Малки хидро и вътретръбни хидро

Преди парата, мелниците покрай всяка река са превръщали водата в работа. Много от техните язовирчета и канали са все още там. Хидроенергията все още е най-големият източник на възобновяема електроенергия на Земята, около 15% от световната електроенергия през 2023 г., предимно от големи язовири (Хидроелектричество). Тази страница е за другия край на скалата: турбини от няколко киловатчаса до няколко мегавата в потоци, стари мелнични язовири, напоителни канали и тръбите, които носят питейна вода до градовете.

Както на нашия Страница за изследване на фен стенатаЗапочваме с физиката, след това разглеждаме какво измерват реалните схеми и колко струват спрямо нашия бенчмарк, слънчев панел на покрива при около $0.19 за кВтч. Кратка версия: малката хидро е доказана, дълготрайна и работи през нощта, а доброто място може да победи слънчевата енергия на покрива удобно. Но мощността е просто спад на потока, повечето потоци и тръби предлагат само няколко киловатчаса, а фиксираните разходи за разрешителни, строителни работи и защита на рибата потъват много малки схеми. Вградената хидротехника има смисъл само там, където налягането се изхвърля така или иначе.

Какво е това?

“Small hydro” covers a range of machines, usually classed by size: small up to about 10 MW, mini below 1 MW or 500 kW depending on the country, micro below 100 kW and pico below 5 to 10 kW (Small hydro; Micro hydro). Почти всичко е по течението на реката: вместо резервоар, нисък язовир отклонява част от реката чрез турбина и я връща надолу по течението.


Вградена в тръбата или канала хидро поставя турбини във водната инфраструктура, която вече съществува: водопроводи, които се движат надолу по склон от резервоар, клапани, които намаляват налягането преди водата да достигне домовете, напоителни канали с капки и изходи на пречиствателни станции. Няма нови язовири и няма нови речни преходи, поради което САЩ освободиха проектите за тръбопроводи до 5 от федералното лицензиране през 2013 г.

Как работи

Едното уравнение. Хидротурбината превръща потенциалната енергия на падащата вода в електричество. Силата е P = ρ × g × Q × H × η, където ρ е плътността на водата (1000 кг на кубичен метър), g е гравитацията (9,81 м/с²), Q дебитът в кубически метра в секунда, H височината, на която пада водата в метра, и η ефективността на турбината, генератора и тръбопроводите заедно. По-просто казано: всеки кубичен метър, който пада за секунда с един метър носи 9.81 кВт. Големите турбини преобразуват над 90% от нея; малките обикновено 50 до 85% (Микро хидро система).


Търговски места за глава и поток. Планински поток с малък дебит и 100-метров спад може да произведе същата енергия като ниска река със сто пъти по-голям дебит над 1-метров язовир. Турбината следва обекта:

• Висока глава, нисък дебит (от десетки до стотици метра): Пелтон и Турго колела, ударени от водни струи.
• Средна глава: Франсисови и кръстосано-проточни турбини.
• Ниска глава, висок дебит (1 до 10 м): Капланови витла и Винтове на Архимед, които се въртят бавно, преминават отломки и са по-нежни към рибата.
• В тръби: специални турбини или стандартни помпи, които работят назад като турбини, широко използван вариант с ниска цена.

Налягането е главата. В една тръба височината се показва като налягане: един бар е равен на около 10,2 м височина. Това е ключът към вградената хидроенергия. Градовете поддържат водопроводите на няколко бара; когато водата тече надолу по хълма от резервоара, налягането би било твърде високо за домовете, така че Редуктор на налягането изхвърля излишъка като топлина и шум. Турбина на мястото на този клапан я възстановява. Примерът на обяснителя за “клапан във водопровод”, 0,3 кубически метра в секунда при 3 бара, е около 60 кВт, които иначе се губят.

Няма безплатен обяд в една тръба. Турбината може да поеме само налягане, което не е необходимо надолу по течението. Поставянето на турбина в тръба, която се нуждае от цялото си налягане, просто я краде от клиентите или кара помпите да работят по-усилено, което струва повече електричество, отколкото турбината прави. Затова добрите места за вграждане са специфични: гравитачни мрежи с изключително налягане, достатъчно голям дебит и стабилно използване. One developer’s own site criteria were pipes of 0.6 to 2.4 m in diameter, flow speeds of 0.9 to 3.7 m/s and at least 5 psi (0.34 bar) of surplus pressure (Lucid Energy, archived).


