Küçük hidroelektrik ve borulardaki hidroelektrik

Buhardan önce, her nehir boyunca değirmenler suyu iş haline getiriyordu. Çoğu baraj ve kanal hala orada. Hidroelektrik enerjisi, 2023 yılında dünyanın elektrik üretiminin yaklaşık %15’ini oluşturarak, Dünya üzerindeki en büyük yenilenebilir elektrik kaynağıdır.Hidroelektrik santrali). Bu sayfa ölçeğin diğer ucunda yer alanlar hakkındadır: birkaç kilovattan birkaç megavata kadar olan türbinler, akarsulardaki eski değirmen barajları, sulama kanalları ve şehirlere içme suyu taşıyan borular.

Fan Duvar araştırma sayfamızda olduğu gibi, fizikle başlıyoruz, sonra gerçek planların ne ölçüdüğüne ve referansımız olan kWh başına yaklaşık 0.19 $‘lık bir çatıdaki güneş paneline karşı ne kadar mal olduklarına bakıyoruz. Kısaca: **küçük hidroelektrik kanıtlanmış, uzun ömürlü ve geceleri çalışır ve iyi bir site çatıdaki güneş enerjisini rahatlıkla yenebilir. Fakat enerji sadece akış zamanları düşer, çoğu akarsu ve borular yalnızca birkaç kilovat sunar ve izinler, inşaat ve balık korumasının sabit maliyetleri pek çok küçük projeyi suya gömüyor. Boru içindeki hidroelektrik, sadece basıncın her şekilde boşa gideceği yerlerde anlamlı.

Nedir bu?

“Küçük hidroelektrik” genellikle büyüklüklerine göre sınıflandırılan bir dizi makineyi kapsar: küçük yaklaşık 10 MW’a kadar, mini ülkeye bağlı olarak 1 MW veya 500 kW altında, mikro 100 kW altında ve pico 5 ila 10 kW arasında (Küçük hidroelektrik; Mikro hidroelektrik). Neredeyse hepsi nehir akışı: bir rezervuar yerine, düşük bir su kemeri bir türbin aracılığıyla nehrin bir kısmını yönlendirir ve aşağıya doğru geri döndürür.

Pipe-in veya conduit hydro türbinleri zaten mevcut olan su altyapısı içine koyar: bir rezervuardan aşağıya doğru giden su ana hatları, su evlere ulaşmadan önce basıncı kesecek valfler, damlalarla sulama kanalları ve işleme çalışmalarının çıkışları. Yeni baraj ve yeni nehir geçişi yok, bu yüzden ABD 2013 yılında federal ruhsatlandırmadan 5 MW’a kadar olan boru hattı projelerini muaf tuttu.

Nasıl çalışıyor?

Tek denklem. Hidro türbini, düşen suyun potansiyel enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Güç P = ρ × g × Q × H × η, burada ρ suyun yoğunluğudur (metreküp başına 1.000 kg), g yerçekimidir (9.81 m/s²), Q saniyede metreküp akış, H baş veya su düşen yükseklik, metre ve η türbin, jeneratör ve boruların birlikte verimliliğidir. Açıkça söylemek gerekirse: saniyede bir metre düşen her metreküp 9.81 kW taşımaktadır. Büyük türbinler %90’dan fazlasını dönüştürür; küçük olanlar genellikle %50 ile %85 arasındadır.Mikro hidroelektrik).

Baş ve akış ticareti yerler. Bir damla akışı ve 100 m düşüşü olan bir dağ akıntısı, 1 m’lik bir su deposu üzerinde yüz kat daha fazla akımla bir alçak nehirle aynı güce sahip olabilir. Türbin siteyi takip ediyor:

• Yüksek baş, düşük akış (onlardan yüzlere kadar metre): Pelton ve Turgo tekerlekleri, su jetleri tarafından vurulur.
• Orta baş: Francis ve crossflow türbinleri.
• Düşük baş, yüksek akış (1 ila 10 m): Kaplan pervaneleri ve Arşimet vidaları, yavaş döner, enkaz geçirir ve balıklara daha naziktir.
• Pipelerde: özel in-line türbinler, veya standart pompalar türbinler olarak geriye doğru çalışır, yaygın olarak kullanılan düşük maliyetli bir seçenektir.

