumite date nu sunt solicitate de aplicaţiile locale ale unei staţii atunci nu vor fi memorate pe acea staţie). Paralelism: fragmentele fiind unităţile distribuţiei, o tranzacţie va putea fi împărţită în mai multe subtranzacţii care să opereze pe fragmente. Securitate: date care nu sunt solicitate de aplicaţii locale nu sunt memorate pe respectivele staţii, accesul diferiţilor utilizatori fiind astfel restrâns. Există şi dezavantaje ale fragmentării: Performanţa: va scădea performanţa aplicaţiilor care solicită date de la mai multe fragmente memorate pe staţii diferite.


HIDROEOL

RST


Integritatea: controlul integrităţii va deveni o problemă complexă în cazul în care un fragment va fi memorat pe mai multe staţii. Ne vom ocupa în continuare de cele trei tipuri de fragmentări: orizontală, verticală şi mixtă. 6.8.1. Fragmentarea orizontală Fragmentarea orizontală se realizează prin selecţii ale relaţiilor globale şi se bazează pe determinarea proprietăţilor logice ale datelor şi proprietăţilor statistice cum ar fi numărul de referinţe ale aplicaţiilor la fragmente. Un fragment orizontal constă dintr-un subset de tuple ale unei relaţii globale, deci are aceeaşi structură ca aceea a relaţiei globale din care provine. Tuplele care vor aparţine aceluiaşi fragment sunt alese specificând o condiţie care va implica unul sau mai multe atribute ale relaţiei. Aceste condiţii vor fi numite predicatele fragmentării sau calificări. Fragmentele orizontale vor fi rezultatele unor operaţii de selecţie folosind aceste codificări: FOi=σCi(R) unde σ este simbolul selecţiei, iar ci este predicatul i. Fragmentarea orizontală corectă a unei relaţii cere ca fiecare tuplu al relaţiei globale să fie selectat în unul şi numai unul din fragmente. Apare astfel necesitatea determinării unui set complet de predicate disjunctive. Pentru a arăta cum se realizează fragmentarea orizontală vom considera următoarea relaţie: PERS (MARCA, NUME, SAL, FUNCT, NR_DEPT),

reprezentată pe tupluri astfel:

MARCA NUME SAL FUNCT NR_DEPT m1 n1 s1 EC 1 m2 n2 s2 P 2 m3 n3 s3 P 1 m4 n4 s4 ING 1 m5 n5 s5 P 2

Vom introduce următoarele definiţii: 1. Un predicat simplu este un predicat de tipul:

Atribut = Valoare (FUNCT = “P”). 2. Un predicat minterm Y pentru un set P de predicate simple este un predicat obţinut prin

conjuncţia tuturor predicatelor din P, considerate în forma naturală sau negată, astfel încât Y să nu fie contradicţie:

Y = Λ∈ Ppi

pi* unde: (pi* = pi sau pi* = not pi şi y ≠ fals).

3. Un fragment este un set de tupluri selectate cu ajutorul unui predicat minterm. 4. Un predicat simplu pi este relevant în raport cu un set de predicate simple P dacă există cel puţin

două predicate minterm aparţinând lui P ale căror expresii diferă numai în predicatul pi. Referindu-ne la exemplul ales să presupunem că există o serie de aplicaţii care cer numai date

referitoare la angajaţii care sunt programatori. Două predicate simple pentru acest exemplu sunt: NR_DEPT = 1 şi FUNCT = ”P”. Predicatele minterm ce pot fi construite pentru acest set de predicate sunt:


HIDROEOL

RST


NR_DEPT = 1 AND FUNCT = “P” NR_DEPT = 1 AND FUNCT NOT = “P” NR_DEPT NOT = 1 AND FUNCT = “P” şi NR_DEPT NOT = 1 AND FUNCT NOT = “P”. Predicatele NR_DEPT=1 şi FUNCT=”P” sunt relevante în raport cu setul de predicate minterm construit. Predicatul SAL>0 nu este relevant pentru predicatele minterm construite deoarece nu contribuie la fragmentare. Fie P={P1, P2,..., Pn} un set de predicate simple. Pentru ca P să realizeze corect şi eficient fragmentarea trebuie să fie complet şi minimal:

- spunem că P este complet dacă şi numai dacă oricare două tupluri aparţinând aceluiaşi fragment sunt referite cu aceeaşi probabilitate de orice aplicaţie;

- spunem că P este minimal dacă toate predicatele sunt relevante. Iată o metodă care are ca rezultat o fragmentare orizontală corectă şi eficientă:

Pas1 – fie p1 un predicat care partiţionează tuplurile relaţiei R în două părţi care sunt referite diferit de cel puţin o aplicaţie. Fie P={p1}; Pas2 – considerăm un nou predicat simplu pi care partiţionează unul din fragmentele rezultate până acum în două părţi care sunt referite diferit de cel puţin o aplicaţie. Fie P=P U {pi}; Pas3 – eliminăm predicatele din P care, prin adăugarea lui pi, au devenit nerelevante; Pas4 – dacă P nu este complet se reia de la P2. Determinarea unui set de predicate complet şi minimal poate fi destul de dificilă în anumite cazuri. În aceste situaţii putem realiza o fragmentare rezonabilă prin concentrarea asupra câtorva aplicaţii mai importante şi nesepararea fragmentelor care au caracteristici asemănătoare. În anumite cazuri, fragmentarea orizontală a unei relaţii nu se bazează pe proprietăţile atributelor relaţiei respective, ci este derivată din fragmentarea orizontală a altei relaţii, motiv pentru care se va numi fragmentare orizontală derivată. Să considerăm următoarele relaţii globale: UTILAJ (CODUT, DENUT, LOC), EXPERIM (DATA, CODUT, CODEXP, CANTENERGIE). Relaţia EXPERIM trebuie partiţionată astfel încât fiecare fragment să conţină tuplurile referitoare la clienţii dintr-o anumită localitate (vom presupune că sunt doar două localităţi implicate: CJ şi BV). Dar LOC nu este un atribut al relaţiei EXPERIM, ci al relaţiei UTILAJ. În acest caz este necesară o operaţie de semijoncţiune pentru a determina tuplurile din relaţia EXPERIM care corespund clienţilor dintr-o localitate dată. Vom fragmenta orizontal relaţia UTILAJ pe baza atributului LOC: UTILAJ1 = σLOC=”BV” (UTILAJ) UTILAJ2 = σLOC=”CJ” (UTILAJ) Fragmentarea orizontală derivată a relaţiei EXPERIM poate fi definită astfel: EXPERIM1 = EXPERIM ⋈CODUT=CODUT UTILAJ1 EXPERIM2 = EXPERIM ⋈CODUT=CODUT UTILAJ2 Considerând că în urma fragmentării unei relaţii R au rezultat fragmentele FOi, i=1,n, relaţia poate fi reconstruită executând operaţia de reuniune a fragmentelor:

R = Un

1i=FOi .


