Hidrocentralet e vogla dhe hidrocentralet në tubacion
Uji që rrjedh poshtë kodrës është makina më e vjetër që ekziston. Një turbinë e vogël në lumin e djathtë, një diga ose një burim uji prodhon elektricitet ditë e natë për dekada.
Ian S, via geograph.org.uk and Wikimedia Commons (CC BY-SA 2.0)
Para avullit, mullinjtë përgjatë çdo lumi e kthyen ujin në punë. Shumë nga digat dhe kanalet e tyre janë ende atje. Hidroenergjia është ende burimi më i madh i energjisë së ripërtëritshme në Tokë, rreth 15% e elektricitetit botëror në vitin 2023, kryesisht nga digat e mëdha (Hidroelektriciteti). Kjo faqe është për fundin tjetër të shkallës: turbinat e disa kilovatëve në disa megavatë në lumenj, digat e vjetra të mullinjve, kanalet e vaditjes dhe tubacionet që sjellin ujin e pijshëm në qytete.
Si në të tonin. Faqja e kërkimit Fan WallFillojmë me fizikën, pastaj shikojmë se çfarë skema të vërteta masin dhe sa kushton në krahasim me standartin tonë, një panel diellore mbi çati për rreth $0.19 për kWh. Versioni i shkurtër: **hidrocentralet e vegjël janë të provuar, kanë jetëgjatësi të gjatë dhe punojnë natën, dhe një vend i mirë mund të mposhtë dielloren në çati me lehtësi. Por energjia është thjeshtë rrjedhje e kohëve të rënies, shumica e rrjedhave dhe tubacioneve ofrojnë vetëm disa kilovat dhe kostot fikse të lejeve, punëve civile dhe mbrojtjes së peshkut fundosin shumë skema të vogla. Hidrocentralet në tubacion kanë kuptim vetëm atje ku presioni është hedhur po ashtu. **
Çfarë është
“Hidrocentrali i vogël” mbulon një gamë makinash, zakonisht të klasifikuara sipas madhësisë: i vogël deri në rreth 10 MW, mini nën 1 MW ose 500 kW në varësi të vendit, mikro nën 100 kW dhe pico nën 5 deri në 10 kW (Hidrocentrali i vogël; Mikro hidrocentrali). Pothuajse e gjithë ajo është rrjedhja e lumit: në vend të një rezervuari, një varg i ulët devijon pjesën e një lumi nëpërmjet një turbine dhe e kthen atë poshtë rrjedhës.
Hidrocentrali i tubacionit ose kanalit vendos turbinat brenda infrastrukturës së ujit që tashmë ekziston: rrjeti i ujit që shkon poshtë nga një rezervuar, valvulat që shkurtojnë presionin para se uji të arrijë në shtëpi, kanalet e vaditjes me pikat dhe daljet e punimeve të trajtimit. Nuk ka diga të reja dhe nuk ka kalime të reja lumore, që është arsyeja se pse Shtetet e Bashkuara përjashtuan projektet e kanaleve deri në 5 MW nga licensimi federal më 2013.
Si funksionon
Ekuacioni i vetëm. Një turbinë hidroelektrik kthen energjinë potenciale të ujit që bie në elektricitet. Fuqia është P = ρ × g × Q × H × η, ku ρ është dendësia e ujit (1.000 kg për metër kub), g është graviteti (9.81 m/s²), Q rrjedhja në metra kub për sekondë, H koka, ose lartësia e ujit bie, në metra, dhe η efektshmëria e turbinës, gjeneratorit dhe tubacionit së bashku. E vënë qartë: çdo metër kub një sekondë që bie një metër mban 9.81 kW. Turbinat e mëdha konvertojnë mbi 90% të saj; ato të vogla zakonisht 50 deri në 85%.Mikrohidro).
Koka dhe rrjedha tregojnë vende. Një rrjedhë malore me një rrjedhje të vogël dhe një rënie prej 100 m mund të japë të njëjtën fuqi si një lum i ulët me njëqind herë më shumë rrjedhje se sa një ndalesë prej 1 m. Turbina ndjek vendin:
- Kokë e lartë, rrjedhje e ulët (dhjetra deri në qindra metra): Rrota Pelton dhe Turgo, të goditura nga shmangie uji.
- Koka e mesme: Francis dhe turbinat me rrjedhje të ndërprerë.
- Kokë e ulët, rrjedhje e lartë. (1 deri 10 m): Kaplan propellers dhe Arkimedi, që kthehen ngadalë, kalojnë mbeturinat dhe janë më të butë ndaj peshkut.
