小型水电和管内水电

在蒸汽之前,每条河流沿岸的磨坊都把水变成了劳动力。 他们的许多堤坝和运河仍然存在。 水电仍然是地球上最大的可再生能源发电,在2023年约占世界电力的15 % , 大部分来自大型水坝 (水电 ) 。 这个页面是关于规模的另一端:几千瓦到几兆瓦的涡轮机在溪流,旧工厂堤坝,灌溉运河和管道带来饮用水城市。

如我们的 Fan Wall research page,我们从物理学开始,然后看看真实方案测量什么以及它们与我们的基准(每千瓦时约为0.19美元的屋顶太阳能电池板)相比所花费的成本。 简单的说:小型水力发电是经过验证,寿命长,在夜间运行,一个好的站点可以轻松地击败屋顶太阳能。 但电力流量只是时常下降,大多数溪流和管道只提供几千瓦的电力,许可证、土木工程和鱼类保护等固定成本使得许多小型计划无法实现。 只有在压力无论如何都会被丢弃的情况下,管内水力才有意义。 * *

什么是

小型水电”涵盖了各种机器,通常按照大小分类:小型高达10兆瓦左右,微型低于1兆瓦或500千瓦(取决于国家 ) , 微型低于100千瓦和皮科低于5至10千瓦(小型水电; 微型水电 ) 。 几乎所有的都是 河流自流:低水坝不是蓄水池,而是通过涡轮机将河流的一部分转移并返回下游。

管道内或管道内水力 把涡轮机放在已经存在的水基础设施中:从蓄水池下坡的水管,在水到达家庭之前切断压力的阀门,灌溉渠道和处理工厂的排出口。 没有新的水坝和河流过境点，这就是为什么美国在2013年免除了5兆瓦以下管道项目的联邦许可证。

它是如何工作的

一个方程式。 水力涡轮机将下降的水的潜能转化为电力。 功率为P = ρ × g × Q × H × η,其中ρ是水的密度(每立方米1000公斤 ) 、 g是重力(9.81 m/s² ) 、 Q流量(立方米/秒 ) 、 H是水头或水落高度(米 ) 、 η是涡轮机、发电机和管道系统的效率。 简单地说： 每立方米一秒钟下降一米携带9.81千瓦. 大型涡轮机转换了90%以上的水力;小型涡轮机通常转换50%到85 % ( 微型水电 ) 。

头部和流量交易地点。 山间小溪流量微弱,水位下降100米,可以提供与低地河流相同的电力,但在1米堤坝上流量是低地河流的百倍。 涡轮机遵循现场:

• 高头,低流量 (几十到数百米 ) : Pelton和Turgo轮子,被水喷射击中。
• 中等高度:弗朗西斯和交叉流动涡轮机。
• 低水头,高流量 (1至10米 ) : Kaplan螺旋桨和阿基米德螺杆,转速慢,通过碎片,对鱼类更加温和。
• 管道:特殊的直线式涡轮机,或标准泵作为涡轮机向后运行,广泛使用的低成本选择。

压力是水头。 在管道中,高度显示为压力:一巴等于约10.2米的水头。 这是管内水力发电的关键。 城市的水管压力保持在几个酒吧;当主流从水库下坡时,家庭的压力会太高,所以需要一个 减压阀 把多余的热量和噪音排出。 一个涡轮机在那个阀位置回收它。 解释者的”水管阀门”例子,每秒0.3立方米,压力为3 bar,大约是60 kW,否则会浪费。

管道里没有免费的午餐。 涡轮机只能承受下游不需要的压力。 将涡轮机放在需要全部压力的管道中，只会从客户那里偷走压力，或者使泵更加努力工作，这样就要花费比涡轮机所产生的更多电力。 因此,良好的管道内站点是特定的:重力主线具有过剩压力、足够大的流量和稳定使用。 某开发商自己的现场标准是直径为 0.6 至 2.4 米的管道,流速为 0.9 至 3.7 m/s,并且至少有 5 psi (0.34 bar) 的过剩压力(Lucid Energy, 存档 ) 。

容量因子来自河流。 河流随着季节的变化而上下游,而一个计划必须在河里留足够的水供鱼类和其他一切生存。 小型河流水力发电厂通常的规模可以利用一年中大部分时间可用的水量;Settle 50 千瓦螺杆以 38% 的容量因数运行,并在干旱时期自动关闭,以保持水流通过其鱼道。

限制:理论和实践

物理学 能量只等于流量乘以滴。 一个花园流量为每秒10升,下降5米的水源提供约0.3千瓦电力,足以供应灯光和冰箱,但不足以供应家庭取暖。 一个典型的水主阀提供数十千瓦。 这是大多数小站点的诚实规模:千瓦,而不是兆瓦。

固定费用。 20千瓦的计划需要与500千瓦的计划几乎相同的调查、环境研究、许可证、鱼类保护、电网连接和法律工作。 这些成本并不随着规模的缩小而减少，因此最小的方案通常是每千瓦时最昂贵的。

