Жижиг усан цахилгаан станцууд

Усанд орохоос өмнө, гол мөрний эрэг дээрх тээрэм усны хүчээр ажилладаг байсан. Тэдний олон гүүр, суваг одоо ч байгаа. Hydropower is still the largest source of renewable electricity on Earth, about 15% of the world’s electricity in 2023, mostly from large dams (Hydroelectricity). Энэ хуудас нь хэмжүүрийн эсрэг талд байдаг: хэдэн киловатт-аас хэдхэн мегаваттын турбинууд, хуучин тээрэмний цорго, усжуулалтын суваг, хотуудад усыг хүргэх хоолой.

Fan Wall research page-д дурдсанчлан, бид физикээс эхлээд бодит схемийн үзүүлэлтийг харж, эдгээр нь бидний жишиг болох $0.19/kWh-ийн ханын нарны панелийн үнэтэй харьцуулахад хэр их өртөгтэй байгааг харна. Жишээ нь: **жижиг усан цахилгаан станцууд туршигдсан, удаан хугацаагаар ажилладаг, шөнө ч ажиллаж чаддаг, сайн байршилтай бол байшингийн дээвэр дээрх нарны эрчим хүчийг илүү хялбархан давж чадна. Гэхдээ эрчим хүчний урсгал нь багасч, гол мөрөн, хоолойнууд нь хэдхэн киловатт л хангадаг бол зөвшөөрөл, барилгын ажил, загас хамгаалахын төлбөрүүд олон жижиг төслийг зогсоож байна. Усны хоолойд хийгдсэн усны цорго нь зөвхөн даралт ихтэй газарт л тохиромжтой. **

Энэ юу вэ

“Хүүхдийн усан цахилгаан станц” нь ихэвчлэн хэмжээгээр ангилдаг: хүүхдийн 10 МВт хүртэл, мини 1 МВт эсвэл 500 кВт-аас бага, микро 100 кВт-ээс бага, пико 5-10 кВт-аас бага (Хүүхдийн усан цахилгаан станц; Микро усан цахилгаан станц). Үүний бараг бүх нь нутаг усны урсгал юм: усан сан биш, бага зэргийн цутгах хоолой нь голын хэсгийг турбиноор дамжуулан эргүүлж, дараа нь усыг урсгалд нь буцаадаг.

Хүчдэл дамжуулах хоолойн гидро нь турбинуудыг байгаа усны дэд бүтцийн дотор байрлуулдаг: нөөцөөс дээш урсдаг гол усны шугам, ус гэрт хүрэхээс өмнө даралт бууруулах цорго, цутгасан усжуулалтын суваг, цэвэрлэх байгууламжийн урсгал. Шинэ гүүр, шинэ голын гүүр байхгүй, тиймээс АНУ-д 2013 онд5МВт хүртэлх хоолойн төслүүдийг улсын лицензээс хассан.

Яаж ажилладаг вэ

Нэг тэнцэл. Гидро турбин нь унах усны потенциал энергийг цахилгаанд хувиргадаг. The power is P = ρ × g × Q × H × η, where ρ is the density of water (1,000 kg per cubic metre), g is gravity (9.81 m/s²), Q the flow in cubic metres a second, H the head, or height the water falls, in metres, and η the efficiency of turbine, generator and pipework together. Жишээ нь: нэг секундэд нэг метр унах куб метр тутамд 9.81 кВт хүчтэй салхи байдаг. Том турбинууд 90%-ийг нь, жижиг нь 50-85%-ийг нь эргүүлж чаддаг.Микро гидро).