Basınç baştır. Bir boruda, yükseklik basınç olarak gösterilir: bir bar yaklaşık 10,2 m başa eşittir. Bu boru içindeki hidroelektrik santralinin anahtarı. Şehirler su hatlarını birkaç barda tutuyor; bir havuzdan aşağıya doğru giden bir hat varsa, basınç evler için çok yüksek olurdu, bu yüzden bir basınç azaltıcı vana Artık o, fazlasını ateş ve sesten başka bir şey olarak dışarı atar. O vananın yerine bir türbin koyarsak, bu enerji geri kazanılır. Açıklayıcının “su ana hatlarındaki valf” örneği, 3 bar’da saniyede 0.3 metreküp, aksi takdirde boşa gidecek yaklaşık 60 kW’dır.

Bir boruda bedava öğle yemeği yoktur. Bir türbin sadece akışta ihtiyaç duyulan basıncı alabilmektedir. Tüm basıncına ihtiyacı olan bir boruya koymak, sadece müşterilerden onu çalar veya pompaları daha zor çalışmaya zorlar, ki bu da türbinden daha fazla elektrik harcar. Bu nedenle iyi boru siteleri spesifiktir: fazla basınçla kütleçekim ana hatları, yeterince büyük akış ve sabit kullanım. Bir geliştiricinin kendi site kriterleri 0,6 ila 2,4 m çapında borular, 0,9 ila 3,7 m / s akış hızları ve en az 5 psi (0,34 bar) fazla basınçtı (Lucid Energy, arşivlendi).


Kapasite faktörü nehrden gelir. Nehirler mevsimlerle yükselir ve düşer, ve bir plan nehirde balık ve diğer her şey için yeterli su bırakmalıdır. Küçük bir nehir santrali genellikle yılın iyi bir kısmı için mevcut akışa göre boyutlandırılmıştır; Settle’ın 50 kW’lık sarkacı %38 kapasite faktörü ile çalışır ve balık geçişinden su akmasını sağlamak için kuru dönemlerde kendini kapatabilir.

Sınırlar: teorik ve pratik

Fizik. Enerji sadece akış miktarı ile damlanın çarpımı kadar büyüktür. Saniyede 10 litre su akıtan ve 5 metreden düşen bir bahçe akıntısı, yaklaşık 0.3 kilovat güç üretiyor ki bu da lambalar ve buzdolabına yetiyor ama ev ısıtmasına yetmiyor. Tipik bir su ana valf onlarca kilovat verir. Bu, çoğu küçük sitenin dürüst ölçeğidir: kilowattlar, megawattlar değil.

Fikir maliyetler. 20 kW’lık bir projenin, 500 kW’lık bir projeyle neredeyse aynı araştırmalar, çevresel çalışmalar, izinler, balık koruması, şebeke bağlantısı ve hukuki çalışmalara ihtiyacı var. Bu maliyetler büyüklükle küçülmez, bu yüzden en küçük planlar genellikle kWh başına en pahalılardır.

Çevre. Barajlar balık göçünü engeller ve türbinler balıkları yaralayabilir. Balık merdiveni ile bile, Settle’daki toplum operatörleri daha az somonun akışa doğru geçtiğini ve sapı gürültüden şüphelendiklerini bildirdiler (Settle Hydro). Birçok ülke küçük projeler için tam çevresel değerlendirme gerektirmez, bu da bazı bölgelerde kötü konumlandırılmış tesislere yol açmıştır (Küçük hidroelektrik). İyi bir projede nehirlerde yeterli su kalıyor, balıklar her iki yöne de geçiyor ve kontrol altında tutuluyor.

Su güvenliği. İçme suyu hatları içindeki türbinler insanların içtiği suya dokunur. İçme suyu ile temas için sertifikalı olmaları, asla hava veya kirliliği içeriye sokmamaları ve güvenli bir şekilde çalışmamaları gerekir, bu yüzden bir hizmet sağlayıcısının ana hatlarıyla hafifçe deneme yapmaması gerekiyor.

