Микро ГЭС

Микро-ГЭС — это тип гидроэлектростанции , который обычно производит от 5 до 100 кВт электроэнергии с использованием естественного потока воды. Установки мощностью ниже 5 кВт называются пико-гидро . ^[1] Эти установки могут обеспечивать электроэнергией изолированный дом или небольшой поселок или иногда подключаются к электрическим сетям, особенно там, где чистый учет предлагается .По всему миру существует множество таких установок, особенно в развивающихся странах, поскольку они могут обеспечить экономичный источник энергии без покупки топлива. ^[2] Микрогидросистемы дополняют солнечные фотоэлектрические системы, поскольку во многих районах поток воды и, следовательно, доступная гидроэнергия максимальны зимой, когда солнечная энергия минимальна. Микрогидросистема часто комплектуется пельтонным колесом для подачи воды с высоким напором и низким расходом. Установка часто ^{[ когда? ]}^{[ где? ]} всего лишь небольшой бассейн, окруженный плотиной , на вершине водопада, с трубами в несколько сотен футов, ведущими к небольшому корпусу генератора. На участках с низким напором ^{[ нужен пример ]} обычно водяные колеса и винты Архимеда . используются ^{[ нужна ссылка ]}

Строительство

Детали строительства микрогидроэлектростанции зависят от конкретного объекта. Иногда имеется существующий пруд-мельница или другой искусственный водоем, который можно адаптировать для производства электроэнергии. В целом микрогидросистемы состоят из ряда компонентов. ^[3] К наиболее важным относятся водозаборы, куда вода отводится из естественного ручья, реки или, возможно, водопада. Для защиты от плавающего мусора и рыбы требуется водозаборная конструкция, такая как улавливающий ящик, с использованием сетки или набора решеток для защиты от крупных объектов. В умеренном климате эта конструкция также должна противостоять льду. Водозабор может иметь заслонку, позволяющую сливать воду из системы для проверки и технического обслуживания.

Затем водозабор проводится через канал, а затем через переднюю часть. Передняя часть используется для хранения наносов. В нижней части системы вода подается по трубопроводу ( затвору ) в здание электростанции, в которой находится турбина . Затвор создает давление за счет воды, которая движется вниз. В горных районах доступ к маршруту водовода может представлять собой серьезные проблемы. Если источник воды и турбина находятся далеко друг от друга, строительство водовода может составить большую часть затрат на строительство. На турбине установлен регулирующий клапан для регулирования расхода и частоты вращения турбины. Турбина преобразует поток и давление воды в механическую энергию; вода, выходящая из турбины, возвращается в естественный водоток по отводящему каналу. Турбина вращает генератор , который затем подключается к электрической нагрузке ; он может быть напрямую подключен к энергосистеме одного здания в очень небольших установках или может быть подключен к общественной распределительной системе для нескольких домов или зданий. ^[3]

Обычно микрогидроэлектростанции не имеют плотины и водохранилища, как крупные гидроэлектростанции , и полагаются на минимальный поток воды, доступный круглый год.

Характеристики напора и расхода

Микрогидросистемы обычно устанавливаются в районах, способных производить до 100 киловатт электроэнергии. ^[4] Этого может быть достаточно для питания дома или небольшого предприятия. Этот диапазон производительности рассчитывается с точки зрения «напора» и «расхода». Чем выше каждый из них, тем больше доступной мощности. Гидравлический напор — это измерение давления воды, падающей в трубе, выраженное как функция вертикального расстояния, на которое падает вода. ^[4] Это изменение высоты обычно измеряется в футах или метрах. Требуется падение минимум на 2 фута, иначе система может оказаться неработоспособной. ^[5] При количественной оценке поголовья необходимо учитывать как валовой, так и чистый поголовье. ^[5] Полный напор приблизительно соответствует доступности мощности посредством измерения только вертикального расстояния, тогда как чистый напор вычитает потери давления из-за трения в трубопроводе из полного напора. ^[5] «Поток» — это фактическое количество воды, падающей с объекта, и обычно измеряется в галлонах в минуту, кубических футах в секунду или литрах в секунду. ^[6] Установка с низким расходом и высоким напором на крутых склонах требует значительных затрат на трубы. Длинный водовод начинается с трубы низкого давления вверху и трубы более высокого давления ближе к турбине, чтобы снизить затраты на трубы.

