Klein hidro- en in-pyp hidro
Water wat bergafwaarts loop is die oudste masjienkrag wat daar is. 'n Klein turbine in die regte stroom, dam of waterhoof maak elektrisiteit dag en nag vir dekades. Die vangs is dat meeste plekke baie minder daarvan het as wat mense hoop, en een vergelyking vertel jou hoeveel.
Ian S, via geograph.org.uk and Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0)
Voor stoom, het molens langs elke rivier water in werk verander Baie van hul dam en kanale is nog daar Hydropower is nog steeds die grootste bron van hernubare elektrisiteit op aarde, ongeveer 15% van die wêreld se elektrisiteit in 2023, meestal uit groot damme (Hydroelectricity). Hierdie bladsy handel oor die ander kant van die skaal: turbines van ‘n paar kilowatt tot ‘n paar megawatt in strome, ou molenwerwe, irrigasiekanale en die pype wat drinkwater na stede dra.
Soos op ons Fan Wall-navorsingsbladsy, begin ons met die fisika, kyk dan na wat werklike skemas meet en wat hulle kos teenoor ons standaard, ‘n daksonpaneel van ongeveer $0.19 per kWh. Die kort weergawe: **klein hidro is bewys, lankleef en loop in die nag, en ‘n goeie plek kan dak sonnestelsel gemaklik klop Maar krag is net vloeityd afneem, meeste strome en pype bied slegs ‘n paar kilowatts aan, en die vaste koste van vergunnings, burgerlike werke en visbeskerming sink baie klein skemas. In-pipe hydro maak net sin waar druk alreeds weggegooi word. **
Wat dit is
“Kleine hidro” dek ‘n verskeidenheid masjiene, gewoonlik geklassifiseer volgens grootte: klein tot ongeveer 10 MW, mini onder 1 MW of 500 kW afhangende van die land, mikro onder 100 kW en pico onder 5 tot 10 kW (Kleine hydro; Mikro hydro). Alreeds loop-van-rivier: in plaas van ‘n reservoir, lei ‘n lae dam ‘n deel van ‘n rivier deur ‘n turbine af en stuur dit terug onderstroom toe.
In-pyp of kanaal hidro wat reeds bestaan, plaas: waterleidings wat vanuit ‘n reservoir afloop, die vensters wat druk verminder voordat water huise bereik, irrigasiekanale met druppels en die uitlopers van behandelingswerke. Geen nuwe dam en geen nuwe rivier oorsteek nie, wat is waarom die Verenigde State kanaalprojekte tot 5 MW van federale lisensiëring in 2013 vrygestel het
Hoe dit werk
Die een vergelyking. ‘n Hydro-turbine draai die potensiële energie van vallende water in elektrisiteit om. Die vermoë is P = ρ × g × Q × H × η, waar ρ die digtheid van water (1000 kg per kubieke meter) is, g die gewigsverlies (9.81 m/s²), Q die stroom in kubieke meter per sekonde, H die kop, of hoogte waarop die water val, in meter, en η die doeltreffendheid van turbine, generator en pype saam. Plaas dit eenvoudig: elke kubieke meter wat ‘n sekonde val dra 9.81 kW. Groot turbines skakel meer as 90% daarvan om; klein eentjies gewoonlik 50 tot 85% (Mikro-hidro).
Kop en vloei plaas handel. ‘n Bergstroom met ‘n druppeltjie vloei en ‘n 100 m daling kan dieselfde krag lewer as ‘n laaglandrivier met honderd keer die vloei oor ‘n 1 m dam. Die turbine volg die terrein:
- Hoë kop, lae stroom (tiens tot honderde meter): Pelton en Turgo-wiele, getref deur strale water.
- Medium head: Francis en kruisvloei turbines.
- Lae kop, hoë vloei (1 tot 10 m): Kaplan-propellers en Argimedes-skroewe, wat stadig draai, vuiligheid deurlaat en sag is op vis.