HIDROEOL

RST


6.8.2. Fragmentarea verticală Fragmentarea verticală a unei relaţii R se realizează prin operaţii de proiecţie a relaţiei pe seturi de atribute care sunt referite în acelaşi fel în cadrul aplicaţiilor. Un fragment vertical constă dintr-un subset de atribute ale unei relaţii globale R şi este obţinut astfel: FVi = πLi (R), unde Li este o listă de atribute: a1, a2,..., am. Condiţia de corectitudine pentru fragmentarea verticală este ca fiecare atribut al relaţiei R să aparţină cel puţin unui fragment. Pentru a permite reconstrucţia relaţiei originale este necesară existenţa unui atribut special care să permită joncţiunea fragmentelor obţinute: R = FV1 ⋈ FV2 ⋈... ⋈ FVn. Acest atribut special poate fi cheia relaţiei, însă dat fiind faptul că această cheie nu este întotdeauna simplă, de dimensiuni mici, este de preferat existenţa unui identificator de tuplu. Este foarte important ca acest atribut să nu fie “vizibil” pentru utilizatori. Dacă utilizatorii au acces la identificatorul de tuplu, sistemul nu mai poate schimba adresa acestui identificator. Accesul utilizatorilor la adresele interne violează noţiunea de independenţă a datelor. Obţinerea fragmentelor verticale se poate face prin două metode: partiţionarea atributelor sau gruparea acestora. Partiţionarea atributelor În acest caz fragmentele verticale obţinute sunt aproape disjuncte, având în comun doar cheia relaţiei. O metodă de partiţionare este stabilirea afinităţii atributelor. Această metodă produce fragmente verticale unde singurele atribute care se repetă sunt cele ale cheii. Având în vedere că aceste atribute apar peste tot le excludem din analiza următoare care va determina afinitatea. Iată metoda care partiţionează atributele unei relaţii R: P1. pentru fiecare aplicaţie care accesează relaţia R vom construi o matrice după următorul

exemplu: - fie R (a1, a2, a3, a4, a5, CHEIA) - fie o aplicaţie care accesează CHEIA, a1, a2, a4 - construim matricea triunghiulară:

a1 a2 a3 a4 a5

a1 1 0 1 0 a2 0 1 0 a3 0 0 a4 0 a5


HIDROEOL

RST


Matricea este triunghiulară deoarece diagonala nu trebuie completată iar jumătatea de sub diagonală este imaginea în oglindă a celeilalte jumătăţi. 1 reprezintă faptul că perechile de atribute corespunzătoare sunt implicate în aceeaşi tranzacţie.

P2. în toate matricile vom înlocui 1 cu frecvenţa fiecărei tranzacţii corespunzătoare. P3. efectuăm suma tuturor matricilor, iar matricea sumă o vom numi matricea de afinitate. P4. stabilim fragmentele verticale ţinând cont de faptul că perechile cu afinitate mare în matricea

de afinitate trebuie să apară în acelaşi fragment iar cele cu afinitate mică trebuie separate. Gruparea atributelor

Prin grupare, atributele relaţiei globale sunt succesiv agregate pentru a construi fragmente. Gruparea atributelor introduce replicarea în cadrul fragmentelor. În aceste condiţii este important ca atributele replicate să fie rar sau deloc actualizate. Revenind la relaţia PERS definită mai sus să considerăm că există următoarele aplicaţii:

- aplicaţii administrative care necesită informaţii referitoare la nume şi salariu; - aplicaţii referitoare la structura fiecărui departament. Potrivit acestor două tipuri de aplicaţii vom grupa atributele în două fragmente: PERS1 = (MARCA, NUME, SAL) PERS2 = (MARCA, NUME, FUNCT, NR_DEPT) Dacă am fi utilizat partiţionarea trebuia să decidem în care din cele două fragmente va

rămâne atributul NUME. Întrucât atributul NUME este relativ stabil în acest caz este preferabilă utilizarea grupării deoarece partiţionarea ar fi condus la necesitatea ca una dintre aplicaţii să implice realizarea unei joncţiuni şi unei sau mai multor referiri la distanţă. 6.8.3. Fragmentarea mixtă Dacă fragmentarea orizontală sau cea verticală se dovedesc a fi insuficiente se recurge la fragmentarea mixtă care constă în fragmentarea orizontală a unui fragment vertical sau fragmentarea verticală a unui fragment orizontal. Aceste operaţii de fragmentare pot fi repetate recursiv, generând arbori de fragmentare. În general, în practică este bine să avem cel mult două nivele de fragmentare. Este evident că ordinea în care fragmentările verticale sau orizontale sunt aplicate poate afecta rezultatul fragmentării, chiar şi în cazul în care avem doar două niveluri: A1 A2 A3 A4 A5

a) fragmentare verticală urmată de fragmentare orizontală A1 A2 A3 A4 A5

b) fragmentare orizontală urmată de fragmentare verticală

Fig.6.8.3. Fragmentarea mixtă a unei relaţii globale.


HIDROEOL

RST


Pentru a exemplifica proiectarea fragmentării să considerăm următorul set de relaţii globale: SCHEMA GLOBALĂ: PERS (MARCĂ, NUME, SAL, MARCA_ŞEF, NRDEPT); DEPT (NRDEPT, DEN, ARIA, MARCA_ŞEF); UTILAJ (CODUT, DENUT, LOC); EXPERIM (DATA, CODUT, CODP, NRDEPT, CANTENERGIE). Să presupunem că departamentele pot fi grupate după numărul lor în trei categorii iar clienţii provin din două localităţi (CJ, BV). Rezultatul proiectării fragmentării îl constituie schema fragmentării a cărei definiţie o dăm în cele ce urmează: schema fragmentării unei BD este o definire a unui set de fragmente care să includă toate atributele şi toate tuplele BD şi care să permită reconstrucţia întregii BD aplicând asupra fragmentelor o secvenţă de operaţii de reuniune şi de joncţiune. Este foarte avantajos – deşi nu necesar – ca fragmentele să fie disjuncte cu excepţia cheii primare, în cazul fragmentelor verticale sau mixte. Iată SCHEMA FRAGMENTĂRII pentru relaţiile considerate mai sus: PERS1 = σNRDEPT ≤ 10 (Π MARCA, NUME, MARCA_ŞEF, NRDEPT (PERS)); PERS2 = σ10 ≤ NRDEPT ≤ 20 (Π MARCA, NUME, MARCA_ŞEF, NRDEPT (PERS)); PERS3 = σNRDEPT > 20 (Π MARCA, NUME, MARCA_ŞEF, NRDEPT (PERS)); PERS4 = Π MARCA, NUME, SAL, IMP (PERS); DEPT1 = σNRDEPT ≤ 10 (DEPT); DEPT2 = σ10 < NRDEPT ≤ 20 (DEPT); DEPT3 = σNRDEPT > 10 (DEPT); UTILAJ1 = σLOC = “BV” (UTILAJ); UTILAJ2 = σLOC = “CJ” (UTILAJ); EXPERIM1 = EXPERIM ⋈CODUT=CODUT UTILAJ1; EXPERIM2 = EXPERIM ⋈CODUT=CODUT UTILAJ2;