环境 堤坝阻碍鱼类迁移,涡轮机会伤害鱼类。 即使有了鱼梯,Settle的社区操作员也报告说上游通过的鲑鱼数量减少,并怀疑螺杆产生噪音(Settle Hydro ) 。 许多国家不要求对小型计划进行全面的环境评估,这导致了一些地区电厂位置不当(小型水力 ) 。 一个好的项目在河里留下足够的水,让鱼往来,并且受到监测。

水安全。 饮用水主管线内的涡轮机接触到人们喝的水。 他们必须经过认证,与饮用水接触,绝不能让空气或污染物进入,并且必须是安全的故障,所以公用事业不会轻易地尝试其主线。

! [ 约克郡镇的一个小石头涡轮机房子,靠近一座积雪的河堤。 ] ( . . / . . / . . /assets/earth/hydro-settle-weir.jpg “Ribble河上的Settle Hydro:自2009年以来由社区拥有的旧工厂水坝上的50千瓦螺旋式发电机。 图片: RHaworth, CC BY-SA 2.0 ” ( 英文)

实际项目，计量

项目	哪里	类型和规模	衡量或报告的内容
关于我们	里布尔河,北约克郡,英格兰	磨坊水坝上的阿基米德螺杆,50 kW	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)
关于我们	英格兰新米尔斯	阿基米德螺杆,直径2.4 m,功率高达63 kW	The UK’s first community-owned hydro scheme, handed over in September 2008; £100,000 raised from 200 community members (Torrs Hydro)
波特兰水务局	美国俄勒冈州波特兰	直线涡轮机在大型重力供水管道内	该项目于2015年初安装在城市的水管中并开始发电(俄勒冈州能源部; Lucid Energy news, 存档于2015年 ) 。 我们没有找到关于其年度产量测量的公开记录,而到2022年,开发商的网域正在出售(存档页面 ) 。
北部灌溉区	美国俄勒冈州马德拉斯附近	灌溉运河上的水管(Natel Energy)	俄勒冈州能源部 (Oregon Department of Energy)列出的运营管道项目之一
美国管道豁免	美国	管道和运河	236管道项目已获得联邦监管机构的授权,到2013年(管道水电)
中国的小水电	中国农村	约45,000个小型工厂	到2010年,每年约160兆瓦时,其中大部分用于供电没有电网的村庄(小型水力发电)

这些项目的经验教训是一致的。 在已经有水头、流量和结构的地方,小型水电站可以运行数十年:工业革命时期的水坝再次发电。 无论涡轮机多么聪明,在资源稀少的地方产出也很小。 管内水电特别受到媒体的热烈关注，但几乎没有发表测量结果；物理学是正确的，但好地点很具体，市场仍然很小。

什么是它的成本

来源	什么是	价格
微型水电，典型安装成本	$1,000 to $每千瓦5,000美元(微型水力发电)
我们从这个范围内的计算	40%至60%的容量因数,20年7%实际,每年维护3%的投资(风扇墙法)	$0.02 to $每千瓦时0.18
Settle Hydro,我们的计算	410,000英镑，每年165兆瓦时，20至40年，实际利率为7%，维护费用为3%	每千瓦时约0.26至0.31英镑
我们的基准	建筑物屋顶太阳能,风扇墙模型;Lazard 2026商业和社区太阳能	每千瓦时0.19美元; $0.09 to $0.20
Lazard (June 2026)	新公用事业太阳能/陆上风力	每千瓦时$0.04 to $0.10/$0.04 to $0.10

范围很广,因为网站是。 一个现有输入的好高压站点可以以每千瓦时几分钱的价格发电，远低于屋顶太阳能，并且可以持续五十年。 根据我们的标准假设，像Settle这样具有全面鱼类保护的小型低头社区计划每千瓦时的成本要高于屋顶太阳能；这种计划通常是以寿命长、当地所有权、夜间和冬季产量以及支持费率为理由。 对于管内水力,问题更简单:今天阀门中是否有过剩压力被破坏? 如果是,那么回收它就值得了;如果不是,那么什么也没有回收。

哪里可以赢,哪里不能

它可以赢得:

• 现有的堤坝和磨坊站点,其中土木工程支付了一个或两个世纪前。
• 供水公用事业 重力主管、储水器出口和减压阀,每天每小时都能排除压力。
• 灌溉运河滴水,和污水处理厂的出口。
• 离网山村,在那里微型水力迷你电网可以以低于柴油的成本昼夜供电。
• 夜间和冬季电源在太阳能电池板做很少的地方。

它不能赢得:

• 在平坦的国家与小溪:没有头或流量是没有电力。
• 在需要其压力的管道中,涡轮机只会将能源账单从一个米到另一个。
• 在新的堤坝会伤害鱼类 河流,对他们来说很重要,除非这种损害可以避免和显示。
• 在电网上的皮克规模,固定成本使能源变得微不足道。

