Микрогидро - это тип гидроэлектростанции, который обычно производит от 5 до 100 кВт электроэнергии с использованием естественного потока воды. Установки мощностью ниже 5 кВт называются пикогидро . [1] Эти установки могут обеспечивать электроэнергией изолированный дом или небольшой населенный пункт, или иногда они подключаются к электрическим сетям, особенно там, где предлагается чистое измерение . Есть много таких установок по всему миру, особенно в развивающихся странах, поскольку они могут обеспечить экономичный источник энергии без покупки топлива. [2] Микрогидросистемы дополняют солнечные фотоэлектрические системы.потому что во многих районах поток воды и, следовательно, доступная гидроэнергия наиболее высок зимой, когда солнечная энергия минимальна. Микро-гидросистема часто выполняется с помощью колеса Пелтона для подачи воды с высоким напором и низким расходом. Установка часто представляет собой небольшой бассейн с плотиной на вершине водопада с несколькими сотнями футов трубы, ведущей к небольшому корпусу генератора. На участках с низким напором обычно используются водяные колеса и шурупы Архимеда.
Строительство
Детали конструкции микрогидроустановки зависят от конкретного участка. Иногда имеется существующий пруд-мельница или другой искусственный резервуар, который можно приспособить для производства электроэнергии. Как правило, микрогидросистемы состоят из ряда компонентов. [3] К наиболее важным относятся водозабор, в котором вода забирается из естественного ручья, реки или, возможно, водопада. Для защиты от плавающего мусора и рыбы требуется приемная конструкция, такая как ловушка, с использованием сетки или решетки для защиты от крупных объектов. В умеренном климате эта конструкция также должна противостоять льду. Входное отверстие может иметь заслонку, позволяющую обезвоживать систему для осмотра и технического обслуживания.
Затем поступление осуществляется через канал, а затем через переднюю губу. Отверстие используется для удержания наносов. Внизу системы вода направляется по трубопроводу ( напор ) в здание электростанции, в котором находится турбина . Напорный водовод создает давление от воды, которая стекала вниз. В горных районах доступ к водопроводу может вызвать значительные трудности. Если источник воды и турбина находятся далеко друг от друга, строительство напорного трубопровода может составлять самую большую часть затрат на строительство. На турбине установлен регулирующий клапан для регулирования расхода и скорости вращения турбины. Турбина преобразует поток и давление воды в механическую энергию; вода, выходящая из турбины, возвращается в естественный водоток по отводному каналу. Турбина включает генератор , который затем подключается к электрическим нагрузкам ; это может быть напрямую связано с энергосистемой одного здания в очень небольших установках или может быть подключено к коммунальной распределительной системе для нескольких домов или зданий. [3]
Обычно микрогидроустановки не имеют плотины и водохранилища, как большие 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 производственный диапазон рассчитывается по «напору» и «расходу». Чем выше каждый из них, тем больше мощности доступно. Гидравлический напор - это измерение давления воды, падающей в трубу, выраженное как функция вертикального расстояния, на которое вода падает. [4] Это изменение высоты обычно измеряется в футах или метрах. Требуется падение с высоты не менее 2 футов, иначе система может оказаться невозможной. [5] При количественном определении напора необходимо учитывать как общий, так и чистый напор. [5] Полный напор приближает доступ к мощности только по измерению вертикального расстояния, тогда как чистый напор вычитает давление, потерянное из-за трения в трубопроводе, из общего напора. [5] «Поток» - это фактическое количество воды, падающей с участка, обычно измеряется в галлонах в минуту, кубических футах в секунду или литрах в секунду. [6] Установка с низким расходом / высоким напором на крутых склонах требует значительных затрат на трубы. Длинный напорный водовод начинается с трубы низкого давления наверху и трубы с постепенно повышающимся давлением ближе к турбине, чтобы снизить затраты на трубы.
Доступная мощность в киловаттах от такой системы может быть рассчитана по уравнению P = Q * H / k, где Q - расход в галлонах в минуту, H - статический напор, а k - постоянная величина, равная 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 имеет 100% КПД (от получения всего 5,65 кВт) из-за реальных условий, таких как: КПД турбины, трение в трубе и преобразование потенциальной энергии в кинетическую. КПД турбины обычно составляет 50-80%, а трение в трубе учитывается с помощью уравнения Хазена – Вильямса . [8]
Регулирование и работа
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 перетекает от генератора в систему. Частота генерируемого переменного тока должна соответствовать местной стандартной частоте электросети . В некоторых системах, если полезная нагрузка на генератор недостаточно высока, блок нагрузки может быть автоматически подключен к генератору для рассеивания энергии, не необходимой для нагрузки; хотя это приводит к потере энергии, это может потребоваться, если невозможно контролировать поток воды через турбину.
Асинхронный генератор всегда работает на частоте сетки независимо от его скорости вращения; все, что необходимо, - это обеспечить его привод от турбины быстрее, чем синхронная скорость, чтобы он генерировал мощность, а не потреблял ее. Другие типы генераторов могут использовать системы контроля скорости для согласования частоты.