Факторът на капацитета идва от реката. Реките се издигат и падат със сезоните, а схемата трябва да остави достатъчно вода в реката за риба и всичко останало. Малките централи, работещи на река, обикновено са с размерите да използват наличните водни количества за голяма част от годината; 50-киловатовата винтова електроцентрала работи при капацитет от 38% и се изключва в периоди на суша, за да поддържа водата да тече през прохода за риба.

Ограниченията: теоретични и практически

Физика. Енергията е толкова голяма, колкото потока по капката. Градински поток с 10 литра в секунда, падащ от 5 м дава около 0.3 кВт, достатъчно за осветление и хладилник, но не и за отопление на дома. Типичен главен клапан за вода дава десетки киловатчасове. Това е честният мащаб на повечето малки сайтове: киловат, а не мегават.

Фиксирани разходи. Схема с мощност 20 кВт изисква почти същите проучвания, екологични изследвания, разрешителни, защита на рибата, мрежово свързване и правна работа като схемата с мощност 500 кВт. Тези разходи не се свиват с размера, така че най-малките схеми често са най-скъпите на кВтч.

Околна среда. Язовирите блокират миграцията на рибата, а турбините могат да я навредят. Дори и с стълба за риба, операторите на общността в Сетъл съобщават за по-малко сьомга, преминаваща нагоре по течението и подозират шум от винта (Сетл Хидро ООД). Много държави не изискват пълна екологична оценка за малки схеми, което доведе до лошо разположени централи в някои региони (Малка хидроелектрическа централа). Един добър проект оставя достатъчно вода в реката, преминава рибата и в двете посоки и се наблюдава.


Безопасност на водата. Турбините в водопроводите докосват водата, която хората пият. Те трябва да бъдат сертифицирани за контакт с питейна вода, никога не трябва да позволяват навлизането на въздух или замърсители и трябва да са безопасни, така че комуналната служба няма да експериментира с мрежата си леко.


Реални проекти, измерени

Проект	Къде	Вид и размер	Какво е било измерено или докладвано
Сетъл Хидро	Рибъл, Северен Йоркшър, Англия	Архимедов винт на мелничен язовир, 50 кВт	Generating since November 2009; about 165 MWh a year (38% capacity factor); £410,000 raised through community shares; operators report fewer salmon upstream and suspect screw noise (Settle Hydro)
Торс Хидро	Река Гойт, Ню Милс, Англия	Архимедов винт, диаметър 2.4 м, до 63 кВт	Първата обществена хидроелектрическа схема в Обединеното кралство, предадена през септември 2008 г.; £100,000 набрани от 200 членове на общността (Торс Хидро)
ЛусидПайп, Портландско бюро по водите	Портланд, Орегон, САЩ	Редови турбини в голям водопровод с гравитачно захранване	Инсталиран във водопроводите на града и генериращ до началото на 2015 г. (Министерство на енергетиката; Новини от Лусид Енерджи, архивирани 2015Не открихме публикуван запис за измерената му годишна продукция, а до 2022 г. уеб домейнът на разработчика се предлагаше за продажба (въпреки че не е бил публикуван).Архивирана страница »).
Северен напоителен район	Близо до Мадрас, Орегон, САЩ	Водопровод на напоителен канал (Нател Енерджи)	Един от проектите за експлоатация на тръбопроводи, изброени от Министерството на енергетиката на Орегон (Министерство на енергетиката)
Изключения от американските правила	Съединени американски щати	Тръби и канали	236 проекта за газопроводи са били разрешени от федералния регулатор до 2013 г. (Водопроводна водноелектрическа енергия)
Малката водноелектрическа централа на Китай	Селски Китай	About 45,000 small plants	Около 160 TWh годишно до 2010 г., голяма част от които захранват села, които нямат мрежа (Малка хидроелектрическа централа)

Поуката от тези проекти е последователна. Там, където вече съществуват водоизточник, поток и конструкция, малките водноелектрически централи работят от десетилетия: мелничните язовирчета от индустриалната революция отново произвеждат електричество. Когато ресурсът е оскъден, продукцията е малка, без значение колко умна е турбината. В тръбната хидроенергия в частност имаше ентусиазирана преса и малко публикувани измервания; физиката е солидна, но добрите обекти са специфични и пазарът остана малък.


