Микрогидроэлектростанции — это тип гидроэлектростанций , которые обычно вырабатывают от 5 кВт до 100 кВт электроэнергии, используя естественный поток воды. Установки мощностью менее 5 кВт называются пикогидроэлектростанциями . [1] Эти установки могут обеспечивать электроэнергией изолированный дом или небольшое сообщество, или иногда подключаются к электрическим сетям, особенно там, где предлагается чистый учет . 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 достигают максимума зимой, когда солнечная энергия находится на минимуме. Микрогидроэлектростанции часто комплектуются колесом Пельтона для подачи воды с высоким напором и низким расходом. Установка часто [ когда? ] [ где? ] представляет собой просто небольшой запрудный бассейн на вершине водопада с несколькими сотнями футов трубы, ведущей к небольшому корпусу генератора. На участках с низким напором [ нужен пример ] обычно используются водяные колеса и винты Архимеда . [ нужна цитата ]
Конструктивные особенности микрогидроэлектростанции зависят от места. Иногда существующий пруд-мельница или другой искусственный водоем доступны и могут быть адаптированы для производства электроэнергии. В целом, микрогидросистемы состоят из ряда компонентов. [3] Наиболее важными из них являются водозабор, где вода отводится из естественного ручья, реки или, возможно, водопада. Требуется водозаборная конструкция, такая как улавливающий короб, для отсеивания плавающего мусора и рыбы, с использованием экрана или ряда прутьев, чтобы не допустить попадания крупных объектов. В умеренном климате эта конструкция также должна противостоять льду. Водозабор может иметь затвор, позволяющий осушать систему для осмотра и обслуживания.
Затем водозабор поступает через канал, а затем через водозабор. Водозабор используется для удержания осадка. В нижней части системы вода подается через трубопровод ( напорный водовод ) в здание электростанции, содержащее турбину . Напорный водовод создает давление от воды, которая прошла вниз. В горных районах доступ к маршруту напорного водовода может представлять значительные трудности. Если источник воды и турбина находятся далеко друг от друга, строительство напорного водовода может составлять наибольшую часть затрат на строительство. На турбине устанавливается регулирующий клапан для регулирования расхода и скорости турбины. Турбина преобразует расход и давление воды в механическую энергию; вода, выходящая из турбины, возвращается в естественный водоток по отводящему каналу. Турбина вращает генератор , который затем подключается к электрическим нагрузкам ; 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 микрогидроустановки не имеют плотины и водохранилища, как крупные гидроэлектростанции , полагаясь на минимальный расход воды, доступный круглый год.
Микрогидросистемы обычно устанавливаются в районах, способных производить до 100 киловатт электроэнергии. [4] Этого может быть достаточно для питания дома или небольшого предприятия. Этот диапазон производства рассчитывается в терминах «напора» и «потока». Чем выше каждый из них, тем больше доступной энергии. Гидравлический напор — это измерение давления воды, падающей в трубе, выраженное в зависимости от вертикального расстояния, по которому падает вода. [4] Это изменение высоты обычно измеряется в футах или метрах. Требуется перепад не менее 2 футов, иначе система может оказаться невыполнимой. [5] При количественной оценке напора необходимо учитывать как общий, так и чистый напор. [5] Общий напор приблизительно определяет доступность энергии только посредством измерения 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, и обычно измеряется в галлонах в минуту, кубических футах в секунду или литрах в секунду. [6] Установки с низким расходом/высоким напором на крутой местности требуют значительных затрат на трубы. Длинный напорный трубопровод начинается с трубы низкого давления в верхней части и постепенно переходит в трубу более высокого давления ближе к турбине, чтобы снизить затраты на трубы.
Доступная мощность в киловаттах от такой системы может быть рассчитана с помощью уравнения P=Q*H/k, где Q — расход в галлонах в минуту, H — статический напор, а k — константа 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 факторов, 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]
Обычно автоматический контроллер управляет впускным клапаном турбины для поддержания постоянной скорости (и частоты) при изменении нагрузки на генераторе. В системе, подключенной к сети с несколькими источниками, управление турбиной обеспечивает постоянную подачу мощности от генератора в систему. Частота вырабатываемого переменного тока должна соответствовать местной стандартной частоте коммунальной сети . В некоторых системах, если полезная нагрузка на генераторе недостаточно высока, к генератору может автоматически подключаться блок нагрузки для рассеивания энергии, не требуемой нагрузкой; хотя это и 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 он приводился в движение турбиной быстрее синхронной скорости, чтобы он вырабатывал энергию, а не потреблял ее. Другие типы генераторов могут использовать системы управления скоростью для согласования частоты.
