Design of a Microcontroller-Based Automatic Water Discharge Mechanism for Feeding a Pelton Turbine in Micro-Hydroelectric Systems

Soysal F., Kocaoğlu S., Çelik K. B., Dürlü R. C., Çelik M., Erat Ö. Ö., ...Daha Fazla

Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, cilt.26, sa.4, ss.918-929, 2026 (TRDizin)

Özet

Bu çalışma, düzensiz ve düşük akışlı bina drenaj akışlarını darbe türbini beslemesi için şartlandırmak üzere geliştirilen mikrodenetleyici tabanlı bir biriktirme ve boşaltma mekanizmasının tasarımını ve laboratuvar ölçekli doğrulamasını sunmaktadır. Sistem, sürekli biriktirme dinamiklerini olay tetiklemeli durum geçişleriyle entegre eden hibrit bir hidrolik kontrol mimarisi olarak formüle edilmiştir. Biriktirme ve boşaltma durumları arasındaki geçişi düzenlemek için eşik tabanlı bir kontrol yasası uygulanmıştır. Bu sayede su, yalnızca darbe uyumlu çıkış koşulları oluşturmak için yeterli hidrolik basınç ve hacim mevcut olduğunda boşaltılır. Sistem, temiz su ile tekrarlanabilir ve izole koşullar altında çalışacak şekilde yapılandırılmış bir laboratuvar ölçekli prototip kullanılarak deneysel olarak doğrulanmıştır. Bu da kontrol mimarisinin içsel performansının akışkan değişkenliğinden bağımsız olarak değerlendirilmesine olanak tanır. 20 ardışık boşaltma çevrimi üzerinden elde edilen deneysel sonuçlar, ortalama boşaltma süresinin 5.00 s ve standart sapmasının 0.03 s olduğunu, tekrarlanabilirlik indeksinin RI = 0.994 seviyesine ulaştığını ve hidrolik darbe kararlılık indeksinin %0.3’ün altında kaldığını göstermiştir. Bu bulgular, durum tabanlı kontrol yaklaşımının giriş akışındaki düzensizlikleri türbin uyarım gereksinimlerinden etkin bir şekilde ayrıştırabildiğini doğrulamaktadır. Sonuçlar, aralıklı drenaj akışlarını kontrollü laboratuvar koşulları altında tekrarlanabilir boşaltma darbelerine dönüştürmenin fizibilitesini göstermektedir. Bulgular, akıllı, duruma dayalı akış koşullandırmasının, bu çalışmada değerlendirilen donanım konfigürasyonuna özgü kalmakla birlikte, binaya entegre mikrohidroelektrik sistemleri için öncü bir çerçeve sunduğunu göstermektedir.

This study presents the design and laboratory-scale validation of a microcontroller-based accumulate-and-release discharge mechanism developed to condition irregular and low-flow building drainage streams for impulse turbine feeding. The system is formulated as a hybrid hydraulic-control architecture integrating continuous accumulation dynamics with eventtriggered state transitions. A threshold-based control law is implemented to regulate the transition between accumulation and discharge states, ensuring that water is released only when sufficient hydraulic head and volume are available to generate impulse-compatible outflow conditions. The framework is experimentally validated using a laboratory-scale prototype configured to operate under repeatable and isolated conditions with clean water, allowing the intrinsic performance of the control architecture to be assessed independently of fluid variability. Experimental results from 20 consecutive discharge cycles demonstrated a mean discharge duration of 5.00 s with a standard deviation of 0.03 s, a repeatability index of RI = 0.994, and a hydraulic pulse stability index below 0.3%, confirming that state-driven control can effectively decouple inflow irregularity from turbine excitation requirements. The results demonstrate the feasibility of converting intermittent drainage flows into repeatable discharge pulses under controlled laboratory conditions. The findings indicate that intelligent, state-based flow conditioning offers a preliminary framework for buildingintegrated micro-hydropower systems, while remaining specific to the hardware configuration evaluated in this study.