Доступная мощность такой системы в киловаттах может быть рассчитана по уравнению P=Q*H/k, где Q — расход в галлонах в минуту, H — статический напор, а k — постоянная величина 5310 галлонов. *фут/мин*кВт. ^[7] Например, для системы с расходом 500 галлонов в минуту и статическим напором 60 футов теоретическая максимальная выходная мощность составляет 5,65 кВт. Система не может достичь 100% эффективности (получить все 5,65 кВт) из-за реальных условий, таких как эффективность турбины, трение в трубе и преобразование потенциальной энергии в кинетическую. КПД турбины обычно составляет 50-80%, а трение в трубах учитывается с использованием уравнения Хейзена-Вильямса . ^[8]

Регулирование и эксплуатация

Обычно автоматический контроллер управляет впускным клапаном турбины для поддержания постоянной скорости (и частоты) при изменении нагрузки на генератор. В системе, подключенной к сети с несколькими источниками, управление турбиной гарантирует, что мощность всегда поступает от генератора в систему. Частота генерируемого переменного тока должна соответствовать местной стандартной частоте электросети . В некоторых системах, если полезная нагрузка генератора недостаточно высока, к генератору может автоматически подключаться блок нагрузки для рассеивания энергии, не требуемой нагрузкой; хотя это приводит к потере энергии, это может потребоваться, если невозможно контролировать поток воды через турбину.

Асинхронный генератор всегда работает на частоте сети независимо от скорости его вращения; все, что необходимо, это обеспечить, чтобы турбина приводила его в движение быстрее синхронной скорости, чтобы она вырабатывала мощность, а не потребляла ее. Другие типы генераторов могут использовать системы управления скоростью для согласования частоты.

При наличии современной силовой электроники зачастую проще управлять генератором на произвольной частоте и подавать его выходную мощность через инвертор , который выдает выходную мощность на частоте сети. Силовая электроника теперь позволяет использовать генераторы переменного тока с постоянными магнитами, которые стабилизируют дикий переменный ток. Такой подход позволяет низкоскоростным водяным турбинам с низким напором быть конкурентоспособными; они могут работать на максимальной скорости для извлечения энергии, а частота сети контролируется электроникой, а не генератором.

Очень маленькие установки ( пикогидро ), мощностью несколько киловатт или меньше, могут генерировать постоянный ток и заряжать аккумуляторы в периоды пиковой нагрузки. ^{[ нужна ссылка ]}

Типы турбин

несколько типов водяных турбин В микрогидроустановках можно использовать , выбор которых зависит от напора воды, объема потока и таких факторов, как наличие местного обслуживания и транспортировка оборудования на площадку. В холмистых регионах, где возможен водопад высотой 50 метров и более, колесо Пелтона можно использовать . Для установок с низким напором Фрэнсиса или пропеллерного типа используются турбины . В установках с очень низким напором, всего в несколько метров, могут использоваться турбины пропеллерного типа в яме или водяные колеса и винты Архимеда. Небольшие микрогидроэлектростанции могут успешно использовать в качестве первичных двигателей промышленные центробежные насосы, работающие в обратном направлении; хотя эффективность может быть не такой высокой, как у специально созданного бегуна, относительно низкая стоимость делает проекты экономически целесообразными.

В установках с низким напором затраты на техническое обслуживание и механизмы могут быть относительно высокими. Система с низким напором перемещает большее количество воды и с большей вероятностью столкнется с поверхностным мусором. По этой причине турбина Банки , также называемая турбиной Оссбергера , самоочищающееся водяное колесо с перекрестным потоком под давлением, часто предпочтительнее для микрогидросистем с низким напором. Хотя ее более простая конструкция менее эффективна, она дешевле, чем другие турбины с низким напором той же мощности. Так как вода поступает внутрь, то выходит из него, она очищается сама и меньше подвержена засорению мусором.