6.9. Proiectarea alocării După definirea fragmentelor se pune problema alocării lor la diferite staţii ale reţelei spre a fi memorate. În funcţie de metodele utilizate, proiectarea alocării poate avea ca rezultat o alocare finală neredundantă sau redundantă. Cea mai simplă metodă de alocare este ca întreaga bază de date să fie memorată pe o singură staţie, toate aplicaţiile ce vor fi rulate de pe alte staţii urmând a accesa la distanţă baza de date. În consecinţă, procesarea locală are foarte mult de suferit. La fel şi disponibilitatea datelor, deoarece în caz că INSTITUŢIA unde este memorată BD suferă o cădere atunci nici o altă staţie nu mai poate rula nici o aplicaţie. O altă metodă care determină o alocare neredundantă este metoda celei mai bune alegeri (1) care constă în comensurarea fiecărei alocări posibile şi alegerea staţiei cu cea mai bună măsură pentru fiecare fragment. Această metodă elimină posibilitatea plasării unui fragment la o anumită staţie dacă un fragment înrudit este deja alocat la INSTITUŢIA respectivă.


HIDROEOL

RST


În cazul alocării redundante replicarea datelor măreşte complexitatea proiectării deoarece: - gradul de replicare al fiecărui fragment devine o variabilă a problemei, - realizarea acceselor de citire este complicată de faptul că aplicaţiile trebuie să selecteze,

din mai multe alternativ, staţiile pentru a accesa fragmentele.

6.10. Cereri distribuite

Un utilizator global interacţionează cu o BDD de aceeaşi manieră cu care ar interacţiona cu o BD centralizată. El îşi exprimă cererile sale (de la terminale on-line sau prin aplicaţii) sub formă de tranzacţii globale. Pentru a înţelege mai bine cum sistemul răspunde unei cereri distribuite dăm în continuare următoarea schemă:

Dicţionarul Sistemului

Distribuit

Tranzacţii Răspunsuri locale locale . . .

Fig.8.10. Execuţia unei cereri distribuite.

Utilizator global

Evaluare / descompunere DSD

Supervizorul execuţiei distribuite

Adaptare Adaptare

SGBD local 1 SGBD local n

Utilizator local

Utilizator local BDL1 BDLn


HIDROEOL

RST


Tranzacţiile globale sunt evaluate şi descompuse, prin intermediul informaţiilor conţinute în dicţionarul sistemului distribuit, în cereri care se referă la fragmente ale relaţiilor globale, numite cereri fragment. Cea mai simplă cale pentru a realiza această transformare este de a substitui relaţiile globale care apar în cererea globală cu expresiile de fragmentare corespunzătoare, inversate. Cererile rezultate vor opera asupra fragmentelor şi vor alcătui expresia canonică a cererii iniţiale. Aceste cereri sunt transmise supervizorului execuţiei distribuite. Acesta are rolul de a transmite fiecare cerere nodului pe care se află BDL pe care trebuie să o interogheze şi, pe de altă parte, de a primi răspunsurile de la diversele BD interogate şi a forma răspunsul pentru tranzacţia globală. Deoarece diversele BDL pot avea sisteme de gestiune diferite şi, mai mult, calculatoarele din reţea pot fi neomogene este necesară realizarea unei adaptări, a fiecărui fragment al cererii globale, conformă cu protocolul fiecărui sistem de operare şi fiecărui SGBD specific din fiecare nod. După adaptarea cererii la standardele cerute de SGBD nodului local acesta va trata cererea ca pe orice cerere locală. Cererile care formează expresia canonică a cererii globale pot fi executate direct dar, în general, aceasta este o metodă ineficientă de a răspunde unei cereri. Din acest motiv expresia canonică trebuie modificată prin aplicarea succesivă a unor transformări echivalente. Având mai multe cereri echivalente se pune problema alegerii celei mai profitabile dintr-un punct de vedere, în general din punct de vedere al cantităţii de date transferate prin reţea, implicit al costului transferului acestor date. Pentru exemplificare să considerăm că relaţiile PERS şi DEPT sunt distribuite ca în Fig. 9.: INSTITUŢIA 1: PERS:

MARCĂ NUME SAL MARCĂ_ŞEF NRDEPT 10 bytes 30 bytes 10 bytes 10 bytes 5 bytes

5000 angajaţi * 65 bytes = 325000 bytes INSTITUŢIA 2: DEPT:

NRDEPT DEN ARIA MARCĂ_ŞEF 5 bytes 20 bytes 10 bytes 10 bytes

50 departamente * 45 bytes = 2250 bytes

Fig. 8.10a. Exemplu. Presupunem că relaţiile nu sunt fragmentate. Să considerăm următoarea cerere: “Pentru fiecare angajat să se găsească numele său precum şi al departamentului în care lucrează”. Utilizând limbajul algebrei relaţionale această cerere poate fi formulată astfel: πNUME, DEN (PERS ⋈NRDEPT=NRDEPT DEPT) Rezultatul acestei cereri va avea 5000 de înregistrări lungi de câte 50 bytes fiecare (30+20). Presupunând că această cerere este formulată la INSTITUŢIA 3 putem adopta una din următoarele strategii: 1. transferăm relaţiile PERS şi DEPT la INSTITUŢIA 3; astfel vom transfera 325000 + 2250 =

327250 bytes;


HIDROEOL

RST


2. transferăm PERS la INSTITUŢIA 2, executăm cererea pe acea staţie şi transferăm rezultatul la INSTITUŢIA 3; mărimea rezultatului fiind 5000*50=250000 rezultă că, în total, transferăm 325000+250000=575000 bytes;

3. transferăm relaţia DEPT la INSTITUŢIA 1, executăm cererea acolo şi transferăm rezultatul la INSTITUŢIA 3; în acest caz transferăm 2250+250000=252250 bytes.

Dacă minimizarea transferului de date este criteriul de optimizare vom alege strategia 3. Presupunând că cererea a fost formulată la INSTITUŢIA 2 putem alege una din următoarele strategii: 1. transferăm PERS la INSTITUŢIA 2 şi executăm cererea acolo, total transfer = 325000 bytes; 2. transferăm DEPT la INSTITUŢIA 1, executăm cererea acolo şi întoarcem rezultatul la

INSTITUŢIA 2: total transfer = 2250+250000=252250 bytes. O strategie mai complexă, care uneori dă rezultate mai bune foloseşte o operaţie numită

semijoncţiune. Vom discuta de spre semijoncţiune într-unul din subcapitolele următoare. În continuare vom prezenta câteva criterii euristice pentru a simplifica expresiile cererilor.

