Микро-гидро - Micro hydro - Wikipedia

Микрогидро на северо-западе Вьетнама

Микро-гидро это тип гидроэлектростанция который обычно производит от 5 кВт до 100 кВт электричество используя естественный поток воды. Установки мощностью ниже 5 кВт называются пико гидро.[1] Эти установки могут обеспечивать электроэнергией изолированный дом или небольшое сообщество, или иногда они подключены к электрическим сетям, особенно там, где чистый замер Существует множество таких установок по всему миру, особенно в развивающихся странах, поскольку они могут обеспечить экономичный источник энергии без покупки топлива.[2] Комплектация микрогидросистем солнечные фотоэлектрические системы потому что во многих регионах поток воды и, следовательно, доступная гидроэнергия максимальны зимой, когда солнечная энергия минимальна. Микрогидро часто достигается с помощью колесо пелтона для высокого напора, низкого расхода воды. Установка часто бывает небольшой запруженный бассейн, расположенный на вершине водопада, с несколькими сотнями футов трубы, ведущей к небольшому корпусу генератора. На участках с низким напором обычно используются водяные колеса и шурупы Архимеда.

Строительство

Типовая установка микрогидро.

Детали конструкции микрогидроустановки зависят от конкретного участка. Иногда имеется существующий пруд-мельница или другой искусственный резервуар, который можно приспособить для производства электроэнергии. Как правило, микрогидросистемы состоят из ряда компонентов.[3] Наиболее важные из них включают водозабор, в котором вода отводится из естественного ручья, реки или, возможно, водопада. Для защиты от плавающего мусора и рыбы требуется приемная конструкция, такая как ловушка, с использованием сетки или решетки для защиты от крупных объектов. В умеренном климате эта конструкция также должна противостоять льду. Приемник может иметь заслонку, позволяющую обезвоживать систему для осмотра и обслуживания.

Затем поступление осуществляется через канал, а затем через переднюю губу. Отверстие используется для удержания наносов. Внизу системы вода проходит по трубопроводу (затвор ) к зданию электростанции, содержащему турбина. Напорный водовод создает давление от воды, которая стекала вниз. В горных районах доступ к водопроводу может создавать значительные проблемы. Если источник воды и турбина находится далеко друг от друга, строительство напорного трубопровода может быть самой большой частью расходов на строительство. На турбине установлен регулирующий клапан для регулирования расхода и скорости турбины. Турбина преобразует поток и давление воды в механическую энергию; вода, выходящая из турбины, возвращается в естественный водоток по отводному каналу. Турбина вращается генератор, который затем подключается к электрические нагрузки; это может быть напрямую связано с энергосистемой одного здания в очень небольших установках или может быть подключено к коммунальной распределительной системе для нескольких домов или зданий.[3]

Обычно микрогидроустановки не имеют плотины и водохранилища, как большие гидроэлектростанции имеют, полагаясь на минимальный поток воды, доступный круглый год.

Напор и характеристики потока

Микрогидросистемы обычно устанавливаются в районах, способных производить до 100 киловатты электричества.[4] Этого может быть достаточно для питания дома или небольшого предприятия. Этот производственный диапазон рассчитывается по «напору» и «расходу». Чем выше каждый из них, тем больше мощности доступно. Гидравлическая головка - это измерение давления воды, падающей в трубу, выраженное как функция вертикального расстояния, на которое вода падает.[4] Это изменение высоты обычно измеряется в футах или метрах. Требуется падение с высоты не менее 2 футов, иначе система может оказаться невозможной.[5] При количественном определении напора необходимо учитывать как общий, так и чистый напор.[5] Полный напор приближает доступ к мощности только по измерению вертикального расстояния, тогда как чистый напор вычитает потерю давления из-за трения в трубопроводе из общего напора.[5] «Поток» - это фактическое количество воды, падающей с участка, и обычно измеряется в галлонах в минуту, кубических футах в секунду или литрах в секунду.[6] Установка с низким расходом / высоким напором на крутых склонах требует значительных затрат на трубопровод. Длинный напорный трубопровод начинается с трубы низкого давления наверху и трубы с постепенным увеличением давления ближе к турбине, чтобы снизить затраты на трубы.