什么是证明,合理和推测

证明： 水电方程;涡轮机效率;小型水力发电计划运行数十年,运行成本低;阿基米德螺杆和传统涡轮机在旧堤坝上工作;社区所有权可以为小规模项目提供资金;管道项目在供水和灌溉系统中运作。

可信: 许多水利公用事业在阀门和蓄水池出口有足够的过剩压力,以便在每个站点提供有用的千瓦;标准泵作为涡轮机运行可以降低管道内方案的成本;新的鱼友好设计可以减少低头站点的损害。

投机性： 管内涡轮机在普通的配送管道没有过剩压力(能源必须来自某处 ) ; 在国家有很小的头大国家从微型水电贡献;非常便宜的”插入式”河流涡轮机,没有通常的土木工程和许可证。

开放式研究问题

• 绘制过剩压力图。 如今,水网在阀门中消耗多少能量,每个站点的消耗量有多大,而且这种消耗量在一天和一年中是否稳定?
• 控制 即使需求发生变化,涡轮机也能像它们所替换的阀门一样稳定地保持下游压力。
• 鱼类 . 哪些涡轮机设计和屏幕可以让鱼类双向通过,伤害低,测量,而不是假设?
• 成本 . 标准化的小型计划,定制土木工程较少,对于已经有堤坝的站点来说,许可证更简单。
• 热量以及电力。 河流和水管也是热泵的稳定热源;一个系统能够同时满足两种需求吗?

一个工作原型需要什么

一个小型水电项目是最容易测试的,因为水、管道和仪表都是日常生活中常见的东西。 下面的成本是我们的粗略估计。

阶段	工作	它证明了什么	粗成本	时间
1. 台式钻机	泵回路或上游水箱,带有测量的流量(流量计)和压力(前后表 ) , 涡轮通过记录功率计驱动负载组	对流量和水头的效率	$5k to $30k 开奖记录	1至3个月
2. 实际现场试验	1至20千瓦的单元,安装在溪流、农场管道或公用事业阀旁路上,在需要时提供水质保障,可进行季节性采伐	实际输出超过变化的流量、碎片、维护	$20k to $150千	6至12个月
3. 公用事业或社区试点	根据需要,允许的电网连接、鱼类监测或饮用水认证安装	年度可支付能源、许可证和费用	$100k to $1 million	1至2年

阶段1是学校或制造商空间的范围内。 它也正是场地所需要的证据:一个涡轮机,测量流量,测量下降和显示它产生的电力的仪表。

我们需要谁

• 水力和水电工程师 用于现场评估和涡轮机选择。
• 水务工程师 他们知道哪里的压力降低,以及网络在白天如何运作。
• 渔业生物学家 用于鱼类通道设计和监测。
• 電機工程師 适用于小型发电机、电网连接和岛式迷你电网。
• 土木工程师 的进水口,堤坝和屏幕。
• 社区能源组 和土地所有者与堤坝, 磨机或农场管道.
• 饮用水认证专家 为任何东西在一个可饮用的主.

还有更好的主意吗?

基金会的一些成员可能有可以听到投票的联系人。 要想被投掷,一个想法需要一个 一个工作的,真实的模型,它能够产生电力,其输出测量的仪器,没有声称:一个涡轮机上的测试台与流量计,压力表和记录功率计是值得任何图纸。 我们也欢迎您的论文想法:如果物理和数字是坚实的,我们可以在这里发布它们。 但没有一个工作模式,筹集资金是非常困难的,这里没有什么是融资、回报或介绍的承诺。

通过贡献表格发送您的想法,选择绿色倡议。 告诉我们它的工作流量和高度,您测量或预期的效率,每千瓦时的大致成本,以及可以证明它错误的最便宜的测试。 能源来源页面 将小型水电与其他十一个想法进行了比较。

来源

1. 水电,维基百科:世界电力和涡轮效率的份额。
2. 小型水电维基百科，根据工发组织的 2022年世界小水电发展报告.
3. 微型水力,维基百科:规模类别、效率和安装成本。
4. 水电管,维基百科。
5. 水电监管效率法案2013年,维基百科;文本在congress.gov。
6. 塞特尔水电 和 托尔斯水电,维基百科。
7. 俄勒冈州能源部. 俄勒冈州的水电项目,包括波特兰和北单位灌溉区的管道项目。
8. 清醒能量 Target projects (存档2021年)和lucidenergy.com (存档2022年 ) 。
9. 河流水电, 维基百科:季节性和环境影响.
10. Ofgem (2023). 典型的家庭消费值: 2700千瓦时电力,每年为一个中等用户。
11. Lazard (June 2026). 能源成本的平衡,版本19.
12. Local Solar System 基金会。 风扇墙:开放模式和基准,屋顶太阳能在$ 0.19每千瓦时。