6.11. Tehnici de reprezentare a cererilor O cerere globală poate fi exprimată utilizând diferite limbaje bazate pe algebra relaţională sau pe calculul relaţional. Una din tehnicile cele mai utilizate pentru a reprezenta o expresie algebrică relaţională este reprezentarea arborescentă. Arborele cererii este o reprezentare grafică a operaţiilor şi operanzilor care apar într-o expresie algebrică. Relaţiile sunt reprezentate în nodurile frunză iar operaţiile în nodurile interne. În execuţia cererii, un nod intern poate fi executat atunci când operanzii săi sunt disponibili. După execuţie, nodul este înlocuit cu rezultatul operaţiei. Nodul rădăcină este ultimul executat şi este înlocuit cu rezultatul final. Dacă se utilizează calculul relaţional, arborele cererii este înlocuit de graful cererii. În nodurile grafului sunt reprezentate constantele şi atributele relaţiei. Este permisă repetarea atributelor care apar în mai mult de o relaţie. Pe liniile care leagă nodurile atribut sunt reprezentate condiţiile de joncţiune iar pe liniile care leagă o constantă de un atribut sunt reprezentate condiţiile de selecţie. Pentru exemplificare să considerăm C1 cererea pentru codurile clienţilor pentru care s-au livrat produse în cadrul departamentelor situate în zona de nord. C1: πCODUT (σARIA=”NORD” (EXPERIM ⋈NRDEPT=NRDEPT DEPT)). Un exemplu de arbore pentru cererea C1 este:

πCODUT

σARIA=”NORD”

⋈NRDEPT=NRDEPT

EXPERIM DEPT

Fig.10. Arbore pentru C1


HIDROEOL

RST


Acest arbore defineşte o ordine parţială de execuţie a operaţiilor. În cazul nostru se aplică mai întâi joncţiunea, urmată de selecţie şi apoi de proiecţie. O altă ordine de execuţie a operaţiilor, care corespunde reprezentării arborescente din Fig.11., ar fi: selecţia aplicată relaţiei DEPT, joncţiunea şi proiecţia:

πCODUT

⋈NRDEPT=NRDEPT

EXPERIM σARIA=”NORD”

DEPT

Fig.11. Arbore pentru C1.

Această inversare în ordinea de execuţie a nodurilor corespunde unei transformări echivalente.

6.12. Expresia canonică a cererii globale Cererea globală poate fi descompusă în cereri fragment prin substituirea relaţiilor globale cu expresiile de fragmentare corespunzătoare, obţinându-se astfel expresia canonică a cererii globale. Reprezentarea arborescentă a cererilor fragment se obţine din reprezentarea arborescentă a cererii globale substituind relaţiilor globale expresiile corespunzătoare schemei de fragmentare inversate. Astfel, nivelele arborelui expresiei canonice sunt fragmente şi nu relaţii globale. Iată arborele corespunzător cererilor fragment pentru cererea C1:

πCODUT

⋈NRDEPT=NRDEPT

U σ

(*) [ EXPERIM1: [EXPERIM2: CODUT=UTILAJ.CODUT CODUT=UTILAJ.CODUT AND UTILAJ.LOC=”BV” ] AND UTILAJ.LOC=”CJ” ] U [DEPT1: [DEPT2: [DEPT3: NRDEPT≤10] 10<NRDEPT≤20] NRDEPT>20]

Fig.12. Forma canonică a cererii C1


HIDROEOL

RST


În reprezentarea fragmentelor s-au utilizat simbolurile algebrei calificate care vor fi prezentate în secţiunea următoare. Expresia canonică este o modalitate conservatoare de prelucrare a cererilor care presupune colectarea fragmentelor relaţiilor globale şi constituirea unor relaţii temporare. În general, prelucrarea directă a expresiei canonice este ineficientă. Fiind o expresie globală algebrică, expresia canonică a cererii globale poate fi supusă transformărilor echivalente din algebra relaţiilor calificate. Se pot obţine astfel cereri distribuite echivalente dar mult mai eficiente din punct de vedere al execuţiei.

6.13. Criterii de simplificare a cererilor distribuite Folosind transformările de mai sus putem schimba ordinea de execuţie a operaţiior, obţinând cereri echivalente dar mai eficiente în sensul reducerii costurilor de acces, a costurilor de prelucrare şi memorare a rezultatelor. Criteriile generale de simplificare a cererilor distribuite urmăresc reducerea dimensiunii (cardinalitate) rezultatelor intermediare. În acest sens schimbarea ordinii de execuţie a operaţiilor joacă un rol foarte important. Criteriul 1: Realizarea operaţiilor de selecţie şi proiecţie cât mai devreme posibil. Acest criteriu este util ţinând cont de faptul că atât selecţia cât şi proiecţia acţionează ca reducători ai numărului de tuple dintr-o relaţie. Aplicându-le cât mai devreme reducem din timp cardinalitatea relaţiilor implicate în cerere. Dacă aplicăm acest criteriu pentru cererea C1 folosind distribuţia selecţiei şi proiecţiei în raport cu uniunea şi joncţiunea obţinem următorul arbore de execuţie:

πCODUT

⋈NRDEPT=NRDEPT

U U ΠCODUT,NRDEPT ΠCODUT,NRDEPT ΠNRDEPT ΠNRDEPT

ΠNRDEPT EXPERIM1 EXPERIM2 σARIA=”NORD” σARIA=”NORD” σARIA=”NORD” DEPT1 DEPT2 DEPT3

Fig.6.13. Arborele cererii C1


HIDROEOL

RST


Calificările sunt utile pentru a elimina fragmentele care nu sunt implicate în cerere. Atunci când se produce după o selecţie sau o joncţiune calificarea va conţine o conjuncţie de predicate. Această calificare poate fi contradictorie (de exemplu: NRDEPT=15 AND NRDEPT ≤ 10). Relaţiile care au calificări contradictorii sunt nule şi trebuie eliminate. Prezentăm câteva transformări echivalente în care este implicată o relaţie nulă. σF (φ) = φ φ - R = φ ΠA (φ) = φ R ⋈F φ = φ R x φ = φ φ ⋈F R = φ R ∪ φ = R φ ⋈F φ = φ R - φ = R Criteriul 2: Substituirea rezultatului selecţiei cu relaţia vidă dacă calificarea rezultatului este contradictorie. Criteriul 3. Utilizarea algebrei relaţiilor calificate pentru a evalua calificarea operanzilor de joncţiune. Substituirea subarborilor, incluzând joncţiunea şi operanzii săi cu relaţia vidă dacă calificarea rezultatului este contradictorie. Ultimele două criterii sunt utile pentru a simplifica fragmentarea orizontală şi joncţiunea între fragmente orizontale.