Gerçek projeler, ölçülmüş

Proje	Nerede	Tip ve boyut	Ne ölçüldü veya rapor edildi
Hidrojen çözeltisi	Ribble Nehri, Kuzey Yorkshire, İngiltere	Arşimet’in bir değirmenin üzerindeki vidası, 50 kW	Kasım 2009’dan beri üretim; yılda yaklaşık 165 MWh (% 38 kapasite faktörü); toplum hisseleri aracılığıyla £ 410.000 toplandı; operatörler daha az somon akışını rapor etti ve screw gürültüsünden şüphelendi (Settle Hydro)
Torrs Hydro	Goyt Nehri, New Mills, İngiltere	Arşimet’in vidası, 2.4 m çapında, 63 kW’a kadar	Birleşik Krallık’ın ilk topluluk sahibi hidroelektrik projesi, Eylül 2008’de teslim edildi; 200 topluluk üyesinden £100.000 toplandı (Torrs Hydro)
LucidPipe, Portland Su Bürosu	Portland, Oregon, ABD	Büyük bir yer çekimi ile beslenen su ana hatının içindeki düz tüneller	Şehrin su borularına kurulu ve 2015 yılının başlarında üretime başlamış (Oregon Enerji Bakanlığı; Lucid Energy haber, arşivlendi 2015). Yıllık üretim ölçümü hakkında yayınlanan bir kayıt bulamadık ve 2022 yılında geliştiricinin web alan adı satışa sunuldu (arşivlenmiş sayfa).
Kuzey Birim Sulama Bölgesi	Madras, Oregon, ABD yakınlarında.	Sulama kanalı üzerindeki hidroelektrik boru hattı (Natel Energy)	Oregon Enerji Bakanlığı tarafından listelenen işlevsel boru hattı projelerinden biri (Oregon Department of Energy)
ABD’de kanunsuzluk	Birleşik Devletler	Borular ve kanalları	2013 yılına kadar federal düzenleyici tarafından 236 boru hattı projesi onaylandı (Conduit hydroelectricity)
Çin’in küçük hidroelektrik santrali	Çin kırsal alanı	Yaklaşık 45.000 küçük bitki	2010 yılına kadar yılda yaklaşık 160 TWh, bunun büyük bir kısmı şebekesi olmayan köyleri güçlendiriyor (Küçük hidroelektrik)

Bu projelerden alınan ders tutarlı. Nehir, akış ve yapı zaten varsa, küçük hidroelektrik santralleri on yıllardır çalışıyor: Sanayi Devrimi’nden kalma değirmen barajları yeniden elektrik üretiyor. Kaynağın ince olduğu yerde, türbin ne kadar akıllı olursa olsun, üretim küçüktür. Özellikle boru içindeki hidroelektrik, hevesli basına ve birkaç yayınlanan ölçüme sahiptir; fizik sağlamdır, ancak iyi yerler özeldir ve pazar küçük kalmıştır.

Ne kadara mal oluyor?

Kaynak	Nedir bu?	Fiyatı
Mikro hidroelektrik, tipik kurulum maliyeti	$1,000 to $kW başına 5.000 (Mikro hidro)
Bu aralıktan hesapladığımızda	%40-60 kapasite faktörü, 20 yıl %7 gerçek, yatırımın yılda %3 bakım (Fan Duvar yöntemi)	$0.02 to $kWh başına 0.18
Hidro’yu çözelim, hesaplamamız	Yılda 165 MWh için £410,000, 20 ila 40 yıl %7 gerçek, %3 bakım	kWh başına 0.26 ila 0.31 sterlin
Bizim referansımız	Bina üzerindeki çatıdan güneş, Fan Wall modeli; Lazard 2026 ticari ve toplumsal güneş	kWh başına 0,19$; $0.09 to $0,20
Lazard (Haziran 2026)	Yeni güneş enerjisi / karaya kurulu rüzgar	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 kWh başına

Siteler olduğu için araç yelpazesi geniş. Mevcut bir girişi olan iyi bir yüksek baş sitesi, kWh başına birkaç sent ile elektrik üretebilir, çatıdaki güneşin çok altında ve bunu elli yıl boyunca yapabilir. Settle gibi tam balık koruması olan küçük bir düşük başlıklı toplum şeması, standart varsayımlarımızda kWh başına çatıdaki güneşten daha pahalıdır; bu tür şemalar genellikle uzun ömürlülük, yerel sahiplik, gece ve kıştaki üretim ve destek tarifeleri ile haklı çıkarılır. Boru içindeki hidroelektrik için soru daha basittir: bugün bir valf içinde yok edilen fazla basınç var mı? Eğer evetse, geri kazanmak paraya mal olabilir; eğer hayırsa, geri kazanacak bir şey yok.