Колко струва

Източник	Какво е това?	Цена
Микро хидро, типична инсталирана цена	$1,000 to $5,000 за кВт (Микро хидро система)
Нашето изчисление от този диапазон	40 до 60% капацитет, 20 години при 7% реален, поддръжка 3% от инвестицията на година (методът на вентилаторната стена)	$0.02 to $0,18 за kWh
Сетл Хидро, нашите изчисления	£410,000 за 165 на година, 20 до 40 години при 7% реална цена, 3% поддръжка	около £0.26 до £0.31 за кВтч
Нашият еталон за сравнение	Rooftop solar on a building, Fan Wall model; Lazard 2026 commercial and community solar	$0.19 за kWh; $0.09 to $0.20
Лазард (юни 2026 г.)	Нова комунална соларно / наземно вятърна енергия	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 на kWh

Диапазонът е широк, защото сайтовете са. Добро място с голяма височина и съществуващ вход може да произвежда електричество за няколко цента на киловатчас, много по-малко от слънчевите панели на покривите, и да продължава да го прави в продължение на петдесет години. Една малка общностна схема с ниска мощност и пълна защита на рибата, като например „Сетъл“, струва повече на кВтч от слънчевите панели на покрива при нашите стандартни предположения; такива схеми обикновено са оправдани от дълъг живот, местна собственост, производство през нощта и през зимата и поддържащи тарифи. За вътретръбната хидротехника въпросът е по-прост: има ли излишно налягане, което се унищожава във вентила днес? Ако е така, възстановяването му може да се изплати; ако не е така, няма какво да се възстанови.


Къде може да спечели и къде не може

Тя може да спечели:

• Съществуващи язовири и мелнични площадки, където строителните работи са били платени за един век или два.
• Водоснабдителни дружества с гравитационни мрежи, изходи на резервоара и редуциращи клапани, които отхвърлят налягането всеки час от деня.
• Напоителни канали с капки, и изходите на пречиствателните станции за отпадни води.
• Планински села извън мрежата, където микро-хидро минимрежа може да доставя енергия денонощно на по-ниска цена от дизел.
• Нощна и зимна мощност на места, където слънчевите панели правят малко.

Тя не може да спечели:

• В равнинна страна с малки поточета: без глава или поток няма сила.
• В тръби, които се нуждаят от тяхното налягане, където една турбина само премества сметката за енергия от един метър на друг.
• Където нов язовир би навредил на рибата в река, която е важна за тях, освен ако вредата не може да бъде избегната и показана.
• В пико мащаб на мрежата, където постоянните разходи занижават енергията.


Какво е доказано, правдоподобно и спекулативно

Доказано: уравнението на водноелектрическата енергия; ефективността на турбините; че малките хидроенергийни схеми работят в продължение на десетилетия с ниски експлоатационни разходи; че винтовете на Архимед и конвенционалните турбини работят върху стари язовири; че собствеността на общността може да финансира малки схеми; че канализационните проекти работят във водни и напоителни системи.

Вероятно: че много водоснабдителни дружества имат достатъчно свръхналягане на клапаните и изходите на резервоара за полезни киловатчасове на всеки обект; че стандартните помпи работят като турбини могат да намалят разходите за схеми в тръбите; че нови приятелски към рибата проекти могат да намалят щетите при места с ниска височина.

Спекулативна: вградени турбини в обикновени разпределителни тръби без излишно налягане (енергията трябва да идва от някъде); големи национални приноси от микро хидроенергийни проекти в страни с малък водоизточник; много евтини “прикачени” речни турбини без обичайните строителни работи и разрешителни.

Отворени изследователски въпроси

• Картографиране на излишното налягане. Колко енергия унищожават водопроводните мрежи във вентилационните системи днес, място по място и колко стабилна е тя през деня и годината?
• Контрол. Турбини, които поддържат налягането надолу по течението толкова стабилно, колкото и клапана, който заменят, дори когато търсенето се променя.
• Риба. Кои турбинни конструкции и екрани позволяват на рибата да премине в двете посоки с ниско нараняване, измерено, а не предполагано?
• Цена. Стандартизирани малки схеми с по-малко специални строителни работи и опростени разрешителни за обекти, които вече имат язовири.
• Топлина, както и енергия. Реките и водопроводите също са стабилни източници на топлина за термопомпите; може ли една схема да прави и двете?


