Disentangling flow-energy transformations for small hydropower plants: from reverse engineering to uncertainty assessment and calibration

Sakki, Georgia Konstantina

dc.contributor.author	Sakki, Georgia Konstantina	en
dc.date.accessioned	2020-11-02T09:45:35Z
dc.date.available	2020-11-02T09:45:35Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51748
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19446
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ενέργεια	el
dc.subject	Μικρά υδροηλεκτρικά έργα	el
dc.subject	Υδρολογία	el
dc.subject	Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας	el
dc.subject	Στοχαστική προσομοίωση	el
dc.title	Disentangling flow-energy transformations for small hydropower plants: from reverse engineering to uncertainty assessment and calibration	en
dc.contributor.department	Tομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Αποσυναρμολογώντας τους μετασχηματισμούς παροχής-ενέργειας στα μικρά υδροηλεκτρικά έργα: από την αντίστροφη μηχανική στην εκτίμηση της αβεβαιότητας και τη βαθμονόμηση	el
heal.classification	Ενέργεια	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-07-16
heal.abstract	Due to their negligible storage capacity, small hydroelectric plants cannot offer regulation of flows, thus making the control of energy production a very difficult task, even for small time horizons. Further uncertainties arise due to limited information, both in terms of upstream inflow data and technical characteristics. Usually, the sole available measurements refer to power production, which is a nonlinear transformation of the river discharge. In this thesis we investigate the three configurations of this transformation, named the forward, the inverse and the calibration problem. The major outcome is a generic stochastic framework for the so-called inverse problem of hydroelecticity, i.e. the extraction of streamflow from observed energy data, focusing on two key potential sources of uncertainty, i.e. in energy production (observational error) and the efficiency curve of turbines (parameter error). Key issue of this reverse engineering approach is that the model error is expressed in stochastic terms, which allows for embedding uncertainties within calculations. Another interesting issue is the extrapolation of high and low flows, outside of the range of operation of SHPs, which is employed by combining empirical hydrological rules for representing the rising and falling limbs. The methodology is tested in hypothetical problems as we as a real-world case, i.e. the oldest (est. 1926) small hydroelectric plant of Greece, located at Glafkos river, in Northern Peloponnese. Among other complexities, this comprises a mixing of Pelton and Francis turbines, which makes the overall modelling procedure even more challenging and also requires to extract the efficiency curves of the two turbines through calibration. Our analyses indicate that the proposed framework may be the basis for handling several practical problems and open research questions in the broader area of simulation and optimization of small hydroelectric works.	en
heal.abstract	Λόγω της αμελητέας ικανότητας αποθήκευσης, τα μικρά υδροηλεκτρικά έργα (ΜΥΗΕ) δεν μπορούν να προσφέρουν ρύθμιση των ροών, καθιστώντας έτσι τον έλεγχο της παραγωγής ενέργειας πολύ δύσκολο έργο, ακόμη και για μικρούς χρονικούς ορίζοντες. Περαιτέρω αβεβαιότητες προκύπτουν λόγω περιορισμένης πληροφόρησης, που αφορά είτε δεδομένα εισροών είτε τεχνικά χαρακτηριστικά. Συνήθως, οι μοναδικές διαθέσιμες μετρήσεις αναφέρονται στην παραγωγή ενέργειας, η οποία είναι ένας μη γραμμικός μετασχηματισμός της απορροής του ποταμού. Σε αυτή τη διπλωματική διερευνώνται τρεις εκδοχές του μετασχηματισμού αυτού, που διαμορφώνουν αντίστοιχα το ευθύ και το αντίστροφο πρόβλημα καθώς και το πρόβλημα της βαθμονόμησης. Το κύριο αποτέλεσμα είναι ένα γενικό στοχαστικό πλαίσιο για το λεγόμενο αντίστροφο πρόβλημα της υδροηλεκτρικής ενέργειας, δηλαδή η εξαγωγή χρονοσειρών εισροής από δεδομένα παρατηρημένης ενέργειας, εστιάζοντας σε δύο βασικές πιθανές πηγές αβεβαιότητας, συγκεκριμένα στην παραγωγή ενέργειας (σφάλματα παρατηρήσεων) και στην καμπύλη απόδοσης των στροβίλων (σφάλματα παραμέτρων). Βασικό ζήτημα αυτής της αντίστροφης προσέγγισης είναι ότι το μοντέλο σφάλματος επιτρέπει την ενσωμάτωση της αβεβαιότητας στους υπολογισμούς, δεδομένου ότι εκφράζεται με στοχαστικούς όρους. Ένα άλλο ενδιαφέρον ζήτημα είναι η συμπλήρωση του υδρογραφήματος, δηλαδή ο υπολογισμός των υψηλών και χαμηλών ροών, εκτός του εύρους λειτουργίας των ΜΥΕ, κάτι που επιτυγχάνεται με τη χρήση εμπειρικών κανόνων για την αναπαράσταση των ανοδικών και καθοδικών κλάδων ροής. Η μεθοδολογία δοκιμάζεται σε πληθώρα υποθετικών προβλημάτων, καθώς επίσης και σε μια πραγματική περίπτωση, αυτή του παλαιότερου (περίπου το 1926) μικρού υδροηλεκτρικού έργου της Ελλάδας, που βρίσκεται στον ποταμό Γλαύκο, στη Βόρεια Πελοπόννησο. Μεταξύ άλλων περιπλοκοτήτων, το έργο αυτό περιλαμβάνει δύο στροβίλους, έναν τύπου Pelton και έναν Francis, γεγονός που καθιστά τη συνολική διαδικασία μοντελοποίησης ακόμη πιο δύσκολη μιας και απαιτεί την εξαγωγή των καμπυλών απόδοσης των δύο στροβίλων μέσω βαθμονόμησης. Οι αναλύσεις μας υποδεικνύουν ότι το προτεινόμενο πλαίσιο μπορεί να αποτελέσει τη βάση για τον χειρισμό πολλών πρακτικών προβλημάτων και ανοιχτών ερευνητικών ερωτημάτων στον ευρύτερο τομέα της προσομοίωσης και βελτιστοποίησης μικρών υδροηλεκτρικών έργων.	el
heal.advisorName	Efstratiadis, Andreas	en
heal.committeeMemberName	Efstratiadis, Andreas	en
heal.committeeMemberName	Noutsopoulos, Konstantinos	en
heal.committeeMemberName	Mamassis, Nikolaos	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Πολιτικών Μηχανικών. Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	98 p.	en
heal.fullTextAvailability	false