- In pype: spesiale in-lyn turbines, of standaard pompe loop agteruit as turbines, ‘n wyd gebruik lae-koste opsie.
Druk is kop. In ‘n pyp word hoogte as druk getoon: een staaf is gelyk aan ongeveer 10,2 m van kop. Dis die sleutel tot in-pyp hidro Stede hou waterleidings op ‘n paar bars; waar ‘n leiding vanuit ‘n reservoir afloop, sal die druk te hoog wees vir huishoudelike gebruik, dus drukverminderende klep gooi die oortollige weg as hitte en geraas. ‘n Turbine in die plek van daardie klep herstel dit Die verklaarder se “ventiel in ‘n waterleiding” voorbeeld, 0.3 kubieke meter per sekonde oor 3 bar, is ongeveer 60 kW wat anders verspil word.
Daar is geen gratis ete in ‘n pyp nie. ‘n Turbine kan net druk neem wat nie onderstroom nodig is nie. As jy een in ‘n pyp sit wat druk nodig het, steel dit van die kliënte of laat die pompe harder werk, wat meer elektrisiteit kos as wat die turbine maak Goeie in-pyp plekke is daarom spesifiek: swaartekrag netwerke met oormaat druk, groot genoeg vloei en stabiele gebruik. Een ontwikkelaar se eie terrein kriteria was pype van 0,6 tot 2,4 m in diameter, vloei spoed van 0,9 tot 3,7 m/s en ten minste 5 psi (0,34 bar) van oortollige druk (Lucid Energy, gearchiveer).
Kapasiteitsfaktor kom van die rivier. Riviere styg en val met die seisoene, en ‘n skema moet genoeg water in die rivier laat vir vis en alles anders. ‘n Klein rivierstroom-aanleg is gewoonlik groot genoeg om die stroom wat beskikbaar is vir ‘n goeie deel van die jaar te gebruik; Settle se 50 kW-skroef loop met ‘n kapasiteitsfaktor van 38% en sluit homself af in droë periodes om water deur sy vispas te laat vloei.
Die grense: teoreties en prakties
Fisika. Die energie is net so groot as die stroom maal die druppel. ‘n Tuinstroom met 10 liter per sekonde wat 5 m afloop gee ongeveer 0,3 kW, genoeg vir ligte en ‘n yskas maar nie die verwarming van ‘n huis nie ‘n Gewone water hoofventiel gee tientalle kilowatts. Dit is die eerlike skaal van meeste klein webwerwe: kilowatts, nie megawatts nie.
Vaste kostes. ‘n 20kW-skema benodig byna dieselfde opname, omgewingstudies, vergunnings, visbeskerming, netverbinding en wetlike werk as ‘n 500kW-skema. Hierdie koste krimp nie met grootte nie, dus is die kleinste skemas dikwels die duurste per kWh.