От какво би се нуждаел един работещ прототип

Една малка хидро идея е една от най-лесните за тестване честно, защото водата, тръбите и измервателните уреди са ежедневни неща. Разходите по-долу са нашите приблизителни оценки.

Етап	Работа	Какво доказва това	Груба цена	Време
1. пейка платформа	Помпена верига или резервоар с измерен дебит (дебитометър) и налягане (манометри преди и след), турбина, задвижваща товарен банкер чрез регистриран електромер	Ефективност срещу поток и глава	$5k to $30к.	1 до 3 месеца
2. реално изпитване на място	Агрегат от 1 до 20 на поток, селскостопанска тръба или байпас на комунален клапан, с предпазни мерки за качеството на водата, където е необходимо, дърводобив за един сезон	Реална мощност при променящ се поток, отпадъци, поддръжка	$20k to $150k	6 до 12 месеца
3. Пилотен проект за обществена или общностна полза	Разрешена инсталация с мрежово свързване, мониторинг на рибите или сертифициране за питейна вода според нуждите	Банкови годишни сметки за енергия, разрешителни, разходи	$100k to $1 милион	1 до 2 години

Етап 1 е в обсега на училище или мейкър пространство. Той е и точно доказателството, от което се нуждае един терен: турбина, измерен дебит, измерена капка и измервател, показващ произведената електроенергия.

От кого се нуждаем

• Хидравлични и хидроенергетични инженери за оценка на обекта и избор на турбина.
• Инженери по водоснабдяване които знаят къде се намалява налягането и как се държат мрежите през деня.
• Биолози по рибарство за проектиране и мониторинг на рибни проходи.
• Електротехнически инженери за малки генератори, мрежово свързване и островни минимрежи.
• Строителни инженери за входове, язовири и екрани.
• Общностни енергийни групи и собственици на земя с язовири, мелници или селскостопански тръбопроводи.
• Специалисти по сертифициране на питейна вода за всичко вътре в питейната вода.


Имате по-добра идея?

Някои членове на Фондацията може да имат контакти, които биха могли да чуят за предложението. За да бъде представена, една идея се нуждае от работещ, реален модел, който всъщност произвежда енергия, с изходната си мощност, измерена на инструмент, не е заявена: турбина на тестова платформа с разходомер, манометри и регистриран електромер струва повече от всеки чертеж. Идеи на хартия също са добре дошли: ако физиката и числата са солидни, можем да ги публикуваме тук в сайта. Но набирането на капитал без работещ модел е много трудно, а нищо тук не е обещание за финансиране, възвръщаемост или въвеждане.

Изпратете идеята си чрез формата за контакти. Форма за участие, избирайки Зелената инициатива. Кажете ни дебит и височина, с които работи, ефективността, която сте измерили или очаквали, приблизителна цена на кВтч и най-евтиния тест, който би могъл да докаже, че не е така. - Да. Източници на енергия сравнява малката хидроелектрическа централа с единадесет други идеи.

Източници

1. Хидроелектричество, Уикипедия: дял от световната електроенергия и ефективност на турбините.
2. Малка хидроелектрическа централа, Уикипедия, използваща базата данни на ЮНИДО Световен доклад за развитието на малките водноелектрически централи 2022.
3. Микро хидро система, Уикипедия: класове по големина, ефективност и инсталирани разходи.
4. Водопроводна водноелектрическа енергия, Уикипедия.
5. Закон за регулаторната ефективност на водноелектрическата енергия от 2013 г., Уикипедия; текст на английски Конгресът на САЩ.
6. Settle Hydro и Torrs Hydro, Уикипедия.
7. Министерство на енергетиката на Орегон. Водноелектрически централи в България, включително канализационни проекти в Портланд и в северната част на напоителния район.
8. Светла енергия. Target projects (архивирано 2021) и lucidenergy.com (архивирано 2022).
9. Речна водноелектрическа енергия, Уикипедия: сезонност и въздействие върху околната среда.
10. Ofgem (2023). Типични стойности на домашното потребление: 2700 кВтч електроенергия на година за среден потребител.
11. Лазар (юни 2026). Изравнена цена на енергията + версия 19.
12. Local Solar System Фондация. Стената на феновете: отворен модел и еталон, слънчева на покрива на $0.19 за кВтч.
13. Water turbine, Wikipedia: typical range of heads for each turbine type, from water wheels (0.2 to 4 m) to Pelton wheels (80 to 1,600 m).