Винтовая турбина (винт обратного Архимеда): в двух схемах с низким напором в Англии, Settle Hydro и Torrs Hydro, используется винт Архимеда, который является еще одной конструкцией, устойчивой к мусору. КПД 85%.
Горлов : винтовая турбина Горлова со свободным потоком или стесненным потоком с плотиной или без нее, ^[9]
Фрэнсис и пропеллерные турбины. ^[10]
Турбина Каплана : турбина пропеллерного типа с высоким расходом и низким напором. Альтернативой традиционной турбине Каплана является медленно вращающаяся турбина VLH с постоянным магнитом и наклонным открытым потоком большого диаметра с КПД 90%. ^[11]
Водяное колесо : усовершенствованные гидравлические водяные колеса и гидравлическая реактивная турбина, состоящая из частей колеса, могут иметь гидравлический КПД 67% и 85% соответственно. Максимальный КПД водяного колеса с перерегулированием (гидравлический КПД) составляет 85%. ^[12]^[13] Водяные колеса Undershot могут работать с очень низким напором, но также имеют КПД ниже 30%. ^[14]
Гравитационная водовихревая электростанция : часть речного стока на плотине или естественном водопаде отводится в круглый бассейн с центральным донным выходом, создающим вихрь. Простой ротор (и подключенный к нему генератор) приводится в движение за счет кинетической энергии. Эффективность от 83% до 64% при расходе 1/3 части. ^{[ нужна ссылка ]}

Использовать

Микрогидросистемы очень гибки и могут быть развернуты в самых разных условиях. Они зависят от того, какой расход воды имеет источник (ручей, река, ручей) и скорость течения воды. Энергия может храниться в аккумуляторных батареях на объектах, удаленных от объекта, или использоваться в дополнение к системе, которая напрямую подключена, чтобы в периоды высокого спроса был доступен дополнительный резерв энергии. Эти системы могут быть спроектированы так, чтобы свести к минимуму воздействие на общество и окружающую среду, регулярно вызываемое большими плотинами или другими объектами массового производства гидроэлектроэнергии. ^[15]

Потенциал развития сельских районов

Что касается развития сельских районов , то простота и низкая относительная стоимость микрогидросистем открывают новые возможности для некоторых изолированных сообществ, нуждающихся в электроэнергии. Достаточно лишь небольшого потока, чтобы отдаленные районы могли получить доступ к освещению и средствам связи для домов, медицинских клиник, школ и других объектов. ^[16] МикроГЭС может даже использовать определенный уровень оборудования для поддержки малого бизнеса. в регионах вдоль Анд , а также в Шри-Ланке и Китае. Аналогичные активные программы уже существуют ^[16] Одним из, казалось бы, неожиданных способов использования таких систем в некоторых областях является удержание молодых членов сообщества от переезда в более городские регионы с целью стимулирования экономического роста. ^[16] Кроме того, по мере роста возможностей финансовых стимулов для менее углеродоемких процессов будущее микрогидросистем может стать более привлекательным.

Микрогидроустановки также могут использоваться в различных целях. Например, проекты микрогидроэлектростанций в сельских районах Азии включают в проект агроперерабатывающие предприятия, такие как рисовые мельницы, наряду со стандартной электрификацией.

Расходы

Стоимость микроГЭС может составлять от 1000 до 5000 долларов США за установленный кВт. ^{[ нужна ссылка ]}

Преимущества и недостатки

Преимущества

Микрогидроэнергия вырабатывается посредством процесса, в котором используется естественный поток воды. ^[17] Эта мощность чаще всего преобразуется в электричество. Поскольку в результате этого процесса преобразования отсутствуют прямые выбросы , вредное воздействие на окружающую среду практически отсутствует или при правильном планировании, таким образом, обеспечивается поставка энергии из возобновляемых источников на устойчивой основе. Микрогидроэлектростанция считается русловой системой , что означает, что вода, отведенная из ручья или реки, перенаправляется обратно в тот же водоток. ^[18] К потенциальным экономическим выгодам микрогидроэлектростанций добавляется эффективность, надежность и экономическая эффективность. ^[18]

Недостатки

Микрогидросистемы ограничены главным образом характеристиками участка. Самое прямое ограничение связано с небольшими источниками с незначительным потоком. Кроме того, в некоторых районах сток может колебаться сезонно. Наконец, хотя, возможно, самым главным недостатком является расстояние от источника питания до объекта, нуждающегося в энергии. Этот вопрос распределения, как и другие, является ключевым при рассмотрении вопроса об использовании микрогидросистемы.