При наличии современной силовой электроники часто проще управлять генератором на произвольной частоте и подавать его выход через инвертор, который выдает выходной сигнал на частоте сети. Силовая электроника теперь позволяет использовать генераторы с постоянными магнитами, которые производят дикий переменный ток для стабилизации. Такой подход позволяет низкоскоростным / малонапорным водяным турбинам быть конкурентоспособными; они могут работать с максимальной скоростью для извлечения энергии, а частота сети регулируется электроникой, а не генератором.
Очень маленькие установки ( пикогидро ), мощностью несколько киловатт или меньше, могут генерировать постоянный ток и заряжать батареи в часы пиковой нагрузки. [ необходима цитата ]
Типы турбин
В микрогидроустановках можно использовать несколько типов гидротурбин , выбор зависит от напора воды, объема потока и таких факторов, как доступность местного обслуживания и транспортировка оборудования на площадку. Для холмистых регионов, где может быть водопад высотой 50 метров и более, можно использовать колесо Пелтона . Для установок с низким напором используются турбины Фрэнсиса или пропеллерные . В установках с очень низким напором, всего несколько метров, можно использовать турбины пропеллерного типа в яме или водяные колеса и винты Архимеда. Небольшие микрогидроустановки могут успешно использовать промышленные центробежные насосы, работающие в обратном направлении в качестве первичных двигателей; хотя эффективность может быть не такой высокой, как у специализированного бегуна, относительно низкая стоимость делает проекты экономически целесообразными.
В установках с низким напором затраты на обслуживание и механизмы могут быть относительно высокими. Система с низким напором перемещает большее количество воды и с большей вероятностью столкнется с мусором на поверхности. По этой причине турбина Банки, также называемая турбиной Оссбергера , самоочищающееся под давлением водяное колесо с поперечным потоком, часто является предпочтительным для микрогидравлических систем с низким напором. Хотя он менее эффективен, его более простая конструкция менее дорога, чем другие малонапорные турбины той же мощности. Поскольку вода поступает внутрь, а затем выходит из нее, она очищается сама и менее подвержена забиванию мусором.
- Винтовая турбина ( винт обратного Архимеда): две схемы с низким напором в Англии, Settle Hydro и Torrs Hydro, используют винт Архимеда, который представляет собой еще одну конструкцию, устойчивую к образованию мусора. КПД 85%.
- Горлов : набегающий поток винтовой турбины Горлова или ограниченный поток с плотиной или без нее, [9]
- Фрэнсис и винтовые турбины. [10]
- Турбина Каплана : высокопроизводительная турбина пропеллерного типа с низким напором. Альтернативой традиционной турбине Каплана является медленно вращающаяся турбина VLH большого диаметра с постоянным магнитом и наклонным открытым потоком с КПД 90%. [11]
- Гидравлическое колесо : усовершенствованные гидравлические водяные колеса и реактивная турбина с гидравлической частью колеса могут иметь гидравлический КПД 67% и 85% соответственно. Максимальный КПД водяного колеса при перебеге (гидравлический КПД) составляет 85%. [12] [13] Гидравлические колеса Undershot могут работать с очень низким напором, но также имеют КПД ниже 30%. [14]
- Электростанция с гравитационным водяным вихрем : часть речного потока у плотины или естественного водопада отводится в круглый бассейн с центральным нижним выходом, который создает вихрь. Простой ротор (и подключенный генератор) приводится в движение кинетической энергией. КПД от 83% до 64% при 1/3 части потока. [ необходима цитата ]
Использовать
Системы микрогидро очень гибки и могут быть развернуты в различных средах. Они зависят от того, какой поток воды имеет источник (ручей, река, ручей) и скорость потока 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 была доступна дополнительная резервная энергия. Эти системы могут быть спроектированы так, чтобы минимизировать воздействие на население и окружающую среду, которое регулярно вызывается крупными плотинами или другими объектами массового производства гидроэлектростанций. [15]
Потенциал для развития села
Что касается развития сельских районов , простота и низкая относительная стоимость микрогидравлических систем открывают новые возможности для некоторых изолированных сообществ, нуждающихся в электроэнергии. Имея лишь небольшой поток, удаленные районы могут получить доступ к освещению и коммуникациям для домов, медицинских клиник, школ и других объектов. [16] Microhydro может даже использовать определенный уровень техники для поддержки малого бизнеса. В регионах Анд, а также в Шри-Ланке и Китае уже есть аналогичные активные программы. [16] Одним из, казалось бы, неожиданных способов использования таких систем в некоторых областях является удержание молодых членов сообщества от переезда в более городские районы с целью стимулирования экономического роста. [16] Кроме того, по мере роста возможности финансовых стимулов для менее углеродоемких процессов будущее микрогидросистем может стать более привлекательным.
Микрогидроустановки также могут использоваться в различных целях. Например, проекты микрогидроэнергетики в сельских районах Азии включали в разработку проекта предприятия по переработке сельхозпродукции, такие как рисовые мельницы, наряду со стандартной электрификацией.