Omgewing. Waterputte blokkeer vismigrasie, en turbines kan visse beseer Selfs met ‘n visladder, het die gemeenskapsoperateurs by Settle minder salm wat stroomop gegaan het, gerapporteer en vermoed geraas van die skroefie (Settle Hydro). Baie lande vereis nie ‘n volledige omgewingsbeoordeling vir klein skemas nie, wat tot swak geplaasde plante in sommige streke gelei het (Kleine hidro). ‘n Goeie projek laat genoeg water in die rivier, laat vis beide kante toe en word gemonitor
Waterveiligheid. Turbines binne die drinkwaterleiding raak water wat mense drink. Hulle moet gesertifiseer wees vir kontak met drinkwater, mag nooit lug of besoedeling inlaat nie en moet veilig breek, sodat ‘n nutsmaatskappy nie so maklik met sy hoofstroom sal eksperimenteer nie
Eise
| Projek | Waar | Tipe en grootte | Wat gemeet of gerapporteer is |
|---|---|---|---|
| Nedersetting Hydro | River Ribble, Noord Yorkshire, Engeland | Archimedes-skroef op ‘n molenwerf, 50 kW | Gegenereer sedert November 2009; ongeveer 165 MWh per jaar (38% kapasiteitsfaktor); £410,000 opgewek deur gemeenskapsaandele; operators rapporteer minder salm bostrooms en vermoed skroeflawaai (Settle Hydro) |
| Torrs Hydro | River Goyt, New Mills, Engeland | Archimedes-skroef, 2,4 m diameter, tot 63 kW | Die VK se eerste gemeenskapseie hidro-skema, oorhandig in September 2008; £100,000 opgewek van 200 gemeenskapslede (Torrs Hydro) |
| LucidPipe, Portland Water Bureau | AdaCity in Oregon USA | In-lyn turbines binne ‘n groot swaartekrag-gevoede water hoof | Geïnstalleer in die stad se waterpype en begin vroeg in 2015 genereer (Oregon Department of Energy; Lucid Energy news, archived 2015). Ons het geen gepubliseerde rekord van sy gemete jaarlikse uitset gevind nie, en teen 2022 is die ontwikkelaar se webdomein vir verkoop aangebied (geargiveerde bladsy). |
| Noord-KaapRegion/ state in France | Naby Madras, Oregon, VSA | Geleidingswaterkrag op ‘n irrigasiekanaal (Natel Energy) | Een van die bedryfskanaalprojekte wat deur die Oregon-departement van energie (Oregon Department of Energy) gelys is |
| US conduit exemptions | Vereenigde State van Amerika | Piepe en kanale | 236 kanaalprojekte is deur die federale reguleerder in 2013 goedgekeur (Kanaalhidro-elektrisiteit) |
| Sjina se klein hidro | Landelike China | Ongeveer 45,000 klein plante | Ongeveer 160 TWh per jaar teen 2010, waarvan baie dorpe wat geen elektrisiteitstelsel gehad het, aangedryf word (Kleine hidro) |
Die lesse van hierdie projekte is konsekwent. Waar die kop, vloei en ‘n struktuur reeds bestaan, werk klein hidro-kragstasies al dekades lank: molenwerwe uit die industriële revolusie maak weer elektrisiteit. Waar die hulpbron dun is, is die uitset klein maak nie saak hoe slim die turbine is nie In-pipe hidro in die besonder het ‘n baie entoesiastiese pers gehad en min gepubliseerde metings; die fisika is goed, maar goeie plekke is spesifiek en die mark het klein gebly.
Wat dit kos
| Bron | Wat dit is | Prijs |
|---|---|---|
| Mikro-hidro, tipiese geïnstalleer koste | $1,000 to $5,000 per kW (Mikro-hidro) | |
| Ons berekening vanuit daardie omvang | 40 tot 60% kapasiteitsfaktor, 20 jaar teen 7% reël, onderhoud 3% van die belegging per jaar (die Ventilatormuur-metode) | $0.02 to $0.18 per kWh |
| Settle Hydro, ons berekening | £410,000 for 165 MWh a year, 20 to 40 years at 7% real, 3% maintenance | £0.26 tot £0.31 per kWh |
| Ons standaard | Rooftop sonkrag op ‘n gebou, Fan Wall model; Lazard 2026 kommersiële en gemeenskapssonkrag | $0.19 per kWh; $0.09 to $0.20 |
| Lazard (Junie 2026) | Nuwe nuts zonne- / onshore wind | $0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 per kWh |
Die reeks is breed omdat die plekke is. A good high-head site with an existing intake can make electricity for a few cents per kWh, far below rooftop solar, and keep doing it for fifty years. ‘n Klein gemeenskapsskema met volle visbeskerming, soos Settle, kos meer per kWh as daksonkrag op ons standaardveronderstellings; so ‘n skema word gewoonlik verdedig deur lang lewe, plaaslike eienaarskap, uitset by nag en in die winter, en ondersteuningstariewe. Vir in-pyp hidro is die vraag eenvoudiger: word daar oortollige druk vernietig in ‘n klep vandag? As ja, kan dit betaal om te herstel; as nee, is daar niks om te herstel nie.