Доступная мощность в киловаттах от такой системы может быть рассчитана по уравнению P = Q * H / k, где Q - расход в галлонах в минуту, H - статический напор, а k - постоянная величина, равная 5310 галлонов. * фут / мин * кВт.[7] Например, для системы с расходом 500 галлонов в минуту и ​​статическим напором 60 футов теоретическая максимальная выходная мощность составляет 5,65 кВт. Система не имеет 100% КПД (от получения всего 5,65 кВт) из-за реальных условий, таких как: КПД турбины, трение в трубе и преобразование потенциальной энергии в кинетическую. КПД турбины обычно составляет 50-80%, трение в трубе учитывается с помощью Уравнение Хазена – Вильямса.[8]

Регулирование и работа

Обычно автоматический контроллер управляет впускным клапаном турбины для поддержания постоянной скорости (и частоты) при изменении нагрузки на генератор. В системе, подключенной к сети с несколькими источниками, управление турбиной гарантирует, что мощность всегда перетекает от генератора в систему. Частота переменный ток сформированные потребности в соответствии с местным стандартом частота сети. В некоторых системах, если полезная нагрузка на генератор недостаточно высока, банк нагрузки может автоматически подключаться к генератору для рассеивания энергии, не требуемой нагрузкой; хотя при этом расходуется энергия, это может потребоваться, если невозможно контролировать поток воды через турбину.

An индукционный генератор всегда работает на сетевой частоте независимо от скорости ее вращения; все, что необходимо, - это убедиться, что он приводится в движение турбиной быстрее, чем синхронная скорость, чтобы он генерировал мощность, а не потреблял ее. Другие типы генераторов могут использовать системы контроля скорости для согласования частоты.

При наличии современной силовой электроники часто бывает проще управлять генератором на произвольной частоте и подавать его выход через инвертор который производит вывод на частоте сети. Силовая электроника теперь позволяет использовать генераторы с постоянными магнитами, которые производят дикий переменный ток, для стабилизации. Такой подход позволяет низкоскоростным / малонапорным водяным турбинам быть конкурентоспособными; они могут работать с максимальной скоростью для извлечения энергии, а частота сети регулируется электроникой, а не генератором.

Очень маленькие установки (пико гидро ) мощностью несколько киловатт или меньше могут генерировать постоянный ток и заряжать батареи в периоды пиковой нагрузки.[нужна цитата ]

Типы турбин

Несколько видов водяные турбины могут использоваться в микрогидроустановках, выбор зависит от напора воды, объема потока и таких факторов, как доступность местного обслуживания и транспортировка оборудования на площадку. Для холмистых регионов, где может быть водопад высотой 50 метров и более, Колесо Пелтона может быть использован. Для установок с низким напором, Фрэнсис или же винтовой турбины используются. В установках с очень низким напором, всего несколько метров, можно использовать винтовые турбины в яме или водяные колеса и винты Архимеда. В малых микрогидроустановках могут успешно применяться промышленные центробежные насосы, работающие в обратном направлении в качестве первичных двигателей; хотя эффективность может быть не такой высокой, как у специализированного бегуна, относительно низкая стоимость делает проекты экономически целесообразными.

В установках с низким напором затраты на обслуживание и механизмы могут быть относительно высокими. Система с низким напором перемещает большее количество воды и с большей вероятностью столкнется с мусором на поверхности. По этой причине Банки турбина также называемый Турбина Оссбергера Самоочищающееся поперечное водяное колесо под давлением часто является предпочтительным для микрогидравлических систем с низким напором. Хотя он менее эффективен, его более простая конструкция менее дорога, чем другие турбины с низким напором такой же мощности. Поскольку вода поступает внутрь, а затем выходит из нее, она очищается сама и менее подвержена забиванию мусором.