Head and flow trade places. A mountain stream with a trickle of flow and a 100 m drop can deliver the same power as a lowland river with a hundred times the flow over a 1 m weir. Турбин газар дээр нь явна:

• Их толгой, бага урсгал (мянганаас хэдэн зуун метр): Пелтон болон Турго дугуйнууд, усны шугамаар цохиулсан.
• Хамгийн бага хүч: Франсис ба урсгалын эсрэг турбинууд.
• Хямд толгой, өндөр урсгал (1-10 м): Капланын хөдөлгүүр болон Архимедийн спираль нь удаан эргэж, хог хаягдлыг өнгөрүүлж, загаснаас илүү зөөлөн байдаг.
• Хувцас: урт, нарийн, өргөн, зузаан, өнгөлөг, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан, уян хатан

Даралт нь толгой. Туузан хоолойд өндөр нь даралтаар илэрхийлэгддэг: нэг бар нь 10.2 метрийн толгойтой тэнцэхүйц юм. Энэ нь хоолойн усны түлхүүр юм. Хотууд усны эх үүсвэрийг хэд хэдэн барт хадгалдаг; гол нь цоргоноос доошоо явах үед, даралт гэрт хэт өндөр байх болно, тиймээс даралт бууруулах клапан нь илүүдэл дулааныг халаалт болон дуу чимээгээр зайлуулах болно. Энэхүү хийн урсгал нь турбиноор эргэлдэн, түүнийгээ сэргээдэг. “Усны голын клапан”-ы тайлбарлагчдын жишээ нь, секундэд 0.3 куб метр ус3барын даралтанд орох үед 60 кВт эрчим хүчийг үрэхгүй.

Усанд орсон хүн үхэх ёсгүй. Турбин нь зөвхөн урсгалд шаардлагатай биш даралт авч чадна. Нэгийг нь бүх даралтыг шаарддаг хоолойд тавих нь хэрэглэгчдээс хүчилтөрөгч хулгайлах эсвэл насосуудыг илүү их ажиллахад хүргэдэг, энэ нь турбиноос илүү их цахилгаан зарцуулалттай байдаг. Иймээс сайн хоолойн сайтууд нь тодорхой: давхаргын даралттай гравитаци, хангалттай их урсгал, тогтвортой ашиглалт. Нэг хөгжүүлэгчийн өөрийн сайтын шалгуур нь 0.6-2.4 м диаметртэй хоолой, 0.9-3.7 м/с урсгал хурд болон багадаа5psi (0.34 бар) давхаргын даралт юм (Lucid Energy, archived).

Хүч чадлын хүчин зүйл нь голоос гардаг. Голууд улиралд тохируулан дээшилж, доошлдог бөгөөд схем нь голд загас болон бусад зүйлсийг тэжээх хангалттай ус үлдээж байх ёстой. Жишээ нь, жижиг урсдаг голын цахилгаан станц нь жилд хангалттай хэмжээний ус ашиглах боломжтой; Сетлийн 50 кВт-ийн скрепер нь 38% хүчин чадлын коэффициенттэй ажилладаг бөгөөд хуурайшилтын үед усны урсгалд хяналт тавих зорилгоор хаагддаг.

Хязгаарлалтууд: онол ба практик

Физик. Энерги нь зөвхөн урсгал ба цутгалтын үржүүлэгтэй тэнцүү. Нэг секундэд 10 литр ус5метрээс унаж байгаа цэцэрлэгийн урсгал нь 0.3 кВт-ын эрчим хүч гаргадаг, энэ нь гэрэл болон халаагуурт хангалттай боловч гэрийг дулаалахад хангалтгүй байдаг. Жишээ нь, нэг литр усны хэмжилтэд хэдэн арван килокалори зарцуулдаг. Энэ нь ихэнх жижиг сайтуудын үнэнч хэмжээс юм: мегаватт биш, киловатт.

Төгсгөлгүй зардал. 20 кВт-ын схемд 500 кВт-ын схемтэй ижил хэмжээний судалгаа, байгаль орчны судалгаа, зөвшөөрөл, загас хамгаалах, сүлжээний холболт болон хууль ёсны ажил шаардагдана. Энэхүү зардал хэмжээгээр багасахгүй, тиймээс хамгийн жижиг схемүүд нь ихэвчлэн нэг кВт·цаг тутамд хамгийн үнэтэй байдаг.