- Në tubacione: turbinat e posaçme në linjë, ose pompat standarde që funksionojnë si turbina, një opsion i përdorur gjerësisht me kosto të ulët.
Presioni është kokë. Në një tub, lartësia shfaqet si presion: një bar është e barabartë me rreth 10.2 m të kokës. Ky është çelësi për hidrocentralin në tubacion. Qytetet mbajnë rrjetat e ujit në disa bara; ku një rrjet kalon poshtë kodrës nga një rezervuar, presioni do të jetë shumë i lartë për shtëpitë, kështu që një reduktues i presionit E nxjerr tepricën si nxehtësi dhe zhurmë. Një turbinë në vend të atij valvoli e rimerr atë. Shembulli i shpjeguesit “valvul në një rrjet uji”, 0.3 metra kub për sekondë nëpërmjet 3 bar, është rreth 60 kW që përndryshe harxhohet.
Nuk ka drekë falas në një tubë. Një turbinë mund të marrë vetëm presion që nuk është i nevojshëm në rrjedhë. Duke e vendosur një në një tubacion që ka nevojë për gjithë presionin e tij thjeshtë e vjedh atë nga klientët ose i bën pompat të punojnë më shumë, gjë që kushton më shumë elektricitet se sa prodhon turbina. Vendet e mira në tubacion janë, prandaj, të veçanta: rrjeti i gravitetit me presion tepërt, rrjedhje mjaftueshëm të madhe dhe përdorim të qëndrueshëm. Kriteret e vetë një zhvilluesi të vendit ishin tubacionet prej 0.6 deri në 2.4 m në diametër, shpejtësia e rrjedhjes nga 0.9 deri në 3.7 m / s dhe së paku 5 psi (0.34 bar) e presionit tepërt (Lucid Energy, arkivuar).
Faktori i kapacitetit vjen nga lumi. Lumi ngrihet dhe bie me stinët dhe një skemë duhet të lërë mjaft ujë në lum për peshkun dhe çdo gjë tjetër. Një ujëmbledhës i vogël lumi është zakonisht e madhe për të përdorur rrjedhjen në dispozicion për një pjesë të mirë të vitit; Settle’s 50 kW vijë punon në një faktor kapaciteti 38%, dhe mbyllet vetë në periudha të thatë për të mbajtur ujin që rrjedh nëpërmjet saj peshk kalon.
Kufizimet: teorike dhe praktike
Fizikë. Energjia është vetëm aq e madhe sa rrjedhja herë pikën. Një rrjedhë kopshti me 10 litra për sekondë që bie 5 metra jep rreth 0.3 kW, mjaftueshëm për drita dhe një frigorifer por jo ngrohjen e shtëpisë. Një valvul kryesor tipik i ujit jep dhjetra kilovat. Kjo është shkallë e ndershme e shumë vendeve të vogla: kilovat, jo megavat.
Kostoja e fiksuar. Një skemë prej 20 kW ka nevojë për pothuajse të njëjtat sondazhe, studime mjedisore, leje, mbrojtjen e peshkut, lidhjen me rrjetin dhe punë ligjore si një skemë prej 500 kW. Këto kosto nuk zvogëlohen me madhësinë, kështu që skema më e vogël është shpesh më e shtrenjtë për kWh.
Mjedisi. Digat bllokojnë migrimin e peshkut dhe turbinat mund të dëmtojnë peshkun. Edhe me një shkallë peshku, operatorët e komunitetit në Settle raportuan më pak salmon që kalonte në rrjedhë dhe dyshonin zhurmë nga vija (Settle Hydro). Shumë vende nuk kërkojnë vlerësim të plotë mjedisor për skema të vogla, që ka çuar në uzina të vendosura keq në disa rajone (Hidrocentralet e vegjël). Një projekt i mirë lë mjaft ujë në lumë, kalon peshkun në të dy drejtimet dhe mbikqyret.
Siguria e ujit. Turbinat brenda rrjetit të ujit të pijshëm preknin ujin që pinin njerëzit. Ato duhet të jenë të certifikuara për kontakt me ujin e pijshëm, nuk duhet të lejojnë kurrë ajrin apo ndotësin brenda dhe duhet të dështojnë pa rrezik, kështu që një shërbim nuk do të eksperimentojë lehtë me rrjetin e vet.