6.13.1. Simplificarea relaţiilor fragmentate orizontal Vom prezenta acest tip de simplificare cu un exemplu. Să considerăm cererea C2 asupra relaţiei fragmentate orizontal DEPT: C2 : σNRDEPT=1 (DEPT). Iată forma canonică a acestei cereri:

σNRDEPT=1

U

[DEPT1: [DEPT2: [DEPT3: NRDEPT≤10] 10<NRDEPT≤20] NRDEPT>20]

Fig.6.13.1. Forma canonică a cererii C2

Pentru simplificare vom împinge selecţia în jos în cadrul arborelui pentru a fi distribuită în raport cu uniunea. Calificarea rezultatului selecţiei asupra fragmentelor DEPT2 şi DEPT3 este contradictorie. Conform Criteriului 2 aceste rezultate vor fi substituite cu relaţia vidă. În final vom elimina operaţia de uniune, aceasta având un singur operand diferit de relaţia vidă.


HIDROEOL

RST


Se obţine următorul arbore de execuţie:

σNRDEPT=1

[DEPT1: NRDEPT≤10]

Fig.15. Forma simplificată a cererii C2 Această modalitate de simplificare poate fi aplicată la majoritatea relaţiilor fragmentate orizontal.

6.13.2. Simplificarea relaţiilor fragmentate vertical Simplificarea relaţiilor fragmentate vertical este duală simplificării relaţiilor fragmentate orizontal. Raţionamentul care stă la baza acestei simplificări este de a determina un set de fragmente care să fie suficient pentru a rezolva cererea şi de a elimina toate celelalte fragmente ca şi joncţiunile care nu sunt necesare. Vom prezenta şi acest tip de simplificare printr-un exemplu: fie cererea C3 pentru numele şi salariul angajaţilor. Expresia algebrică a cererii globale este: Simb Arborele corespunzător formei canonice pentru această cerere este:

ΠNUME,SAL

⋈NRDEPT=NRDEPT

[PERS4 : true] U

[PERS1: [PERS2: [PERS3: NRDEPT≤10] 10<NRDEPT≤20]

NRDEPT>20]


Reamintim că relaţia PERS este partiţionată vertical în fragmentul PERS4 (care cuprinde informaţii referitoare la salarizare) şi în al doilea fragment care este partiţionat mai departe orizontal, în funcţie de numărul departamentului. Atributele NUME şi SAL sunt atribute ale fragmentului PERS4. Este posibil, în consecinţă, să răspundem cererii utilizând numai fragmentul PERS4. Arborele anterior va fi simplificat prin eliminarea celorlalte fragmente şi a operatorului de joncţiune.


HIDROEOL

RST


ΠNUME,SAL

[PERS4 : true]

Fig.6.13.2.a. Cererea C3 simplificată.

6.13.1 Simplificarea joncţiunii între relaţiile fragmentate orizontal Să considerăm joncţiunea între două relaţii fragmentate orizontal R şi S. Există două posibilităţi distincte de a realiza joncţiunea:

- prima presupune colectarea tuturor fragmentelor relaţiei R, respectiv S, înainte de realizarea joncţiunii;

- a doua constă în realizarea joncţiunii între fragmente şi apoi colectarea tuturor rezultatelor într-o singură relaţie rezultat; vom numi această metodă joncţiune distribuită.

În general, prima metodă este utilizată atunci când condiţiile fragmentării au un grad ridicat de selecţie. A doua metodă este preferată atunci când joncţiunea implică mai multe perechi de fragmente.

Următorul criteriu permite transformarea unei cereri fără joncţiune distribuită într-o cerere care să fie prelucrată cu ajutorul joncţiunii distribuite. Criteriul 4: Pentru obţinerea unei joncţiuni distribuite, operaţiile de uniune trebuie realizate după joncţiunile pe care dorim să le distribuim. Simplificarea joncţiunii presupune aplicarea acestui ultim criteriu (pentru a distribui joncţiunea), urmată de aplicarea criteriului 3 pentru a elimina joncţiunea între fragmentele care nu au nici o contribuţie la rezultatul final. Fie cererea C4 pentru codul tuturor clienţilor care au cel puţin o livrare. Expresia algebrică a cererii globale este: C4: ΠCODUT (EXPERIM ⋈CODUT=CODUT UTILAJ) Arborele corespunzător formei canonice este:

ΠCODUT

⋈CODUT=CODUT

U U

[EXPERIM1 : [EXPERIM2: [UTILAJ1: [UTILAJ2: CODUT=UTILAJ.CODUT CODUT=UTILAJ.CODUT LOC=”BV”] LOC=”CJ”] AND UTILAJ.LOC=“BV”] AND UTILAJ.LOC=”CJ”]



HIDROEOL

RST


Aplicând criteriul 4 vom împinge cele două uniuni după operaţia de joncţiune, generând astfel patru joncţiuni între fragmente. Aplicând criteriul 3, constatând că două dintre rezultatele acestor joncţiuni sunt vide (au calificările contradictorii: UTILAJ1 ⋈ EXPERIM2, UTILAJ2 ⋈ EXPERIM1), arborele cererii se reduce la următorul:

U

ΠCODUT ΠCODUT

⋈CODUT=CODUT ⋈CODUT=CODUT

[EXPERIM1 : [UTILAJ1: [EXPERIM2: [UTILAJ2: CODUT=UTILAJ.CODUT LOC=”BV”] CODUT=UTILAJ.CODUT LOC=”CJ”] AND UTILAJ.LOC=“BV”] AND UTILAJ.LOC=”CJ”]

Fig.6.13.2.. Joncţiunea distribuită pentru cererea C4

Presupunând că fragmentele cu acelaşi indice sunt plasate la aceeaşi staţie, arborele din figura corespunde unei prelucrări eficiente a cererii deoarece fiecare joncţiune este locală la o staţie.

6.14. Programul de semijoncţiune Semijoncţiunea este o operaţie a algebrei relaţionale care are particularităţi relevante în optimizarea cererilor distribuite. O operaţie de joncţiune poate fi transformată cu ajutorul unui program de semijoncţiune astfel:

- fie echijoncţiunea R ⋈A=B S, unde A şi B sunt atribute sau seturi de atribute ale relaţiei R, respectiv S;

- programul de semijoncţiune este:

S ⋈A=B (R ⋉A=B (ΠB (S))),

unde R ⋉A=B S = ΠAtr(R) (R ⋈A=B S).


HIDROEOL

RST


Iată reprezentarea arborescentă a programului de semijoncţiune:

⋈A=B

⋉A=B

R ΠB

S

Fig.6.14. Reprezentarea arborescentă a programului de semijoncţiune.