Хүрээлэн буй орчин. Цамхаг нь загас агнуурыг зогсоож, турбинууд загасыг гэмтээж болно. Барилгын ажилчид усан сангаас гарч буй далайн загас багасч, шнекнээс гарах дуу чимээг анзаарсан байна.Хийх). Олон улс орон жижиг төслүүдэд бүрэн хүрээлэн буй орчны үнэлгээ шаарддаггүй бөгөөд энэ нь зарим бүс нутагт муу байршуулсан үйлдвэрүүдийг бий болгодог (Хүүхдийн усан цахилгаан станц). Сайн төсөл бол голд хангалттай ус үлдээж, загас хоёр тийш нь өнгөрч, хяналт тавьдаг.

Усны аюулгүй байдал. Усны шугам доторх турбинууд ууж буй хүмүүст хүрч усны бохирдлыг үүсгэдэг. Тэд ундааны усаар холбогдохыг зөвшөөрөх ёстой, агаар эсвэл бохирдлыг оруулахгүй байх ёстой, аюулгүй байдал алдагдах ёсгүй, ингэснээр хэрэглэгч нь үүнийг хялбархан туршиж үзэхгүй.

Тодорхойгүй

Төсөл	Хаана	Түлхүүрийн төрөл ба хэмжээ	Ямар зүйлийг хэмжиж, мэдээлсэн бэ
Хийх	Рибл мөрөн, Английн Хойд Йоркшир	Архимедийн эргэх араа, 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)
Хиймэл нуур	Гойт гол, Нью Милс, Англи	Archimedes screw, 2.4 m diameter, up to 63 kW	The UK’s first community-owned hydro scheme, handed over in September 2008; £100,000 raised from 200 community members (Torrs Hydro)
LucidPipe, Портланд Усны Газар	Портланд, Орегон, АНУ	Газар хөдлөлтөөр хөдөлдөг том усны эх үүсвэрийн доторх шугамны турбинууд	2015 оны эхээр хотын усны хоолойд суурилуулж, эрчим хүч үйлдвэрлэж эхэлсэн (Орегон мужийн Энергийн яам; Lucid Energy news, archived 2015). Бид жилийн турш ашигласан цахилгаан эрчим хүчний хэмжээг бүртгэж чадаагүй бөгөөд 2022 онд хөгжүүлэгчийн вэб сайт худалдаанд гарчээ (архивлагдсан хуудас).
Өмнөд Африкfrance. kgm	Мадрас, Орегон, АНУ	Усжуулалтын сувагт ус дамжуулах хоолой (Natel Energy)	Орегон Энергийн Яамны жагсаалтад орсон үйл ажиллагааны хоолойн төслүүдийн нэг (Oregon Department of Energy)
US conduct exemptions	АНУ	хоолой, суваг	2013 он гэхэд 236 хоолойн төслийг холбооны зохицуулагч зөвшөөрсөн байна (Conduit hydroelectricity)
Хятадын жижиг усан цахилгаан станц	Хятадын хөдөө орон нутаг	45,000 жижиг ургамал	2010 он гэхэд жилд 160 TWh-ийн эрчим хүч үйлдвэрлэх боломжтой бөгөөд энэ нь цахилгаан сүлжээгүй тосгодыг хангах болно.Бага усан)

Эдгээр төслүүдээс сурсан зүйл нь нэг л хэвийн. Усны эх, урсгал, байгууламж нь бий болсон газарт жижиг усан цахилгаан станцууд хэдэн арван жил ажилладаг: аж үйлдвэрийн хувьсгалын үед ашигласан усны цоргонууд дахин эрчим хүч үйлдвэрлэж байна. Хэрэв нөөц бага бол, ямар ч ухаалаг турбин ашигласан үр дүн нь бага байх болно. Учир нь, усан хоолойн гидро эрчим хүчний тухайд хэвлэл мэдээллийн хэрэгслүүд ихээхэн сонирхож, хэд хэдэн судалгааны үр дүнг нийтэлсэн байдаг; физикийн хувьд энэ нь зөв боловч сайн газрууд тодорхой бөгөөд зах зээл нь бага байна.