Projekte reale, të matur
| Projekti | Ku | Lloji dhe madhësia | Çfarë është matur apo raportuar |
|---|---|---|---|
| Shteti i Hidrogjenit | River Ribble, North Yorkshire, Angli | Shtylla e Arkimedit në një mullinj, 50 kW | Gjenerati që nga nëntori 2009; rreth 165 MWh në vit (38% faktor kapaciteti); £410,000 të ngritura nëpërmjet aksioneve të komunitetit; operatorët raportojnë më pak salmon në fillim të rrjedhës dhe dyshojnë zhurmën e vijës (Settle Hydro) |
| Torrs Hydro | Lumi Goyt, New Mills, Angli | Vija e Arkimedit, 2.4 m diametri, deri në 63 kW | Skema e parë hidroelektrikë në pronësi të komunitetit në Mbretërinë e Bashkuar, dorëzuar në shtator 2008; £100,000 u ngritën nga 200 anëtarë të komunitetit (Torrs Hydro) |
| LucidPipe, Portland Water Bureau | Portland, Oregon, SHBA | Turbinat në linjë brenda një burimi të madh uji me gravitet. | E instaluar në tubacionet e ujit të qytetit dhe duke prodhuar deri në fillim të vitit 2015 (Departamenti i Energjisë i Oregonit; Lucid Energy news, arkivuar 2015). Ne nuk gjetëm asnjë regjistrim të publikuar të prodhimit vjetor të saj të matur, dhe deri më 2022 domenë web e zhvilluesit ishte ofruar për shitje (faqja e arkivuar). |
| Distrikti i Ujimit të Njësive Veriore | Pranë Madras, Oregon, SHBA | Hidrocentrali i një kanali ujitje (Natel Energy) | Një nga projektet e kanaleve operuese të listuara nga Departamenti i Energjisë i Oregonit (Departamenti i Energjisë i Oregonit) |
| US conduit exemptions | Shtetet e Bashkuara | Tubacionet dhe kanalet | 236 projekte të kanaleve ishin autorizuar nga rregullatori federal deri më 2013 (Conduit hydroelectricity) |
| Hidrocentrali i vogël kinez | Kina rurale | Rreth 45,000 bimë të vogla | Rreth 160 TWh në vit deri më 2010, shumica e të cilave furnizojnë fshatra që nuk kishin rrjet (Hidrocentrale të vogla) |
Mësimi nga këto projekte është i qëndrueshëm. Ku ka tashmë një kokë, rrjedhje dhe strukturë, hidrocentralet e vegjël punojnë prej dekadash: digat e mullinjve nga revolucioni industrial po prodhojnë elektricitet përsëri. Ku burimi është i vogël, prodhimi është i vogël pa marrë parasysh sa e zgjuar është turbina. Hidrocentralet në tubacione në veçanti kanë patur shtyp entuziast dhe pak matje të botuara; fizika është e mirë, por vendet e mira janë specifike dhe tregu ka mbetur i vogël.
Sa kushton?
| Burimi | Çfarë është | Çmimi |
|---|---|---|
| Mikro hidro, kostoja tipikisht e instaluar | $1,000 to $5,000 për kW (Micro hydro) | |
| Llogaritja jonë nga ai interval | 40 deri në 60% faktor kapaciteti, 20 vjet me 7% reale, mirëmbajtje 3% e investimit në vit (metoda Fan Wall) | $0.02 to $0.18 për kWh |
| Hidro, llogaritja jonë. | 410,000 £ për 165 MWh në vit, 20 deri në 40 vjet me 7% real, 3% mirëmbajtje | rreth £0.26 deri në £0.31 për kWh |
| Referenti ynë | Çmimet e energjisë diellore në një ndërtesë, model i murit të ventiluesit; Lazard 2026 solar komercial dhe komuniteti | $0.19 për kWh; $0.09 to $0.20 |
| Lazard (Qershor 2026) | Një utilitet i ri diellor / erë në bregdet | $0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 për kWh |
Rrethi është i gjerë sepse janë vende. Një vend i mirë me një hyrje ekzistuese mund të bëjë elektricitet për disa cent për kWh, shumë më poshtë se çmimet e paneleve diellore në çatitë e shtëpive dhe ta vazhdojë këtë për pesëdhjetë vjet. Një skemë e vogël e komunitetit me kokë të ulët me mbrojtje të plotë peshku, si Settle, kushton më shumë për kWh se sa dielli i çatisë në supozimet tona standarde; skema të tilla zakonisht justifikohen nga jetëgjatësia, pronësia lokale, prodhimi natën dhe në dimër dhe tarifat mbështetëse. Për hidrocentralet në tubacion pyetja është më e thjeshtë: a ka presion tepërt që po shkatërrohet sot në një valvulë? Nëse po, rifitimi i saj mund të paguajë; nëse jo, nuk ka asgjë për t’u rifituar.