Pentru a înţelege intuitiv utilitatea acestui program să presupunem că R şi S sunt situate pe staţii diferite. Executarea programului de semijoncţiune presupune proiecţia relaţiei S după atributul B şi trimiterea rezultatului la INSTITUŢIA unde se află R; aici se va realiza semijoncţiunea iar rezultatul va fi trimis la INSTITUŢIA de origine a lui S, unde se va realiza şi joncţiunea finală. Astfel, numai un subset de tupluri din R va supravieţui operaţiei de semijoncţiune, şi anume numai acelea care vor contribui la rezultatul final al joncţiunii. Acest program reduce numărul de tupluri care vor fi transferate de la o staţie la alta, reducându-se astfel transferul de date în reţea. Utilizarea programului este eficientă doar dacă numărul de tupluri din R implicate efectiv în operaţia de joncţiune este sensibil mai mic decât numărul de tupluri ale lui R. 6.15. Gruparea distribuită şi evaluarea funcţiilor de agregare Aplicaţiile bazelor de date necesită uneori operaţii de acces care nu pot fi exprimate direct în limbajul algebrei relaţionale. Limbajele de interogare pentru BD relaţionale permit formularea unor astfel de cereri complexe care necesită gruparea tuplurilor în subseturi disjuncte care pot fi evaluate utilizând funcţii de agregare. În această secţiune vom prezenta tehnici de prelucrare eficientă a acestor cereri în cadrul BD distribuite. Iată trei exemple de cereri care nu pot fi exprimate direct utilizând algebra relaţională:

- media CANTENERGIEităţilor livrate pentru produsul cu codul “C1” - partiţionarea relaţiei EXPERIM în grupuri care au acelaşi CODUT şi CODP evaluând

pentru fiecare grup suma CANTENERGIEităţilor livrate; - aceeaşi cerere ca cea de mai sus însă în relaţia rezultat să nu se păstreze decât acele

înregistrări pentru care suma CANTENERGIEităţilor să fie mai mare decât o sumă dată (500 de exemplu).

Este evident faptul că trebuie să extindem algebra relaţională cu noi operaţii. Vom introduce operaţia de grupare GBG,FA(R) definită astfel:

- G reprezintă mulţimea atributelor care determină gruparea;


HIDROEOL

RST


- FA sunt funcţii agregate care urmează a fi evaluate; - GBG,FA(R) este o relaţie cu următoarele caracteristici:

- schema relaţională este formată din atributele G şi funcţiile agregate FA; - numărul de tupluri este egal cu numărul de grupuri al relaţiei R; - atributele mulţimii G iau valorile de grupare iar elementele mulţimii FA primesc

valorile funcţiilor agregate evaluate pentru fiecare grup. Cu ajutorul operaţiei de grupare putem formula cererile descrise anterior: C5 – GBAVG(CANTENERGIE) (σCODP=”C1” (EXPERIM)); C6 – GBCODUT,CODP,SUM(CANTENERGIE) (EXPERIM); C7 – σSUM(CANTENERGIE)>500 (GBCODUT,CODP,SUM(CANTENERGIE) (EXPERIM)).

Această operaţie de grupare este distributivă în raport cu uniunea în anumite condiţii: GBG,FA (R1 U R2) = (GBG,FA (R1)) U (GBG,FA (R2)) dacă şi numai dacă fiecare grup aparţine în întregime unui fragment adică: ∀i (Gi ⊆ R1) ∨ (Gi ∩ R1 = φ) Această distributivitate permite reducerea cardinalităţii relaţiilor care fac obiectul operaţiei de uniune. Putem enunţa un nou criteriu de simplificare a cererilor distribuite: Criteriul 5: Pentru distribuirea grupării şi evaluarea funcţiilor agregate, operaţiile de uniune trebuie realizate după operaţiile de grupare. Acest criteriu poate fi aplicat cu succes în cazul cererilor C6 şi C7. Iată forma canonică a cererii C7:

σSUM((CANTENERGIE) > 500

GBCODUT,CODP,SUM(CANTENERGIE)

U

EXPERIM1 EXPERIM2

Fig.21. Forma canonică a cererii C7

Tuplurile relaţiei EXPERIM trebuie grupate după valorile pentru CODUT şi CODP. Relaţia EXPERIM este fragmentată orizontal după localitatea clienţilor pentru care se efectuează EXPERIMle. Deci clienţii cu acelaşi cod aparţin aceluiaşi fragment. Este îndeplinită condiţia necesară şi suficientă pentru a putea aplica Criteriul 5.


HIDROEOL

RST


Aplicând apoi criteriul 1 vom distribui selecţia în raport cu uniunea. Arborele rezultat este prezentat în Fig.6.15.a

U

σSUM(CANTENERGIE) > 500 σSUM(CANTENERGIE) > 500

GBCODUT, CODP, SUM(CANTENERGIE) GBCODUT, CODP, SUM(CANTENERGIE)

EXPERIM1 EXPERIM2

Fig.6.15.a Gruparea distribuită a cererii C7

În cazul cererilor care nu îndeplinesc condiţia necesară şi suficientă criteriul 5 nu poate fi aplicat. În această situaţie vom utiliza un calcul distribuit al funcţiilor de agregare. Pentru o funcţie de agregare F se realizează un calcul distribuit dacă pentru orice set S şi orice descompunere a lui S în subseturi S1, S2,..., Sn putem determina un set de funcţii agregate F1,...,Fm şi o expresie E(F1,...,Fm) astfel încât F(S) = E(F1(S1),..., F1(Sn), F2(S1),..., F2(Sn),...,Fm(Sn)). O altă funcţie agregată pentru care putem determina funcţiile şi expresia E(Fi) este media aritmetică:

AVG(S) = ))nCOUNT(S),...,2COUNT(S),1SSUM(COUNT(

))nSUM(S),...,2SUM(S),1SUM(SUM(S

Similar vom avea: MIN(S) = MIN (MIN(S1),..., MIN(Sn)) MAX(S) = MAX (MAX(S1),..., MAX(Sn)) COUNT(S) = SUM (COUNT(S1), COUNT(S2),..., COUNT(Sn)) SUM(S) = SUM (SUM(S1),..., SUM(Sn)). Calculul distribuit al funcţiilor agregate reprezintă o proprietate importantă deoarece rezultatele parţiale ale evaluării funcţiilor F1(S1),..., Fm(Sn) pot fi transmise la o staţie comună, unde expresia E poate fi evaluată, în loc să transmitem toate datele la o singură staţie unde să fie evaluate şi funcţiile agregate. Această proprietate poate fi aplicată în cazul cererii C5 care nu îndeplineşte condiţia necesară şi suficientă deoarece produsul cu codul “C1” poate să apară în ambele fragmente ale relaţiei EXPERIM. Forma canonică a cererii C5 este:


HIDROEOL

RST


GBAVG(CANTENERGIE)

σCODP=”C1”

U

EXPERIM1 EXPERIM2

Fig.6.15.b. Forma canonică a cererii C5 Pentru a simplifica cererea vom genera două subcereri care operează asupra fragmentelor EXPERIM1 Şi EXPERIM2: GBSUM(CANTENERGIE),COUNT (σCODP=”C1” (EXPERIM2)) GBSUM(CANTENERGIE),COUNT (σCODP=”C1” (EXPERIM1)). Fie S1 şi T1 valorile returnate de evaluarea funcţiilor SUM(CANTENERGIE) şi COUNT pentru fragmentul EXPERIM1, iar S2 şi T2 valorile corespunzătoare pentru fragmentul EXPERIM2. Media CANTENERGIEităţilor va fi dată de (S1+S2)/(T1+T2). Arborele calcului distribuit pentru cererea C5 este prezentat în Fig.6.15.c:

E: AVG(CANTENERGIE) = T2)(T1 SUM

S2)(S1, SUM+

S1,T1: GBSUM(CANTENERGIE), COUNT S2,T2: GBSUM(CANTENERGIE), COUNT

σCODP=”C1” σCODP=”C1”

EXPERIM1 EXPERIM2

Fig.6.15.c. Calculul distribuit


HIDROEOL

RST


Probleme ale actualizărilor. (Mentenanţă) Administrarea catalogului Într-un sistem distribuit, catalogul sistemului va include toate informaţiile despre control, necesare pentru a permite sistemului să ofere independenţa de localizare, fragmentare şi reproducere. arătăm mai jos câteva variante de stocare a catalogului:

1. Centralizat: Catalogul total este stocat o singură dată într-un site central. 2. Complet reprodus: Catalogul total este stocat integral în fiecare site. 3. Partiţionat: Fiecare site îşi întreţine propriul catalog. 4. O combinaţie între abordarea 1 şi 2.