Үнэ нь

Эх сурвалж	Энэ юу вэ	Үнэ
Микро гидро, жишээ нь суурилуулах зардал	$1,000 to $5,000 kW-д (Микро гидро)
Энэ өргөн хүрээнээс бид тооцооллоо хийлээ	40-60% хүчин чадлын коэффициент, 20 жил 7% бодит, засвар үйлчилгээний зардал жилд 3% (Фан Дуудлагын арга)	$0.02 to $0.18 кВт/цаг
Гидрог шийдэх, бидний тооцоолол	410,000 фунт жилдээ 165 МВт цаг, 20-40 жил 7% бодит, 3% засвар үйлчилгээ	0.26-0.31 фунт нэг кВт/ цаг
Бидний үзүүлэлт	Барилга дээрх нарны шил, Fan Wall загвар; Lazard 2026 худалдааны болон нийгмийн нарны	$0.19/кВт·цаг; $0.09 to $0.20
Lazard (June 2026)	Шинэ нарны эрчим хүч / газар доорх салхи	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 кВт/цаг

Энэ нь сайтууд байдаг учраас өргөн хүрээтэй. 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. Жишээ нь, Settle-ийн адил далайн амьтдыг бүрэн хамгаалсан жижигхэн бага толгойтой нийгмийн схем нь бидний стандарт тооцооллоор ханан дээрх нарнаас илүү кВт/цаг зарцуулалттай байдаг; ийм схемүүд нь ихэвчлэн удаан наслалт, орон нутгийн өмчлөлд, шөнө болон өвөлд үйлдвэрлэл, дэмжлэгийн тарифаар баталгааждаг. Усны хоолойн хувьд асуулт нь илүү энгийн: өнөөдөр клапанд алдагдалтай даралт бий юу? Хэрэв тийм бол, сэргээх нь ашигтай байж болно; эс бөгөөс, сэргээх зүйл байхгүй.

Ямар тохиолдолд ялж, ямар тохиолдолд ялагдахгүй байх

Тэр ялна:

• Харин одоогийн усан цахилгаан станцууд, тээрэмдэх үйлдвэрүүд нь нэг эсвэл хоёр зууны өмнө барилга байгууламж барихад ашиглагдаж байсан.
• Усны хэрэгслүүд нь гравитациар ажилладаг, усны савны гарцтай ба хоногийн аль ч цагт даралт бууруулах хоолойтой.
• Цайрлаг усны суваг, бохир ус цэвэрлэх байгууламжийн урсгалууд.
• Гэрлийн сүлжээнээс тусгаарлагдсан уулын тосгонууд, энд микро-гидро мини-грейд нь өдөр шөнөгүй дизель түлшээс хямд үнээр эрчим хүчийг хангаж чадна.
• Өдөр, шөнө нарны хавтангийн бага хэрэглээтэй газарт.

Тэр ялж чадахгүй:

• Жижиг гол мөрөнтэй тэгш талд: толгойгүй, урсгалгүй бол хүч байхгүй.
• Хүчдэл шаардсан хоолойн дотор, тэнд турбин нь зөвхөн нэг метрээс нөгөө метрт эрчим хүчний төлбөрийг зөөдөг.
• Нэг шинэ гүүр нь загаснуудын хувьд чухал голд загасуудад хортой байх, хэрэв хохирлыг зайлсхийж, харуулах боломжгүй бол.
• Гаралтын пико хэмжээгээр, тогтвортой зардал нь эрчим хүчийг багасгадаг.

Тодорхойлогдсон, бодит бөгөөд таамаглал

Дээлтэй: усны эрчим хүчний тэнцэл; турбинын үр ашиг; жижиг гидро төлөвлөгөө нь хэдэн арван жилээр бага зардал гарган ажилладаг; Архимедийн скоч болон уламжлалт турбинууд хуучин цутгах хоолой дээр ажиллаж байдаг; нийгэмд өмчлөх эрх нь жижиг төлөвлөгөөг санхүүжүүлж болно; ус, усжуулалтын системд хоолойн төсөл үйл ажиллагаа явуулдаг.