Ku mund të fitojë, dhe ku nuk mundet.
Mund të fitojë:
- Rezervuarë ekzistues dhe vende të mullinjve, ku punët civile u paguan për një ose dy shekuj më parë.
- Uji me rrjetin e gravitetit, daljet e rezervuarit dhe valvulat reduktuese të presionit që heqin presionin çdo orë të ditës.
- Kanalet e vaditjes me pikat dhe daljet e punimeve të trajtimit të ujit të zeza.
- Fshatrat malore jashtë rrjetit, ku një mikro-hidro minirrjet mund të furnizojë energji ditën dhe natën me kosto më të ulët se sa nafta.
- Natë dhe dimër fuqi në vende ku panelet diellore bëjnë pak.
Nuk mund të fitojë:
- Në një vend të sheshtë me rrjedha të vogla: pa kokë apo rrjedhje nuk ka energji.
- Në tuba që kanë nevojë për presionin e tyre, ku një turbinë vetëm lëviz faturën e energjisë nga një metër në tjetrin.
- Ku një diga e re do të dëmtojë peshqit në një lumë që ka rëndësi për ta, përveç nëse dëmi mund të shmanget dhe tregohet.
- Në shkallën e pikëve në rrjetë, ku kostot fikse e zënë vendin e energjisë.
Çfarë është e provuar, e besueshme dhe spekulative
Provuar: ekuacioni i hidroenergjisë; efektshmëritë e turbinave; se skema të vogla hidroenergjitike funksionojnë për dekada me kosto të ulët; se vijat e Arkimedit dhe turbinat konvencionale punojnë në digat e vjetra; se pronësia e komunitetit mund të financojë skema të vogla; se projektet e tubacioneve operojnë në sistemet e ujit dhe vaditjes.
Plausible: që shumë shërbime ujore kanë presion të mjaftueshëm tepër në valvula dhe daljet e rezervuarit për kilovat të dobishme në çdo vend; se pompat standarde funksionojnë si turbina mund të shkurtojnë koston e skemave në tubacion; se dizajnet e reja miqësore ndaj peshkut mund të reduktojnë dëmin në vendet me ujë të ulët.
Spekulative: turbinat në tubacione të zakonshme shpërndarëse pa presion tepërt (energjia duhet të vijë nga diku); kontribute të mëdha kombëtare nga mikro hidrocentralet në vendet me kokë të vogël; turbina shumë të lira “plug-in” në lumenj pa punët e zakonshme civile dhe leje.
Hap pyetje kërkimi
- Hartografimi i presionit tepërt. Sa energji shkatërrojnë rrjetet e ujit në valvula sot, vend nga vendi dhe sa e qëndrueshme është ajo gjatë ditës dhe vitit?
- Kontroll. Turbinat që mbajnë presionin poshtë rrjedhës si të qëndrueshme sa valvula që zëvendësojnë, edhe kur kërkesa ndryshon.
- Peshk. Cilat turbina dhe ekrane lejojne peshkun te kaloje ne te dyja drejtimet me nje dëmtim te ulet, te matur, jo te supozuar?
- Kostoja. Skema të vogla të standardizuara me më pak punë civile të përshtatura dhe leje më të thjeshta për vendet që tashmë kanë diga.
- Nxehtësia si dhe energjia. Lumi dhe rrjeti i ujit janë gjithashtu burime të qëndrueshme të nxehtësis për pompat e ngrohjes; a mund një skemë t’i bëjë të dyja?
Çfarë do të duhej një prototip pune
Një ide e vogël hidroenergjetike është një nga më të lehtat për t’u provuar sinqerisht, sepse uji, tubacionet dhe matjet janë gjëra të përditshme. Kostot më poshtë janë vlerësimet tona të përgjithshme.