Waar dit kan wen, en waar dit nie kan nie
Dit kan wen:
- Bestaande dam en molen terreine, waar die burgerlike werke ‘n eeu of twee gelede betaal is.
- Waterdienste met swaartekragnetwerke, reservoiruitlaatgate en drukverminderende kleppe wat elke uur van die dag druk weggooi.
- Irrigasiekanale met druppels, en die uitloop van afvalwaterbehandelingswerke.
- Off-grid bergdorpe, waar ‘n mikro-hidro mini-netwerk dag en nag teen laer koste as dieselkrag kan voorsien.
- Nat en winterkrag op plekke waar sonpanele min maak.
Dit kan nie wen nie:
- In ‘n vlak land met klein strome: sonder kop of stroom is daar geen krag nie.
- In pype wat hul druk nodig het, waar ‘n turbine net die energierekening van een meter na ‘n ander beweeg.
- Waar ‘n nuwe dam visse sou skade berokken in ‘n rivier wat vir hulle belangrik is, tensy die skade vermeide en getoon kan word.
- Op pico skaal op die rooster, waar vaste kostes die energie verduister.
Wat bewys is, plausibel en spekulatief
Getoets: die hidrokragvergelyking; turbine-effektiwiteit; dat klein hidro-skemas vir dekades met lae loopkoste loop; dat Archimedes-skroewe en konvensionele turbines op ou werwe werk; dat gemeenskapseiendom klein skemas kan finansier; dat kanaalprojekte in water- en irrigasiestelsels opereer.
Plaaslike: dat baie waternuusdienste genoeg oormaatdruk by vensters en reservoiruitlaatgate het vir nuttige kilowatts op elke plek; dat standaardpompe wat as turbines loop, die koste van in-pypskemas kan verlaag; dat nuwe visvriendelike ontwerpe skade by laekosteplekke kan verminder.
Spekulatief: in-pipe turbines in gewone distribusiepype sonder oormaat druk (die energie moet ergens vandaan kom); groot nasionale bydraes van mikro-hidro in lande met min water; baie goedkoop “plug-in” rivierturbines sonder die gebruiklike burgerlike werke en vergunnings.
Open navorsing vrae
- Kaarte van oortollige druk. Hoeveel energie vernietig waternetwerke vandag in vensters, plek vir plek, en hoe stabiel is dit deur die dag en jaar?
- Bestuur. Turbines wat druk onderstroom so stabiel hou as die klep wat hulle vervang, selfs wanneer die vraag verander.
- Vis Watter turbine ontwerpe en skerms laat vis beide kante toe met lae beserings, gemeet, nie aangeneem nie?
- Koste. Gestandaardiseerde klein skemas met minder op maat gemaakde burgerlike werke, en eenvoudiger vergunnings vir plase wat reeds waterkraan het.
- Warmte sowel as krag. Riviere en waterleidings is ook stabiele hittebronne vir warmtepomp; kan een skema beide doen?
Wat ‘n werklike prototipe nodig sou hê
‘n Klein hidro-idee is een van die maklikste om eerlik te toets, want water, pype en meters is alledaagse dinge. Die kostes hieronder is ons grofste skattings.
| Fase | Werk | Wat dit bewys | Grof koste | Tyd |
|---|---|---|---|---|
| 1. Bench rig | ‘n Pomplus of koptank met gemete vloei (vloeimeter) en druk (maats voor en ná), turbine wat ‘n lasbank deur ‘n aangetekende kragmeter dryf | Effek teen stroom en kop | $5k to $30k | 1 tot 3 maande |
| 2. Echte site proef | ‘n 1 tot 20 kW-eenheid op ‘n besproeiingskanaal, boerderypyp of by die ventiel van ‘n nutsmaatskappy, met waterkwaliteitswaarborge waar nodig, wat vir ‘n seisoen hout sny | Werklike uitset oor veranderende stroom, rommel, onderhoud | $20k to $150k | 6 tot 12 maande |
| 3. Nuts- of gemeenskapspiloot | ‘n Toegelaat installasie met netwerkverbinding, vismonitoring of drinkwatersertifikasie soos nodig | Bankbare jaarlikse energie, vergunnings, koste | $100k to $1 miljoen | 1 tot 2 jaar |
Fase 1 is binne bereik van ‘n skool of ‘n maak-ruimte. Dit is ook presies die bewys wat ‘n toneel nodig het: ‘n turbine, ‘n gemete vloei, ‘n gemete daling en ‘n meter wat die elektrisiteit toon wat dit gemaak het
Wie benodig ons?