Хүсэлтэй: олон усны хэрэгслүүд нь клапан болон савны гарцад хэрэглээний киловатт тутамд хангалттай давтамжтай байдаг; стандарт помпууд турбин шиг ажилладаг бөгөөд хоолойн схемийн зардлыг бууруулж болно; шинэ загас-зөв дизайн нь бага толгой сайтуудад хохирлыг бууруулах боломжтой.

Специалистик: ердийн хуваарилалтын хоолойн доторх турбинууд нь давхардсан даралттай байдаггүй (энэ нь эрчим хүчийг хаанаас ч авч болох); жижиг толгойтой орнуудад микро гидро-оос их хэмжээний үндэсний хувь нэмэр оруулдаг; маш хямд “plug-in” голын турбинууд нь барилгын ажил болон зөвшөөрөл шаарддаггүй.

Судалгааны асуултуудыг нээнэ

• Хүчдэл нэмэгдэх байдлыг зураглах. Өнөөдөр усны сүлжээнүүд ямар их эрчим хүчийг цоргоноос устгаж байна вэ? Энэ нь өдөр, жилээр хэр тогтвортой байдаг вэ?
• Хяналт. Турбины доод даралтын хэмжээ нь клапантай адил тогтвортой байдаг бөгөөд энэ нь хэрэглээний өөрчлөлтөд ч нөлөөлдөг.
• Усан үзмийн Ямар турбин, дэлгэц нь загас хоёр тийш нь бага гэмтэлтэйгээр өнгөрөхөд тусалдаг вэ?
• Үнэ. Стандартчилсан жижиг схемүүд нь цөөн тооны нийгмийн ажил, мөн хязгаарлалттай газруудад илүү энгийн зөвшөөрөлтэй байдаг.
• Ус болон дулаан. Хөвсгөл нуур, усны эх үүсвэрүүд нь дулаан дамжуулах төхөөрөмжийн тогтвортой эрчим хүчний эх үүсвэрүүд юм; нэг схем хоёрыг нь хангаж чадах уу?

Ажлын загварт юу хэрэгтэй вэ

Жижиг хэмжээний усан цахилгаан станцын санааг үнэнчээр туршиж үзэх нь хамгийн хялбар арга юм. Учир нь ус, хоолой, хэмжүүр бол өдөр тутмын зүйлс юм. Доорх үнэ нь бидний тооцоолол юм.

Бүлэг	Ажлын байр	Энэ нь юуг харуулж байна вэ?	Тодорхойгүй үнэ	Цаг
1. Хоолны ширээ	Насосны эргэлт эсвэл хэмжигдэх урсгал (урсгалын хэмжигч) ба даралт (эсрэг болон дараагийн хэмжигч), турбин ачааллыг бүртгэгдсэн хүчний хэмжигчээр дамжуулан хөдөлгөх	Хөдөлгөөний үр дүн ба толгой	$5k to $30k	1-с3сар
2. Үнэн сайт туршилт	1-20 кВт хүчин чадалтай, голын усны чанарыг хамгаалах зориулалттай, нэг улиралд ашиглах боломжтой, усны урсгал, тариалангийн хоолой эсвэл цахилгаан хангамжийн хоолойн байпас дээр суурилуулсан төхөөрөмж	Үргэлж өөрчлөгдөж буй урсгал, хог хаягдал, засвар үйлчилгээний бодит үр дүн	$20k to $150k	6-с 12 сар
3. Утасгүй сүлжээний туршилт	Цахилгаан сүлжээнд холбогдсон, загас ажиглах эсвэл усны баталгаажуулалт шаардагдах зөвшөөрөгдсөн суурилуулалт	Банкны жилийн эрчим хүч, зөвшөөрөл, зардал	$100k to $1 сая	1-с2жил

1-р шат нь сургууль эсвэл maker space-ийн хүрээнд байдаг. Энэ нь мөн яг л уралдаанд шаардагдах баримт юм: турбин, хэмжигдэх урсгал, хэмжигдэх уналт, цахилгаан үйлдвэрлэх хэмжээг харуулсан метр.