При наличии современной силовой электроники часто проще управлять генератором на произвольной частоте и подавать его выход через инвертор , который выдает выход на частоте сети. Силовая электроника теперь позволяет использовать генераторы переменного тока с постоянными магнитами, которые вырабатывают дикий переменный ток для стабилизации. Такой подход позволяет низкоскоростным/низконапорным водяным турбинам быть конкурентоспособными; они могут работать на наилучшей скорости для извлечения энергии, а частота питания контролируется электроникой, а не генератором.
Очень маленькие установки ( пикогидро ), мощностью несколько киловатт или меньше, могут генерировать постоянный ток и заряжать аккумуляторы в часы пиковой нагрузки. [ необходима цитата ]
Несколько типов водяных турбин могут использоваться в микрогидроустановках, выбор зависит от напора воды, объема потока и таких факторов, как доступность местного обслуживания и транспортировки оборудования на место. Для холмистых регионов, где может быть водопад высотой 50 метров или более, можно использовать колесо Пелтона . Для установок с низким напором используются турбины Фрэнсиса или пропеллерного типа . Установки с очень низким напором, всего в несколько метров, могут использовать пропеллерные турбины в шахте 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 специально изготовленного рабочего колеса, относительно низкая стоимость делает проекты экономически осуществимыми.
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 сталкивается с поверхностным мусором. По этой причине турбина Банки , также называемая турбиной Оссбергера , напорное самоочищающееся поперечноточное водяное колесо, часто является предпочтительной для микрогидросистем с низким напором. Хотя она менее эффективна, ее более простая конструкция менее затратна, чем другие турбины с низким напором той же мощности. Поскольку вода втекает в нее, а затем вытекает из нее, она очищается сама и менее склонна к засорению мусором.
Микрогидросистемы очень гибкие и могут быть развернуты в различных средах. Они зависят от того, какой поток воды имеет источник (ручей, река, ручей) и скорости потока воды. Энергия может храниться в аккумуляторных батареях на участках, которые находятся далеко от объекта или использоваться в дополнение к системе, которая напрямую подключена, так что в периоды высокого спроса будет доступен дополнительный резерв энергии. Эти системы могут быть спроектированы для минимизации воздействия на сообщество и окружающую среду, регулярно вызываемого большими плотинами или другими местами массового производства гидроэлектроэнергии. [15]
Что касается развития сельской местности , простота и низкая относительная стоимость микрогидросистем открывают новые возможности для некоторых изолированных сообществ, нуждающихся в электричестве. При наличии лишь небольшого потока удаленные районы могут получить доступ к освещению и коммуникациям для домов, медицинских клиник, школ и других объектов. [16] Микрогидросистемы могут даже управлять определенным уровнем техники, поддерживающей малый бизнес. Регионы вдоль Андских гор, а также в Шри-Ланке и Китае уже имеют аналогичные активные программы. [16] Одним из, казалось бы, неожиданных применений 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 возможности финансовых стимулов для менее углеродоемких процессов будущее микрогидросистем может стать более привлекательным.
Микрогидроустановки также могут обеспечивать многоцелевое использование. Например, микрогидропроекты в сельской Азии включают в себя агроперерабатывающие предприятия, такие как рисовые мельницы, наряду со стандартной электрификацией, в проектную документацию.
Стоимость микрогидроэлектростанции может составлять от 1000 до 5000 долларов США за установленный кВт [ требуется ссылка ]
Микрогидроэлектроэнергия вырабатывается с помощью процесса, который использует естественный поток воды. [17] Эта энергия чаще всего преобразуется в электричество. При отсутствии прямых выбросов в результате этого процесса преобразования, вредное воздействие на окружающую среду практически отсутствует, если все хорошо спланировано, таким образом, поставляя энергию из возобновляемого источника и устойчивым образом. Микрогидроэлектростанция считается системой « руслового течения », что означает, что вода, отведенная из ручья или реки, перенаправляется обратно в тот же водоток. [18] К потенциальным экономическим преимуществам микрогидроэлектростанций добавляются эффективность, надежность и экономическая эффективность. [18]
Микрогидросистемы ограничены в основном характеристиками участка. Наиболее прямое ограничение исходит от небольших источников с крошечным потоком. Аналогично, поток может колебаться в зависимости от сезона в некоторых районах. Наконец, хотя, возможно, самым главным недостатком является расстояние от источника питания до участка, нуждающегося в энергии. Этот вопрос распределения, а также другие являются ключевыми при рассмотрении использования микрогидросистемы.
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )