Малые гидроэлектростанции и трубопроводные гидроэлектростанции

До появления пара мельницы вдоль каждой реки превращали воду в рабочую силу. Многие из их плотин и каналов все еще там. Гидроэнергетика по-прежнему является крупнейшим источником возобновляемой электроэнергии на Земле, около 15% мирового электричества в 2023 году, главным образом от больших плотин (Гидроэлектроэнергия). Эта страница о другом конце шкалы: турбины от нескольких киловатт до нескольких мегаватт в реках, старых мельниц плотин, ирригационных каналов и труб, которые несут питьевую воду в города.

Как на нашей Вентилятор стене исследования страницы, мы начинаем с физики, а затем посмотреть, что реальные схемы измерения и то, что они стоят против нашего эталона, крыши солнечной панели около $ 0.19 за кВт / ч. Короткая версия: ** небольшая гидроэлектростанция доказала свою эффективность, долговечность и работает ночью, а хороший сайт может комфортно побеждать солнечную энергию на крыше. Но мощность просто падает, большинство потоков и труб предлагают только несколько киловатт, а постоянные расходы на разрешения, гражданские работы и защиту рыб погружают многие мелкие схемы. Встроенная гидравлика имеет смысл только там, где давление в любом случае будет выброшено.**

Что это такое

«Малая гидроэнергетика» охватывает ряд машин, обычно классифицируемых по размеру: маленькая до около 10 МВт, мини ниже 1 МВт или 500 кВт в зависимости от страны, микро ниже 100 кВт и пико ниже 5-10 кВт (Малая гидроэнергетика; Микрогидроэнергетика). Почти все из них - речные: вместо водохранилища низкий плотинный плот отводит часть реки через турбину и возвращает ее вниз по течению.

Встроенная в трубу или канал гидросистема помещает турбины внутри уже существующей водной инфраструктуры: водопровода, идущие вниз по склону от водохранилища, клапанов, которые прекращают давление до того, как вода достигает домов, оросительных каналов с каплями и выходов очистных сооружений. Нет новых плотин и не будет новых переправ через реки, поэтому в 2013 году Соединенные Штаты освободили проекты трубопроводов мощностью до 5 МВт от федерального лицензирования.

Как это работает

Одно уравнение. Гидротурбина превращает потенциальную энергию падающей воды в электричество. Мощность равна P = ρ × g × Q × H × η, где ρ - плотность воды (1000 кг на кубический метр), g - сила тяжести (9,81 м/с²), Q - расход в кубических метрах в секунду, H - высота падения воды в метрах и η - эффективность турбины, генератора и трубопроводов вместе взятых. Проще говоря: каждый кубический метр в секунду падает на один метр, несет 9.81 кВт. Большие турбины преобразуют более 90% от неё; малые, как правило, от 50 до 85% (Micro hydro).

Места торговли на голове и потоке. Горный ручей с небольшим расходом воды и уклоном в 100 м может обеспечить такую же мощность, как низменная река со стократным расходом через плотину шириной 1 м. Турбина следует за объектом:

• Высокая высота, низкий расход (от десятков до сотен метров): колеса Pelton и Turgo, поражаемые струями воды.
• Средняя высота: Турбины Фрэнсиса и поперечного потока.
• Низкая высота, высокий расход (1-10 м): винты Каплана и Винт Архимеда, которые медленно поворачиваются, пропускают мусор и более нежны к рыбе.
• В трубах: специальные турбины в линии или стандартные насосы, работающие назад как турбины, широко используемый недорогостоящий вариант.

Давлением является высота. В трубе высота показывается как давление: один бар равен примерно 10,2 м высоты. Это ключ к гидроэнергетике в трубопроводах. Города поддерживают водопроводные сети на нескольких барах; там, где водопровод проходит вниз по склону от резервуара, давление будет слишком высоким для домов, поэтому клапан понижения давления выбрасывает избыток в виде тепла и шума. Турбина вместо этого клапана восстанавливает его. Пример «клапан в водопроводе» объяснителя, 0,3 кубических метра в секунду при давлении 3 бара, составляет около 60 кВт, которые иначе тратятся впустую.

В трубе нет бесплатных обедов. Турбина может принимать только давление, которое не требуется вниз по течению. Поставляя его в трубу, которая нуждается во всем давлении, вы просто крадете его у клиентов или заставляет насосы работать тяжелее, что стоит больше электричества, чем турбина. Поэтому хорошие места для установки в трубопроводах имеют определенные характеристики: гравитационная магистраль с избыточным давлением, достаточно большим расходом и устойчивым использованием. Критериями одного из застройщиков были трубы диаметром от 0,6 до 2,4 м, скорость потока от 0,9 до 3,7 м/с и по крайней мере 5 фунтов на квадратный дюйм (0,34 бар) избыточного давления (Люсид Энерджи, архив).

Коэффициент пропускной способности происходит от реки. Реки поднимаются и опускаются с сезонами, и схема должна оставить достаточно воды в реке для рыбы и всего прочего. Небольшая речная электростанция обычно рассчитана на использование потока, имеющегося в течение большей части года; винтовая установка Settle мощностью 50 кВт работает с коэффициентом пропускной способности 38% и отключается в сухие периоды, чтобы вода продолжала течь через её рыбный проход.

Пределы: теоретические и практические

Физика. Энергия только так велика, как поток в кратном падения. Садовый ручей с 10 литрами в секунду, падающим на 5 м, даёт около 0,3 кВт, достаточно для освещения и холодильника, но не для отопления дома. Типичный главный клапан воды даёт десятки киловатт. Это честный масштаб большинства небольших сайтов: киловатт, а не мегаватт.

Постоянные расходы. Для создания 20-кВт системы требуются почти такие же обследования, экологические исследования, разрешения, защита рыбы, подключение к электросети и юридическая работа, как и для создания 500-кВт системы. Эти расходы не уменьшаются с размером, поэтому самые маленькие схемы часто являются самыми дорогими в расчете на кВт·ч.

Окружающая среда. Плотины блокируют миграцию рыб, а турбины могут навредить рыбе. Даже с рыбной лестницей, сообщество операторов в Settle сообщили меньше лосося проходит вверх по течению и подозревают шум от винта (Settle Hydro). Многие страны не требуют полной экологической оценки для малых систем, что привело к плохому размещению электростанций в некоторых регионах (Малые гидроэлектростанции). Хороший проект оставляет достаточно воды в реке, пропускает рыбу в обе стороны и контролируется.

Безопасность воды. Турбины внутри водопровода касаются воды, которую пьют люди. Они должны быть сертифицированы для контакта с питьевой водой, никогда не должен пропускать воздух или загрязняющих веществ в, и должны отказаться безопасно, так что коммунальные услуги не будет экспериментировать со своими сети легко.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Где	Тип и размер	Что было измерено или отражено в отчетности
Сеттл Гидро	Риббл	Архимедов винт на мельничном плотине, 50 кВт	Производство энергии с ноября 2009 года; около 165 МВт/ч в год (38% коэффициент производительности); £410,000 собраны за счет акций общины; операторы сообщают о меньшем количестве лосося вверх по течению и подозревают шум винта (Settle Hydro)
Торрс Гидро	Гот	Архимедов винт, диаметр 2,4 м, до 63 кВт	Первая в Великобритании общинная гидроэлектростанция, сданная в сентябре 2008 года; £100,000 собраны от 200 членов сообщества (Torrs Hydro)
LucidPipe, Портлендское бюро водоснабжения	Портленд, штат Орегон, США	Линейные турбины внутри крупного водопровода с гравитационным питанием	Установлен в городских водопроводах и генерирует к началу 2015 года (Департамент энергетики штата Орегон; Lucid Energy news, архивировано 2015). Мы не нашли опубликованных записей о его измеренной годовой выработке, а к 2022 году веб-домен разработчика предлагался для продажи (архивированная страница).
Северный ирригационный округ	Мадрас, штат Орегон, США	Гидропровод на ирригационном канале (Natel Energy)	Один из проектов эксплуатации трубопроводов, перечисленных министерством энергетики штата Орегон (Oregon Department of Energy)
Изъятия из правил США	Соединенные Штаты Америки	Трубопроводы и каналы	К 2013 году федеральным регулятором было разрешено 236 проектов по строительству трубопроводов (Строительство трубопроводов гидроэлектростанций)
Малая гидроэлектростанция Китая	Сельский Китай	About 45,000 small plants	Около 160 ТВт·ч в год к 2010 году, большая часть которого питает деревни, которые не имели электросети (Малые гидроэлектростанции)

Уроки, извлеченные из этих проектов, носят последовательный характер. Там, где уже есть водосбор, сток и сооружение, небольшие гидроэлектростанции работают десятилетиями: мельницы промышленной революции снова производят электроэнергию. Там, где ресурсов мало, выходная мощность мала, независимо от того, насколько умна турбина. В частности, пресса с энтузиазмом восприняла идею создания гидроэлектростанций в трубопроводах, и было опубликовано лишь несколько результатов измерений; физические данные являются достоверными, однако хорошие участки имеют специфический характер, а рынок остается небольшим.

Что это стоит

Источник	Что это такое	Цена
Микрогидроэлектростанция, типичные установочные расходы	$1,000 to $5,000 per kW (Micro hydro)
Наш расчет из этого диапазона	40-60% коэффициент производительности, 20 лет при 7% реальной стоимости, обслуживание 3% от инвестиций в год (метод стеновых вентиляторов)	$0.02 to $0,18 за кВт.ч
Расчет стоимости Settle Hydro	£410,000 for 165 MWh a year, 20 to 40 years at 7% real, 3% maintenance	около 0,26-0,31 фунта стерлингов за кВт·ч
Наши критерии	Солнечная энергия на крыше здания, модель Fan Wall; коммерческая и общинная солнечная энергия Lazard 2026	0,19 долл. США за кВт·ч; $0.09 to $0.20
Лазард (июнь 2026)	Новые энергетические установки на солнечной/ береговой энергии	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 за кВт·ч

Диапазон широк, потому что сайты. Хороший объект с высокой нагрузкой и существующим входом может производить электроэнергию за несколько центов за кВт·ч, что значительно ниже стоимости солнечной энергии на крыше, и продолжать это делать в течение пятидесяти лет. Небольшая низкоуровневая общинная система с полной защитой рыбы, такая как Settle, стоит больше за кВт·ч, чем солнечная энергия на крыше при наших стандартных предположениях; такие схемы обычно оправдываются долговечностью, местным владением, производством в ночное и зимнее время и тарифами поддержки. Для встроенной гидротехники вопрос проще: существует ли сегодня избыточное давление, которое уничтожается в клапане? Если да, то его возвращение может быть выгодным; если нет, то нечего возвращать.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Существующие плотины и мельницы, где гражданские работы были оплачены за столетие или два назад.
• Водоснабжение с самотечными магистральными трубами, выходами резервуаров и предохранительными клапанами, которые отводят давление каждый час суток.
• Ирригационные каналы с каплевыми, а также выходы очистных сооружений.
• Внесетевые горные деревни, где мини-микрогидроэлектростанция может обеспечивать электроэнергией день и ночь по более низкой цене, чем дизельное топливо.
• Ночная и зимняя энергия в местах, где солнечные батареи делают мало.

Он не может выиграть:

• В равнинной местности с небольшими ручьями: без головы или потока нет энергии.
• В трубах, которые нуждаются в их давлении, где турбина лишь перемещает счет за электроэнергию с одного метра на другой.
• Где новый плотин нанесёт вред рыбе в реке, которая имеет для них значение, если только ущерба нельзя избежать и показать.
• В пиковом масштабе на решетке, где постоянные издержки превышают энергию.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: уравнение гидроэнергетики; эффективность турбин; то, что небольшие гидроэлектростанции работают в течение десятилетий при низких эксплуатационных затратах; что винты Архимеда и обычные турбины работают на старых плотинах; что общинная собственность может финансировать небольшие системы; что проекты трубопроводов используются в системах водоснабжения и орошения.

Вероятно: что многие водохозяйственные предприятия имеют достаточное избыточное давление на клапанах и выходах резервуаров для полезной мощности в киловаттах на каждом участке; что стандартные насосы, работающие как турбины, могут сократить стоимость трубопроводных систем; что новые конструкции, благоприятные для рыбы, могут уменьшить ущерб на участках с низким водосбросом.

Спекулятивные: встроенные турбины в обычные распределительные трубы без избыточного давления (энергия должна поступать откуда-то); крупные национальные вклады от микрогидроэлектростанций в странах с малой водосборной площадью; очень дешевые “подключаемые” речные турбины без обычных гражданских работ и разрешений.

Открытые исследовательские вопросы

• Картирование избыточного давления. Сколько энергии сегодня потеряют вентильные системы водопроводных сетей, на каждом объекте и насколько стабильны они в течение дня и года?
• Контроль. Турбины, которые поддерживают давление вниз по течению так же стабильно, как и клапан, который они заменяют, даже при изменении спроса.
• Рыбы. Какие конструкции турбин и экранов позволяют рыбе проходить в обе стороны с низким травматизмом, измеренным, а не предполагаемым?
• Стоимость. Стандартизированные небольшие схемы с меньшим количеством индивидуальных гражданских работ и упрощенные разрешения для участков, где уже имеются плотины.
• Тепло, а также мощность. Реки и водопроводы являются стабильными источниками тепла для тепловых насосов; может ли одна схема сделать оба?

Что нужно для рабочего прототипа

Небольшая гидро идея является одной из самых простых для проверки честно, потому что вода, трубы и счетчики являются повседневными вещами. Ниже приведены наши приблизительные расходы.

Этап	Работа	Что это доказывает	Приблизительная стоимость	Время
1. Стендовая установка	Контур насоса или резервуар с измеренным расходом (расходомер) и давлением (манометры до и после), турбина, приводящая в действие нагрузочные элементы через регистрируемый счетчик мощности	Эффективность по потоку и высоте	$5k to $30к	От 1 до 3 месяцев
2. Реальные испытания на местах	Установка мощностью от 1 до 20 кВт на ручье, в трубопроводе фермы или в обходе клапана коммунального предприятия с защитой качества воды там, где это необходимо, заготовка леса на сезон	Реальный выход в зависимости от изменения потока, мусора, технического обслуживания	$20k to $150к	6-12 месяцев
3. Экспериментальная программа для коммунальных служб или общин	Разрешенная установка с подключением к сети, мониторингом рыбы или сертификацией питьевой воды в зависимости от потребности	Банковское годовое потребление энергии, разрешения, расходы	$100k to $1 млн.	От 1 до 2 лет

Этап 1 находится в пределах досягаемости школы или мастер-пространства. Это также именно то, что нужно для проведения игры: турбина, измеренный поток, измеренная потеря и счетчик, показывающий произведенную электроэнергию.

Кто нам нужен

• Инженеры-гидравлики и гидроэнергетики для оценки участка и выбора турбины.
• Инженеры-водопроводчики которые знают, где давление снижается и как сети ведут себя в течение дня.
• Рыбные биологи для проектирования и мониторинга рыбных проходов.
• Инженеры-электрики для малых генераторов, подключения к электросети и островных мини-сетей.
• Строительные инженеры для впусков, плотин и экранов.
• Общинные энергетические группы и землевладельцев, имеющих плотины, мельницы или трубопроводы для фермерских хозяйств.
• Специалисты по сертификации питьевой воды для всего, что находится внутри питьевой воды.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать предложение. Для того чтобы быть представленной, идея нуждается в работающая, реальная модель, которая фактически производит энергию, с ее производительностью измеряется на приборе, не претендует: турбина на испытательном стенде с расходомером, манометры и зарегистрированный счетчик мощности стоит больше, чем любой чертеж. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Отправьте свою идею через форму вклада, выбрав Зеленую инициативу. Расскажите нам о расходе и высоте, с которыми он работает, эффективности, которую вы измерили или ожидаете, приблизительной стоимости за кВт·ч и самом дешёвом тесте, который мог бы доказать, что это не так. На странице energy sources page сравнивается небольшая гидроэлектростанция с одиннадцатью другими идеями.

Источники

1. Гидроэлектроэнергия, Википедия: доля мирового производства электроэнергии и эффективность турбин.
2. Малая гидроэнергетика, Википедия, на основе доклада ЮНИДО World Small Hydropower Development Report 2022.
3. Микрогидроэлектростанции, Википедия: классы размеров, эффективность и установленные затраты.
4. Гидроэлектростанция, Википедия.
5. Закон об эффективности регулирования гидроэнергетики 2013 года, Википедия; текст на congress.gov.
6. Settle Hydro и Torrs Hydro, Википедия.
7. Министерство энергетики Орегона. Гидроэнергетика Орегона, включая проекты строительства водопроводов в Портленде и ирригационном округе ” Норт-Юнит ” .
8. Ясная Энергия. Target projects (архивировано 2021) и lucidenergy.com (архивировано 2022).
9. Гидроэлектростанция на реках, Википедия: сезонность и экологические последствия.
10. Ofgem (2023). Typical domestic consumption values: 2,700 kWh of electricity a year for a medium user.
11. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19.
12. Local Solar System Фонд. The Fan Wall: открытая модель и эталон, солнечная энергия на крыше по цене $0.19 за кВт/ч.