См. также

Ссылки

^ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ: АНАЛИЗ ЗАТРАТ <:СЕРИЯ (PDF) (Отчет). Международное агентство по возобновляемым источникам энергии . Июнь 2012. с. 11 . Проверено 14 января 2017 г.
^ «МикроГЭС в борьбе с бедностью» . tve.org . ТВЭ/ИТДГ. Ноябрь 2004 г. Архивировано из оригинала 30 июля 2007 г. Проверено 14 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Как работает микрогидросистема» . Министерство энергетики США . Проверено 28 ноября 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Микрогидроэнергетические системы» . Министерство энергетики США . Проверено 28 ноября 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Микрогидроэлектрические системы» . Министерство энергетики штата Орегон. Архивировано из оригинала 29 ноября 2010 года . Проверено 1 декабря 2010 г.
^ «Определение расхода потенциального объекта микроГЭС» . Министерство энергетики США . Проверено 28 ноября 2010 г.
^ «Подготовка вашей земли к использованию гидроэлектростанций – возобновляемые источники энергии» . motherearthnews.com . Новости Матери-Земли . Февраль 1986 года . Проверено 14 января 2017 г.
^ Питт, Роберт; Кларк, Ширли (nd). «Модуль 3e: Сравнение уравнений потока в трубах и потерь напора в фитингах» (PDF) . eng.ua.edu . Инженерный колледж Университета Алабамы . Проверено 14 января 2017 г.
^ Горлов А.М. , Разработка винтовой реактивной гидротурбины . Заключительный технический отчет, Министерство энергетики США, август 1998 г., Информационный мост Министерства энергетики (DOE) : Научно-техническая информация Министерства энергетики .
^ Награды Эшдена. «Микрогидро» . Архивировано из оригинала 26 апреля 2009 года . Проверено 29 июня 2009 г.
^ «Гидровидение 2015» . vlh-turbine.com . MJ2 Технологии. nd Архивировано из оригинала 16 января 2017 года . Проверено 14 января 2017 г.
^ Куаранта и Ревелли (2015). «Оценка выходной мощности и потерь мощности на перерегулированном водяном колесе». Возобновляемая энергия . 83 : 979–987. doi : 10.1016/j.renene.2015.05.018 .
^ Куаранта и Мюллер (2017). «Водяные колеса Sagebien и Zuppinger для гидроэнергетики с очень низким напором». Гидравлические исследования .
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2017 года . Проверено 25 декабря 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ «Микрогидро» . Научно-исследовательский институт устойчивой энергетики . Проверено 9 декабря 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с «Микрогидро» . Премия Эшдена за устойчивую энергетику. Архивировано из оригинала 1 ноября 2010 года . Проверено 20 ноября 2010 г.
^ «Микрогидроэнергетика» (PDF) . Министерство энергетики США . Проверено 20 ноября 2010 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Микрогидроэнергетика – плюсы и минусы» . Сеть новостей альтернативной энергетики . Проверено 24 ноября 2010 г.

Внешние ссылки

Портал по микрогидроэнергетике
SMART – Стратегии содействия маломасштабному производству электроэнергии на гидроэлектростанциях в Европе (проект, финансируемый Европейской комиссией, включает Италию, Хорватию, Норвегию, Грецию и Австрию)
Информация о Micro Hydro , приложение для ранчо Dorado Vista
Европейская ассоциация малой гидроэнергетики
Ассоциация микрогидроэлектростанций Великобритании
Проспектор гидроэнергетики , Национальная инженерная лаборатория Айдахо
Победители премии Ashden Awards в области гидроэнергетики
Пример новой микрогидросистемы Шотландского Хайленда
Проект домашней микрогидроэлектростанции
МикроГЭС в Афганистане с чертежами оборудования

[irena-1] ТЕХНОЛОГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ: АНАЛИЗ ЗАТРАТ <:СЕРИЯ (PDF) (Отчет). Международное агентство по возобновляемым источникам энергии . Июнь 2012. с. 11 . Проверено 14 января 2017 г.