- Hidrauliese en hidrokrag ingenieurs vir terreinbeoordeling en turbine-keuse.
- Waternuus ingenieurs wat weet waar druk verminder word en hoe netwerke gedurende die dag optree.
- Visvangbioloë vir ontwerp en monitering van vispaaie.
- Elektriese ingenieurs vir kleingenerators, netwerkverbindings en eilandmini-netwerke.
- Siviele ingenieurs vir inlaat, werwe en skerms.
- Gemeenskapsenergiegroepe en landeienaars met dam, molen of boerderypyplyn.
- Drinkwatersertifiseringspesialis vir alles binne ‘n drinkbare hoofstroom.
Het jy ‘n beter idee?
Sommige lede van die stichting het dalk kontakte wat ‘n voorstel kan aanhoor Om te kan versprei, benodig ‘n idee werklike model wat werklik krag produseer en, met sy uitset gemeet op ‘n instrument, nie geëis: ‘n turbine op ‘n toetsrig met ‘n vloeimeter, drukmeters en ‘n aangetekende kragmeter is meer werd as enige tekening. Papier idees is ook welkom: as die fisika en getalle solide is, kan ons dit hier op die webwerf publiseer. Maar kapitaal op te wek sonder ‘n werkbare model is baie moeilik, en niks hier is ‘n belofte van fondse, terugkeer of bekendstellings.
Stuur jou idee deur die bydraevorm, kies die Groene Inisiatief. Vertel ons die stroom en hoogte waarmee dit werk, die doeltreffendheid wat jy gemeet het of verwag, ‘n grof koste per kWh, en die goedkoopste toets wat dit verkeerd kan bewys Die energiebronne bladsy vergelyk klein hidro met elf ander idees.
Bronne
- Hidro-elektrisiteit, Wikipedia: aandeel van wêreld elektrisiteit en turbine doeltreffendheid.
- Klein hidro, Wikipedia, teruggevoer vanaf UNIDO se Wêreld Klein Hydropower Ontwikkelingsverslag 2022.
- Mikro-hidro, Wikipedia: grootteklasse, doeltreffendheid en geïnstalleer koste.
- Geleidingswaterkrag, Wikipedia.
- Hydropower Regulatory Efficiency Act of 2013, Wikipedia; teks by congress.gov.
- Settle Hydro en Torrs Hydro, Wikipedia.
- Oregon Departement van Energie. Hidrokrag in Oregon, insluitend kanaalprojekte in Portland en by die Noord-Eenheid Irrigasiedistrik.
- Lucid Energy. Target projects (gearchiveer 2021) en lucidenergy.com (gearchiveer 2022).
- Run-of-the-river hydroelectricity, Wikipedia: seisoenaliteit en omgewingseffek.
- Ofgem (2023). Typiske huishoudelike verbruikswaardes: 2,700 kWh elektrisiteit per jaar vir ‘n gemiddelde gebruiker.
- Lazard (Junie 2026). Vergelykte koste van energie+, weergawe 19.
- Local Solar System Stifting. Die Ventilatormuur: oop model en standaard, daksonkrag teen $ 0.19 per kWh.
- Waterturbine, Wikipedia: tipiese reeks van koppe vir elke turbine tipe, van waterwiele (0.2 tot 4 m) tot Pelton-wiele (80 tot 1,600 m).