| Faza | Punë | Çfarë provon | Kostoja e përgjithshme | Ora |
|---|---|---|---|---|
| 1. Bench rig | Një pompë ose një rezervuar me një rrjedhje të matur (matës i rrjedhës) dhe presion (matës para dhe pas), turbina që shtyn një bankë ngarkese nëpërmjet një matëse energjie të regjistruar | Efektiviteti kundër rrjedhjes dhe kokës | $5k to $30k | 1 deri në 3 muaj |
| 2. Prova e vërtetë në vend | Një njësi 1 deri në 20 kW në një rrjedhë, tubacion të fermës ose një valvulë të shërbimit të bypass, me mbrojtje të cilësisë së ujit ku është e nevojshme, duke prerë për një sezon | Real output mbi ndryshimin e rrjedhjes, mbeturinave, mirëmbajtjes | $20k to $150k | 6 deri në 12 muaj |
| 3. Utility ose pilot komuniteti | Një instalim i lejuar me lidhje rrjeti, mbikqyrje peshku apo certifikim të ujit të pijshëm sipas nevojave | Energjia vjetore e bankave, lejet, kostot | $100k to $1 milion | 1 deri në 2 vjet |
Faza 1 është në duart e një shkolle apo hapësire krijuese. Është gjithashtu saktësisht prova që një fushatë ka nevojë: një turbinë, një rrjedhje e matur, një rënie e matur dhe një matës që tregon elektricitetin që ajo prodhon.
Kush na duhet?
- Inxhinieri hidraulike dhe hidroenergjitike për vlerësimin e vendit dhe zgjedhjen e turbinës.
- Inxhinieri e shërbimeve të ujit të cilët e dinë se ku zvogëlohet presioni dhe si rrjetet sillen gjatë ditës.
- Biologët e peshkimit për dizajnimin dhe mbikqyrjen e kalimit të peshkut.
- Inxhinierë elektrikë për gjeneratorë të vegjël, lidhje rrjeti dhe mini-rrjete ishullorë.
- Inxhinierë Civilë për hyrje, digat dhe ekranet.
- Grupet e energjisë së komunitetit dhe pronarët e tokës me digat, fabrikat ose tubacionet e fermave.
- Specialistët e certifikimit të ujit të pijshëm Për çdo gjë brenda një burimi të pirjes.
Ke ide më të mirë?
Disa anëtarë të Fondacionit mund të kenë kontakte që mund të dëgjojnë një rrëfim. Për të qenë e vendosur, një ide ka nevojë për që punon, model i jetës reale që në fakt prodhon energji, me prodhimin e saj të matur në një instrument, nuk pretendohet: një turbinë në një platformë testimi me një matës të rrjedhjes, matës të presionit dhe një matës të regjistruar të fuqisë ka vlerë më shumë se çdo vizatim. Idetë e letres janë të mirëpritura gjithashtu: nëse fizika dhe numrat janë të qëndrueshëm, ne mund t’i publikojmë ato këtu në faqen në internet. Por mbledhja e kapitalit pa një model pune është shumë e vështirë dhe asgjë këtu nuk është premtim i financimit, kthimit apo paraqitjeve.
Dërgoni idenë tuaj nëpërmjet formës së kontributit, duke zgjedhur Iniciativën e Gjelbër. Na thuaj rrjedhjen dhe lartësinë me të cilën punon, efektshmërinë që matesh ose pret, një kosto për kWh dhe testi më i lirë që mund ta provojë gabimin. - Po. burime energjie krahasohet hidrocentrali i vogël me njëmbëdhjetë ide të tjera.
Burimet
- Hidroelektricitet, Wikipedia: pjesa e energjisë elektrike botërore dhe efektshmërinë e turbinës.
- Hidrocentrali i vogël, Wikipedia, duke u bazuar në UNIDO-n Raporti Botëror i Zhvillimit të Hidrocentraleve të Vogla 2022.
- Micro hydro, Wikipedia: size classes, efficiency and installed costs.
- Duct hydroelectricity, Wikipedia.
- Akti i Efektivitetit Rregullator të Hidroenergjisë 2013, Wikipedia; tekst në Congress.gov.
- Settle Hydro and Torrs Hydro, Wikipedia.
- Departamenti i Energjisë i Oregonit. Hidroenergji në Oregon, duke përfshirë projektet e kanaleve në Portland dhe në Qarkun e Ujimit të Njësive Veriore.
- Energjia e qartë. Target projects (archived 2021) and lucidenergy.com (archived 2022).
- Run-of-the-river hydroelectricity, Wikipedia: seasonality and environmental effects.
- Ofgem (2023). Vlera tipike e konsumit vendas: 2,700 kWh energji elektrike në vit për një përdorues mesatar.
- Lazard (Qershor 2026). Kostoja e Energjisë së Niveluar+, versioni 19.
- Local Solar System Fondacioni. The Fan Wall: open model and benchmark, panele diellore në $0.19 për kWh.
- Turbina e ujit, Wikipedia: gama tipik kokë për çdo tip turbine, nga rrotat e ujit (0.2 deri në 4 m) në rrotat Pelton (80 deri në 1,600 m).