Kazanabileceği ve kazanamayacağının yeri.

Kazanabilir:

• Mevcut barajlar ve değirmen alanları, inşaat işleri yüzyıllarca ödenmiş.
• Su hizmetleri Güneş enerjisi ile çalışan bir sistem, rezervuar çıkışlarıyla ve basıncı düşüren vanalara sahip. Gündüz her saat basıncı düşürüyor.
• Damarlı sulama kanalları ve atık su arıtma tesislerinin çıkışları.
• Mikro hidroelektrik mini şebekesinin gündüz ve gece dizelden daha ucuza elektrik sağlayabileceği dağ köyleri.
• Gece ve kış gücü güneş panellerinin az ürettiği yerlerde.

Kazanamaz:

• Küçük akarsularla düz bir ülkede: baş veya akış olmadan güç yoktur.
• Basınçlarını gerektiren borularda, bir türbinin sadece enerji faturasını bir metreden diğerine taşıdığı.
• Yeni bir barajın balıklara zarar vereceği yerde Onlar için önem taşıyan bir nehirde, zarardan kaçınıp görünmediği sürece.
• Piko ölçeğinde bir ağ, sabit maliyetler enerjiyi küçümser.

Kanıtlanmış, muhtemel ve spekülatif olan nedir?

Kanıtlanmıştır: hidroelektrik denklemi; türbin verimlilikleri; küçük hidroelektrik projelerinin on yıllar boyunca düşük işletim maliyeti ile çalıştığını; Arşimet vidaları ve geleneksel türbinlerin eski barajlarda çalıştıklarını; toplumun mülkiyetinin küçük projeleri finanse edebileceğini; boru hattı projelerinin su ve sulama sistemlerinde çalıştığını.

Makul: birçok su hizmetlerinin her yerde kullanılabilir kilovatlar için vantilatörlerde ve rezervuar çıkışlarında yeterli fazla basınca sahip olması; standart pompaların türbinler gibi çalışması borulardaki planların maliyetini azaltabilir; yeni balık dostu tasarımlar düşük baş alanlarında zararı azaltabilir.

Spekülatif: Sıradan dağıtım borularında fazla basınç olmadan boru içi türbinler (enerji bir yerden gelmeli); küçük başlıkla ülkelerde mikro hidroelektrikten büyük ulusal katkı; çok ucuz “plug-in” nehir türbinleri, normal inşaat ve izinler olmadan.

Açık araştırma soruları

• Aşırı basıncı haritalamak. Su ağları bugün, siteden siteye, kaç enerjiyi yok ediyor ve bu gün ve yıl boyunca ne kadar sabit?
• Control. Aşağıdaki basıncı, gereksinim değiştiğinde bile, değiştirdikleri vananın sabit olduğu kadar tutan türbinler.
• Balık. Hangi türbin tasarımları ve ekranlar balıkların her iki yönde de düşük zararla geçmesine izin verir, ölçülür, varsayılmaz?
• Maliyetler. Daha az özel inşaat çalışmaları ve zaten barajlara sahip olan siteler için daha basit izinlerle standartlaştırılmış küçük planlar.
• İşığın yanı sıra güç de. Nehirler ve su hatları da sıcaklık pompaları için istikrarlı ısı kaynaklarıdır; bir şema her ikisini de yapabilir mi?

Çalışan bir prototipin neye ihtiyacı olur?

Küçük bir hidroelektrik fikri, dürüstçe test edilmesi en kolay fikirlerden biri, çünkü su, borular ve metreler günlük hayattaki şeylerdir. Aşağıdaki maliyetler bizim kaba tahminlerimizdir.

Sahne	İş	Neyi kanıtlıyor?	Tahmini maliyet	Zaman
1. Banka	Bir pompa döngüsünün veya ölçülmüş bir akış (akış ölçer) ve basınç (göstergeler önce ve sonra), yük bankasını yöneten bir türbin ile kaydedilmiş bir güç metresi olan bir başlık tankı	Akış ve basınca karşı verimlilik	$5k to $30k	1 ila 3 ay
2. Gerçek bir site deneyi	Bir akıntı, çiftlik borusu veya bir hizmet valf bypass üzerinde 1 ila 20 kW’lık bir birim, su kalitesi korumaları ile ihtiyaç olduğunda, bir sezon için kesim	Değişen akış, enkaz, bakım üzerinde gerçek üretim	$20k to $150k	6 ila 12 ay
3. Utility veya toplum pilotu	İhtiyaç duyulan şebeke bağlantısı, balık izleme veya içme suyu sertifikası ile izin verilen bir tesisin	Bankalar için yıllık enerji, izinler, maliyetler	$100k to $1 milyon.	1-2 yıl