[tve-2] «МикроГЭС в борьбе с бедностью» . tve.org . ТВЭ/ИТДГ. Ноябрь 2004 г. Архивировано из оригинала 30 июля 2007 г. Проверено 14 января 2017 г.

[Energy_Savers:_Components-3] Jump up to: ^а ^б «Как работает микрогидросистема» . Министерство энергетики США . Проверено 28 ноября 2010 г.

[Energy_Savers:_Main-4] Jump up to: ^а ^б «Микрогидроэнергетические системы» . Министерство энергетики США . Проверено 28 ноября 2010 г.

[Oregon.gov-5] Jump up to: ^а ^б ^с «Микрогидроэлектрические системы» . Министерство энергетики штата Орегон. Архивировано из оригинала 29 ноября 2010 года . Проверено 1 декабря 2010 г.

[6] «Определение расхода потенциального объекта микроГЭС» . Министерство энергетики США . Проверено 28 ноября 2010 г.

[motherearthnews-7] «Подготовка вашей земли к использованию гидроэлектростанций – возобновляемые источники энергии» . motherearthnews.com . Новости Матери-Земли . Февраль 1986 года . Проверено 14 января 2017 г.

[rpitt-8] Питт, Роберт; Кларк, Ширли (nd). «Модуль 3e: Сравнение уравнений потока в трубах и потерь напора в фитингах» (PDF) . eng.ua.edu . Инженерный колледж Университета Алабамы . Проверено 14 января 2017 г.

[GorlovReport1998-9] Горлов А.М. , Разработка винтовой реактивной гидротурбины . Заключительный технический отчет, Министерство энергетики США, август 1998 г., Информационный мост Министерства энергетики (DOE) : Научно-техническая информация Министерства энергетики .

[10] Награды Эшдена. «Микрогидро» . Архивировано из оригинала 26 апреля 2009 года . Проверено 29 июня 2009 г.

[vlh-11] «Гидровидение 2015» . vlh-turbine.com . MJ2 Технологии. nd Архивировано из оригинала 16 января 2017 года . Проверено 14 января 2017 г.

[12] Куаранта и Ревелли (2015). «Оценка выходной мощности и потерь мощности на перерегулированном водяном колесе». Возобновляемая энергия . 83 : 979–987. doi : 10.1016/j.renene.2015.05.018 .

[13] Куаранта и Мюллер (2017). «Водяные колеса Sagebien и Zuppinger для гидроэнергетики с очень низким напором». Гидравлические исследования .

[14] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2017 года . Проверено 25 декабря 2017 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[RISE-15] «Микрогидро» . Научно-исследовательский институт устойчивой энергетики . Проверено 9 декабря 2010 г.

[Ashden_Awards-16] Jump up to: ^а ^б ^с «Микрогидро» . Премия Эшдена за устойчивую энергетику. Архивировано из оригинала 1 ноября 2010 года . Проверено 20 ноября 2010 г.

[Wind_and_Hydro-17] «Микрогидроэнергетика» (PDF) . Министерство энергетики США . Проверено 20 ноября 2010 г.

[Microhydro_Pros_and_Cons-18] Jump up to: ^а ^б «Микрогидроэнергетика – плюсы и минусы» . Сеть новостей альтернативной энергетики . Проверено 24 ноября 2010 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

v т и Гидроэнергетика
гидроэлектроэнергии Производство	Плотина Список обычных гидроэлектростанций Гидроаккумулирующая гидроэлектростанция Малая гидроэлектростанция Микро ГЭС Пико гидро Русловая гидроэлектростанция
Гидроэнергетическое оборудование	Турбина Фрэнсиса турбина Каплана Тайсон турбина Винтовая турбина Горлова Колесо Пелтона Турго турбина Крестоточная турбина Водяное колесо