Бидэнд хэн хэрэгтэй вэ

• Хидравлик ба гидроэлектро инженерүүд сайт үнэлгээ болон турбин сонголт.
• Усны инженерүүд, ямар үед даралт буурч, сүлжээ хэрхэн ажилладгийг мэддэг.
• Мэргэжлийн биологичид загас өнгөрөх замуудыг төлөвлөх, хянах.
• Электр инженерүүд жижиг генераторууд, сүлжээний холболт болон арлуудын мини- сүлжээнд.
• Цэргийн инженерүүд нь усан сан, усны цорго болон дэлгэцийг барьдаг.
• Нийгмийн эрчим хүчний бүлгүүд болон ус зайлуулах хоолой, тээрэм эсвэл тариалангийн хоолойтой газар эзэмшигчид.
• Дэлхийн хамгийн том усан сантай.

Сайн санаа байна уу?

ТББ-ын зарим гишүүд таныг сонсох боломжтой хүмүүстэй холбоо тогтоож болно. Тодорхойлохын тулд, санаанд ажилладаг, бодит амьдрал дээр хүч чадал үйлдвэрлэдэг загвар хэрэгтэй, түүний гаралт нь багаж хэрэгслээр хэмжигддэг, нотлогддоггүй: урсгал хэмжигч, даралтын хэмжигч, цахилгаан хэмжигчтэй туршилтын турбин ямар ч зурагнаас илүү үнэ цэнэтэй. Хэрэв физик болон тоонууд нь бат бөх бол бид үүнийг энд вэбсайт дээр нийтлэх болно. Гэхдээ ажиллах загваргүйгээр хөрөнгө босгох нь маш хэцүү, мөн энэ нь санхүүжилт, ашиг орлого эсвэл танилцуулгад ямар ч баталгаа биш.

Таны санааг хувьцаа оруулах маягт-аар илгээж, “Хүнсний ногоон санаачилга”-ыг сонгоно уу. Бидэнд урсгал болон толгойг нь хэл, таны хэмжсэн эсвэл хүлээж байгаа үр ашиг, нэг кВт/цаг-ийн ойролцоогоор үнэ, мөн буруу гэдгийг батлах хамгийн хямд туршилт. The energy sources page compares small hydro with eleven other ideas.

Эх сурвалж

1. Хилийн чанадад, Wikipedia: world electricity and turbine efficiency.
2. Сом гидро, Wikipedia, drawing on UNIDO’s World Small Hydropower Development Report 2022.
3. Micro hydro, Wikipedia: хэмжээний ангилал, үр ашиг болон суурилуулсан өртөг.
4. Хүчдэл хэмнэх, Wikipedia.
5. 2013 оны усны эрчим хүчний зохицуулалтын үр ашигтай байдлын хууль, Wikipedia; текст нь Конгресс..
6. Settle Hydro and Torrs Hydro, Wikipedia.
7. Орегон мужийн засаг захиргааны төв. Орегонusa. kgmПортланд болон Хойд усжуулалтын бүсэд хоолойн төслүүд багтана.
8. Энергийн хэмнэлттэй. Target projects (архивлагдсан 2021) and lucidenergy.com (архивлагдсан 2022).
9. Усны цахилгаан станц, Wikipedia: улирал болон байгаль орчны нөлөөлөл.
10. Ofgem (2023). Типикийн хэрэглээний хэмжээ: дунд зэргийн хэрэглэгч жилд 2700 кВт·цаг цахилгаан хэрэглэнэ.
11. Lazard (June 2026). Energy+-ийн түвшинжүүлсэн үнэ+, 19-р хувилбар.
12. Local Solar System Төлөөлөгч. The Fan Wall: open model and benchmark, нарны цахилгаан станцын ханын үнэ 0.19$/kWh.
13. Water turbine, Wikipedia: Турбины төрөл бүрийн толгойн жишээний хүрээ, усны хөдөлгүүр (0.2-4 м) болон Пелтоны хөдөлгүүр (80-1600 м).