Stage 1 is within reach of a school or a maker space. Aynı zamanda bir pistin ihtiyacı olan kanıtlar da bu: bir türbin, ölçülen bir akış, ölçülen bir düşme ve üretilen elektriği gösteren bir metre.

Kime ihtiyacımız var?

• Hidrolik ve hidroelektrik mühendisleri site değerlendirmesi ve türbin seçimi için.
• Su hizmetleri mühendisleri Basıncın nerede azaldığını ve ağların gün boyunca nasıl davrandıklarını bilenler.
• Balıkçılık biyologları balık geçişlerinin tasarımı ve izlenmesi için.
• Elektrik mühendisleri Küçük jeneratörler, şebeke bağlantısı ve ada minigridleri için.
• İnşaat mühendisleri - Su girişleri, barajlar ve ekranlar için.
• Toplumsal enerji grupları ve barajları, değirmenleri veya çiftlik boru hatları olan toprak sahipleri.
• İçme suyu sertifikası uzmanları İçme suyu için.

Daha iyi bir fikrin var mı?

Vakfın bazı üyelerinin bir teklifi duyabilecek kişilerle bağlantıları olabilir. Bir fikrin ortaya konması için, gerçek hayatta çalışan, aslında güç üreten bir model, bir alet üzerinde ölçülen çıkışıyla, iddia edilmemiş: bir test platformunda bir türbin, bir akış ölçeriyle, basınç ölçümleri ve kaydedilmiş bir güç ölçer her türlü çizimden daha değerlidir. Kağıt üzerindeki fikirler de memnuniyetle karşılanıyor: fizik ve sayılar sağlam ise, onları burada web sitemizde yayınlayabiliriz. Fakat işleyen bir model olmadan sermaye toplamak çok zor ve burada hiçbir şey finansman, kazanç veya tanıtım sözü vermez.

Fikirlerinizi katkı formu aracılığıyla, Green Initiative’i seçerek gönderebilirsiniz. Bize akış ve basınç, ölçülen veya beklenen verimlilik, kilowatt-saat başına tahmini maliyet ve yanlış olduğunu kanıtlayabilecek en ucuz test hakkında bilgi verin. enerji kaynakları sayfası küçük hidroelektrik santrallerini diğer on bir fikirle karşılaştırmaktadır.

Kaynaklar

1. Hydroelectricity, Wikipedia: dünya elektrik ve türbin verimliliğinin payı.
2. Küçük hidroelektrik, Wikipedia, UNIDO’nun World Small Hydropower Development Report 2022’dan alınmıştır.
3. Micro hydro, Wikipedia: boyut sınıfları, verimlilik ve kurulum maliyeti.
4. Conduit hydroelectricity, Wikipedia.
5. 2013 yılından itibaren Hidroelektrik Enerji Düzenleme Verimliliği Yasası, Wikipedia; metin at Congress.gov.
6. Settle Hydro ve Torrs Hydro, Wikipedia.
7. Oregon Enerji Bakanlığı. Oregon’daki hidroelektrik, Portland ve Kuzey Birim Sulama Bölgesi’ndeki boru projeleri dahil.
8. Lucid Energy. Target projects (archived 2021) and lucidenergy.com (archived 2022).
9. Run-of-the-river hydroelectricity, Wikipedia: mevsimsellik ve çevresel etkiler.
10. NGC 2023 (İngilizce). Tipik evsel tüketim değerleri: Ortalama bir kullanıcı için yılda 2.700 kWh elektrik.
11. Lazard (Haziran 2026). Levelized Cost of Energy+, sürüm 19.
12. Local Solar System Kuruluş. The Fan Wall: open model and benchmark, kWh başına $0.19’da çatıda güneş enerjisi.
13. Su türbini, Wikipedia: her türbin tipi için tipik başlık aralığı, su tekerleklerinden (0.2 ila 4 m) Pelton tekerleklerine (80 ila 1.600 m).