Расходы
Стоимость микрогидроэлектростанции может составлять от 1000 до 5000 долларов США за установленный кВт [ необходима цитата ]
Преимущества и недостатки
Преимущества
Микрогидроэнергия вырабатывается посредством процесса, в котором используется естественный поток воды. [17] Эта энергия чаще всего преобразуется в электричество. Поскольку прямые выбросы в результате этого процесса конверсии отсутствуют, вредное воздействие на окружающую среду практически отсутствует, если оно хорошо спланировано, что позволяет обеспечивать электроэнергию из возобновляемых источников на устойчивой основе. Microhydro считается « русловой » системой, что означает, что вода, отводимая из ручья или реки, перенаправляется обратно в тот же водоток. [18] К потенциальным экономическим преимуществам микрогидроэнергетики добавляются эффективность, надежность и экономическая эффективность. [18]
Недостатки
Микрогидросистемы ограничены в основном характеристиками участка. Наиболее прямое ограничение связано с небольшими источниками с незначительным расходом. Аналогичным образом, в некоторых районах сток может колебаться в зависимости от сезона. [18] Наконец, хотя, возможно, самым главным недостатком является расстояние от источника питания до объекта, нуждающегося в энергии. [18] Эта проблема распределения, а также другие, являются ключевыми при рассмотрении использования микрогидросистемы.
Смотрите также
- Малая гидроэлектростанция до 10 000 кВт
- Пико гидро до 5 кВт
- Гидроэнергетика
- Возобновляемая энергия
- Устойчивая энергия
- Водяные колеса
- Мощность вихря
- Сила гравитации водяного вихря
Рекомендации
- ^ ТЕХНОЛОГИИ ВОЗОБНОВЛЯЕМОЙ ЭНЕРГИИ: СЕРИЯ АНАЛИЗА ЗАТРАТ (PDF) (Отчет). Международное агентство по возобновляемым источникам энергии . Июнь 2012. с. 11 . Проверено 14 января 2017 года .
- ^ «Micro Hydro в борьбе с бедностью» . tve.org . TVE / ITDG. Ноября 2004 года Архивировано из оригинала 30 июля 2007 года . Проверено 14 января 2017 года .
- ^ а б «Как работает микрогидро система» . США DOE . Проверено 28 ноября 2010 года .
- ^ а б «Микрогидроэнергетические системы» . США DOE . Проверено 28 ноября 2010 года .
- ^ а б в «Микро-гидроэлектрические системы» . Министерство энергетики штата Орегон. Архивировано из оригинального 29 ноября 2010 года . Проверено 1 декабря 2010 года .
- ^ «Определение потенциального стока микрогидроэнергетики» . США DOE . Проверено 28 ноября 2010 года .
- ^ «Подготовка земли для гидроэнергетики - возобновляемые источники энергии» . motherearthnews.com . Новости Матери-Земли . Февраль 1986 . Проверено 14 января 2017 года .
- ^ Питт, Роберт; Кларк, Ширли (я). «Модуль 3e: Сравнение уравнений потока в трубах и потерь напора в фитингах» (PDF) . eng.ua.edu . Инженерный колледж Университета Алабамы . Проверено 14 января 2017 года .
- ^ 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. «Микро-гидро» . Архивировано из оригинального 26 апреля 2009 года . Проверено 29 июня 2009 года .
- ^ «Гидровидение 2015» . vlh-turbine.com . MJ2 Technologies. й Архивировано из оригинала 16 января 2017 года . Проверено 14 января 2017 года .
- ^ Каранта и Ревелли (2015). «Оценка выходной мощности и потерь мощности при перерегулировании водяного колеса». Возобновляемая энергия . 83 : 979–987. DOI : 10.1016 / j.renene.2015.05.018 .
- ^ Каранта и Мюллер (2017). «Гидравлические колеса Sagebien и Zuppinger для гидроэнергетики с очень низким напором». Гидравлические исследования .
- ^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 26 декабря 2017 года . Проверено 25 декабря 2017 года .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка )
- ^ «Микрогидро» . Научно-исследовательский институт устойчивой энергетики . Проверено 9 декабря 2010 года .
- ^ а б в «Микро-гидро» . Премия Ashden Awards за устойчивую энергетику. Архивировано из оригинала на 1 ноября 2010 года . Проверено 20 ноября 2010 года .
- ^ «Микрогидроэнергетика» (PDF) . США DOE . Проверено 20 ноября 2010 года .
- ^ а б в г «Микрогидроэнергетика - плюсы и минусы» . Сеть новостей альтернативной энергетики . Проверено 24 ноября 2010 года .
Внешние ссылки
- Портал по микрогидроэнергетике
- SMART - Стратегии продвижения маломасштабного производства гидроэлектроэнергии 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
- Micro Hydro Association UK
- Специалист по гидроэнергетике , Национальная инженерная лаборатория Айдахо
- Победители конкурса Ashden Awards в области гидроэнергетики
- Пример новой микрогидросистемы Шотландского нагорья
- Дом построенный микрогидро проект
- Микрогидро в Афганистане с чертежами оборудования
- Транспортная микрогидроэнергетика Kourispower