Design of a small-scale pico-hydro system using pumps as turbines

Mestrado de dupla diplomação com a UTFPR - Universidade Tecnológica Federal do ParanáNew approaches to renewable energy sources and the growing interest in clean energy technologies nowadays are related to the context of the war in Europe, rising electricity prices, depletion of fossil fuel reserves, and environmental issues. Still, many European countries can develop and exploit the untapped potential of hydropower generation and take advantage of new solutions for emerging small-scale distributed generation. Regarding small-scale pico-hydro systems, many researchers have been studying to apply reversed-flow centrifugal pumps instead of conventional turbines, as they are easy to install, low cost, less complex to operate, mass-produced, and available for a wide range of head and flow rates. Notwithstanding, selecting a pump as a turbine (PAT) is not that simple since pump manufacturers do not provide performance curves for reverse operation. Therefore, based on several authors, this work designed a small-scale pico-hydro system to be implemented at the Bragança Ciência Viva Centre using two PATs, whose selection and performance prediction were carried out through an easy and reliable procedure. A solution is proposed considering three power generation levels in order to obtain high self-consumption quotas, forecasting an energy generation of 57% of the total yearly consumption. Additionally, preliminary tests were carried out in the lab, although not sufficiently conclusive, for an innovative grid connection solution using a PAT emulation system, a VFD in regenerative braking mode, protection circuits, and a PV inverter.Novas abordagens em fontes renováveis e o crescente interesse pelas tecnologias de energia limpa atualmente se remetem ao contexto da guerra na Europa, ao aumento dos preços da eletricidade, ao esgotamento das reservas de combustíveis fósseis, e a questões ambientais. Outrossim, muitos países europeus podem desenvolver e se beneficiar de um potencial hidroelétrico ainda inexplorado, aproveitando novas e emergentes soluções para a geração distribuída em pequena escala. Quanto a sistemas pico-hídricos de pequena escala, muitos investigadores têm estudado a aplicação de bombas centrífugas a funcionar como turbinas (BFT), uma vez que são fáceis de instalar, de baixo custo, menos complexas de operar, produzidas em massa, e disponíveis para uma vasta gama de cota e de caudal. Contudo, selecionar uma BFT não é tão simples, posto que os fabricantes de bombas não fornecem curvas de desempenho para o funcionamento inverso. Portanto, com base em vários autores, concebeu-se um sistema pico-hídrico de pequena escala para ser implementado no Centro Ciência Viva de Bragança utilizando duas BFTs, cuja seleção e previsão de desempenho foram realizadas através de um procedimento fácil e confiável. Propõe-se uma solução considerando três escalões de geração de energia para elevadas quotas de autoconsumo, prevendo uma geração de energia de 57% do consumo total anual. Ademais, foram realizados testes preliminares no laboratório, ainda que não suficientemente conclusivos, de uma solução inovadora de ligação à rede a partir de um conversor de frequência em modo de travagem regenerativa, circuitos de proteção, e um inversor fotovoltaico