Propagarea actualizărilor Problema reproducerii datelor este că o actualizare a unui anumit obiect local trebuie propagată în toate copiile stocate ale acestuia. Dificultăţile apar din cauza comunicării în reţea sau a căderilor. O schemă uzuală pentru tratarea acestei probleme este schema cu copiei primare:

O copie a fiecărui obiect reprodus este desemnată drept copie primară. Toate celelalte sunt copii secundare.

Copiile primare ale diverselor obiecte se află în diverse site-uri. Operaţiile de actualizare sunt considerate complete din punct de vedere logic imediat ce

copia primară a fost actualizată. apoi site-ul care deţine această copie este responsabil de propagarea actualizării în copiile secundare, înaintea efectuării instrucţiunii COMMIT pentru a conserva proprietăţile ACID ale tranzacţiilor.

Refacerea Într-un sistem distribuit refacerea se bazează pe finalizarea în două faze. Procesul de finalizare în două faze necesită ca un coordonator să comunice cu fiecare site participant. Mecanismul de bază solicită coordonatorului să ţină minte decizia sa până când primeşte o confirmare de la fiecare participant. După ce confirmările au fost primite coordonatorul poate „uita” tranzacţia. În cadrul acestei scheme participanţilor li se cere să confirme mesajele de ROLLBACK dar nu şi mesajele de COMMIT. Dacă un participant aflat în dubiu cade, atunci la pornire va interoga coordonatorul. Concurenţa În majoritatea sistemelor distribuite controlul concurenţei se bazează pe blocare dar, cererile de verificare, stabilire şi eliberare a blocajelor devin mesaje. Soluţia problemelor constă tot în adoptarea strategiei copiei primare. Cazul ORACLE: Oracle furnizează aceeaşi siguranţă a consistenţei în mediu distribuit ca şi în mediu nedistribuit. Oracle furnizează această siguranţă folosind modelul tranzacţional şi mecanismul de realizare în două faze. Ca şi într-un sistem nedistribuit, tranzacţiile vor fi planificate exact să includă un set logic de comenzi SQL care se vor succede. Mecanismul Oracle de realizare în două faze garantează că indiferent de tipul defecţiunii întâlnite, sistem sau reţea, se realizează o tranzacţie distribuită sau o anulează în toate nodurile implicate pentru menţinerea consistenţei datelor între baza de date distribuită globală. Transparenţa completă faţă de utilizatori Mecanismul de realizare în două faze este transparent faţă de utilizatorii care lansează tranzacţii distribuite. O comandă simplă COMMIT care denotă sfârşitul unei tranzacţii automat declanşează mecanismul de realizare în două faze pentru realizarea tranzacţiei; nu se cere codificarea sau comanda sintactică complexă pentru a include tranzacţia distribuită în scopul aplicaţiei. Refacere automată faţă de defecţiuni sistem sau reţea Procesul background RECO rezolvă automat rezultatul tranzacţiilor distribuite dubioase (în dubiu), tranzacţii distribuite în care realizarea a fost întreruptă de o eroare sistem sau reţea. După ce


HIDROEOL

RST


defecţiunea a fost reparată şi comunicarea restabilită, RECO de pe fiecare server Oracle local realizează sau anulează oricare tranzacţie distribuită în dubiu consistent în toate nodurile implicate. Capacitatea de subscriere opţională normală În eventualitatea unei defecţiuni pe termen lung, Oracle permite fiecărui administrator local să realizeze sau să anuleze orice tranzacţie distribuită care este în dubiu ca rezultat al unei erori. Această opţiune permite administratorului unei baze de date locale să elibereze orice resursă locală care este reţinută indefinit ca rezultat al unei defecţiuni pe termen lung. Facilităţi pentru refacerea distribuită Dacă o bază de date trebuie refăcută de la un punct din trecut, Oracle facilitează administratorului bazei de date din alta locaţie să returneze bazele lor de date la momentul de timp anterior. Aceasta asigură că baza de date globală rămâne consistentă. Replicarea tabelelor Sistemul de baze de date distribuite replică adeseori tabele de la distanţă care sunt frecvent interogate de către utilizatori. Având aceste copii ale datelor din anumite noduri, baza de date distribuită nu trebuie să trimită informaţiile repetat în reţea, prin aceasta ajutând la maximizarea performanţelor aplicaţiilor. Datele pot fi replicate folosind instantanee (snapshots) sau replicarea tabelelor master.

Practic pentru implementare in cazul studiilor si solutiilor avute in vedere in cadrul

Proiectului HIDROEOL avem de ales între: - ORACLE, care este nejustificat de scump în situaţia noastră, şi - MySQL, care nu are chiar toate caracteristicile unui sistem distribuit.

Chiar şi cei de la ORACLE recomandă folosirea unei baze de date centralizate care să fie actualizată şi interogată prin Internet. În această situaţie este preferabil MySQL pentru că, dacă nu se câştigă bani cu el, este gratis şi ultima variantă pare destul de stabilă. 6.16. Bibliografie

1) David Austin – Oracle 8, Editura Image 1999 2) Wojcieeh Cellary, Evol Gelembe, Tadeusz Morzy – Concurrency Control in Distributed

Database Systems, North – Holland, 1988 3) Stefano Cevi, Giuseppe Palagatti – Distributed Databases. Principles and Systems, McGraw

– Hill Book Company 1987 4) C.J.Date, Baze de date, Editura Plus, 2005 5) Ion LUNGU, Constanţa BODEA, Georgeta BĂDESCU, Cristina IONIŢĂ – Bazede date -

Organizare, proiectare si implementare, Editura All Educational, Bucuresti, 1995. 6) T.Connoly,C.Beg,A.Strachan, Database systems, Addison-Wesley1996


HIDROEOL

RST


VII. CONCLUZII

S-a plecat de o lucrare ştiinţifică [1] în care s-a făcut demonstraţia pe hârtie că un ansamblu hidro-eolian cu conservare prin pompare în bazinul superior e mai bun ca randament decât suma părţilor hidro şi eoliene luate separat. În urma studiului de faţă (din capitolele III, IV, şi V) atât coordonatorul cât şi partenerul principal, UTCN, pe căi diferite, din experienţe şi acumulări de cunoştinţe diferite au ajuns la aceiaşi concluzie şi anume că problema care se ridică şi se va ridica la nivel mondial este capacitatea de însera energia eoliană, în proporţie tot mai mare, în sistemele energetice existente fără a deteriora calităţile sistemului. S-a evidenţiat existenţa unei limite teoretice maxime, proprii fiecărui sistem energetic, până la care se pot însera capacităţi de producţie eoliene fără deteriorarea calităţilor acelui sistem energetic. În urma studiului de faţă atât coordonatorul cât şi partenerul principal, UTCN, au ajuns, independent, la concluzia că în România, prin intrarea celui de al doilea grup de la Cernavodă, rigiditatea sistemului energetic naţional creşte, iar dezvoltarea de capacităţi de conservare a energiei din perioadele de surplus este un imperativ. Ori creşterea capacităţilor de conservare prin pompaj în bazinele superioare ridică limita teoretică maximă până la care se pot însera într-un sistem energetic capacităţi de producţie eoliană fără deteriorarea calităţilor sistemului.

S-a definit modul de abordare a temei şi rolul staţiei pilot în dezvoltarea de modele matematice capabile să descrie ansambluri energetice de mare anvergură. S-a definit, în mare, structura staţiei pilot şi a sistemului de supraveghere şi control a acesteia.

S-au redefinit, în perspectiva, concluziilor trase la această fază, rolul fiecărui partener în etapele II, III, IV si V. din această perspectivă s-au făcut corectivele necesare la planul de REALIZARE A PROIECTULUI.


HIDROEOL

RST


PLAN SINTETIC DE REALIZARE A PROIECTULUI, REEVALUARE DUPA FAZA I

Etape/ Activităţi Date interne

Rezultate/Documente de prezentare a rezultatelor

Etapa II: Proiectare

model sistem energetic

hibrid

Sep 2008

Activitate II.1 - IPA Stabilirea arhitecturii generice a modelului matematic

03.08 Instalarea statiei meteo (anemometru) 05.08 Realizare miniSCADA statiei meteo 06.08 Site si pagina publica cu datele curente ale potentialului eolian din locatia

aleasa 09.08 Documentatie arhitectura generica sistem hibrid

Activitate II.2 - IPA Elaborarea propriu-zisa a componentelor modelului

09.08 Documentatie module de comunicatie de date

Activitate II.3 - IPA Elaborarea proiectului SCADA

09.08 Proiectarea aplicaţiei SCADA şi definirea interfeţelor Model ansamblu sistem

Activitate II.4 - UTCN Elaborarea proiectului sub-sistemului hidro, conform cerintelor de securitate

05.08 Proiect statie pilot partea hidro si pompa 09.08 Proiectare generica model statie de repompare, turbina-generator hidro, cascada

Activitate II.5 - UTBv Elaborarea proiectului sub-sistemului eolian

05.08 09.08 Proiect modelare eoliana multianual

Etapa III: Executie

(realizare) module

functionale a statiei pilot a

sistemului

Activitate III.1 IPA Realizarea module SCADA a ansamblului hibrid. Elaborare modelului matematic functional a statiei pilot

04.09 Realizare fizica module de masura energetica turbine, pompa si debite de apa din statia pilot

06.09 Module SCADA hard si soft functionale si documentatie aferenta

Activitate III.2 UTCN Realizare module functionale sub-sistem

04.09 Realizare fizica modul comanda pompa din statia pilot, inclusiv Model matematic subsistem hidro cu accumulare


HIDROEOL

RST


hidro-eolian cu consevare prin

accumulare

iunie 2009

hidro a statiei pilot Realizare modele matematice sub sistem hidro

06.09 Module, programe, si documentatie aferenta

Activitate III.3 UTBv Realizare module functionale sub-sistem eolian a statiei pilot Realizare modele matematice ale subsistemului eolian

04.09 Realizare fizica modul incarcare, baterii si invertor aferent turbinei eoliene din statia pilot Model matematic subsistem eolian

06.09 Module, programe, si documentatie aferenta

Activitate III.5 – IPA Actiuni de promovare a proiectului si organizare de training in tara in mediul economic

05.09 workshop

Activitate III.6 –UTCN Actiuni de promovare a proiectului in mediul universitar Cluj

05.09 workshop

Activitate III.7 - UTBv Actiuni de propagare a proiectului in medii universitare Brasov

05.09 workshop

economica a etapei Etapa IV:

Elaborarea „intregului

model (statiei pilot)

functional, implementarea unei structuri

hibride;

noiembrie 2009

Activitate IV.1 – IPA Implementare si PIF a statiei pilot. Stabilirea criteriilor de optimizare, strategia de mentenanta

11.09 Implementarea mini sistemului SCADA pe ansamblul pilot Modelarea ansamblului pilot prin particularizarea modelului general

Activitate IV.2 – UTCN Implementare module ansamblu hidro-eolian

11.09 Implementare/configurare module subsistem statie de repompare, turbina-generator, cascada

Activitatea IV.3 - UTBv Implementare modulelor sub-sistem eolian. Elaborarea modulelor management a bazelor de date

11.09 Implementare/configurare module sub-sistem eolian Implementare/configurare baze de date conform unei structuri definite de aplicatia pilot

Activitate IV.4 – IPA Elaborarea unei programe de training pentru un sau mai multi agentii industriali

11.09 Raport, proces verbal cu partenerul industrial


HIDROEOL

RST


Etapa V :

Dezvoltarea si testarea

aplicatiei pilot diseminarea

/interpretarea rezultatelor

martie 2010

Activitate V.1 - IPA Analiza si testarea sub-sistemelor din componenta sistemului energetic hibrid Tuningul modelui matematic pe baza datelor obtinute de la statia pilot.

IPA SA Rapoarte generale, Documentatie Testarea sub-sistemului eolian Testarea sub-sistemului de pompare Testarea sub-sistemului aductiune-lac amenajare Testarea sub-sistemului turbina-generator Identificarea pe cale experimentala a statiei pilot. Tuningul modelui matematic pe baza datelor obtinute de la statia pilot.

Activitatea V.2 - UTCN Testarea si evaluarea capabilitatilor si a gradului de utilizabilitate a sistemului energetic hibrid

UTCN Testarea „sistemului energetic hibrid” Tuningul parametrilor modelului Compararea, interpretarea rezultatelor obtinute Corelarea datelor din proces cu cele furnizate de model

Activitatea V.3 - UTBv Testarea si evaluarea disponibilitatii si operabilităţii bazelor de date

UTBv Urmarirea sub-sistemului eolian in cadrul ansamblului functionalitatii si operabilităţii bazelor de date distribuite


HIDROEOL

RST


raport stiintific tehnic - automation.ro · activitate i.1 analiza strategiei de proiectare a...

Documents