  • Винтовая турбина (Обратный винт Архимеда): две схемы с низкой головкой в ​​Англии, Settle Hydro и Торрс Гидро используйте винт Архимеда, который является еще одной устойчивой к мусору конструкцией. КПД 85%.
  • Горлова: свободный поток винтовой турбины Горлова или ограниченный поток с плотиной или без нее,[9]
  • Фрэнсис и винтовые турбины.[10]
  • Турбина каплана : Турбина пропеллерного типа с высоким расходом, низким напором. Альтернативой традиционной турбине Каплана является медленно вращающаяся, с постоянным магнитом, наклонная турбина VLH с открытым потоком большого диаметра с КПД 90%.[11]
  • Водяное колесо : усовершенствованные гидравлические водяные колеса и гидравлическая реактивная турбина с колесной частью могут иметь гидравлический КПД 67% и 85% соответственно. Максимальный КПД водяного колеса при перебеге (гидравлический КПД) составляет 85%.[12][13] Гидравлические колеса Undershot могут работать с очень низким напором, но также имеют КПД ниже 30%.[14]
  • Гравитационная водовихревая электростанция : часть речного потока у водослива или естественного водопада отводится в круглый бассейн с центральным выходом на дно, который создает вихрь. Простой ротор (и подключенный генератор) приводится в движение кинетической энергией. КПД от 83% до 64% ​​при 1/3 части потока.[нужна цитата ]

Использовать

Системы микрогидро очень гибки и могут быть развернуты в различных средах. Они зависят от того, какой поток воды имеет источник (ручей, река, ручей) и скорость потока воды. Энергия может храниться в аккумуляторных батареях на объектах, удаленных от объекта, или использоваться в дополнение к системе, которая напрямую подключена, чтобы в периоды высокого спроса была доступна дополнительная резервная энергия. Эти системы могут быть спроектированы так, чтобы минимизировать воздействие на население и окружающую среду, регулярно вызываемое большими плотинами или другими объектами массового производства гидроэлектростанций.[15]

Потенциал для развития села

В связи с сельское развитие простота и низкая относительная стоимость микрогидравлических систем открывают новые возможности для некоторых изолированных сообществ, нуждающихся в электроэнергии. Имея лишь небольшой поток, удаленные районы могут получить доступ к освещению и коммуникациям для домов, медицинских клиник, школ и других объектов.[16] Microhydro может даже использовать оборудование определенного уровня для поддержки малого бизнеса. Районы вдоль Анды горы, Шри-Ланка и Китай уже имеют аналогичные активные программы.[16] Одним из, казалось бы, неожиданных способов использования таких систем в некоторых областях является удержание молодых членов сообщества от переезда в более городские районы с целью стимулирования экономического роста.[16] Кроме того, по мере роста возможности финансовых стимулов для менее углеродоемких процессов будущее микрогидросистем может стать более привлекательным.

Микрогидроустановки также могут использоваться в различных целях. Например, проекты микрогидроэнергетики в сельских районах Азии включали в разработку проекта предприятия по переработке сельскохозяйственной продукции, такие как рисовые мельницы, наряду со стандартной электрификацией.

Расходы

Стоимость микрогидроэлектростанции может составлять от 1000 до 5000 долларов США за установленный кВт.[нужна цитата ]

Преимущества и недостатки

Преимущества

Микрогидроэнергия вырабатывается посредством процесса, в котором используется естественный поток воды.[17] Эта мощность чаще всего преобразуется в электричество. Без прямого выбросы в результате этого процесса преобразования вредное воздействие на окружающую среду практически отсутствует, если оно хорошо спланировано, таким образом обеспечивается питание от возобновляемый источник и в стабильный манера. Microhydro считается "русло "система означает, что вода, отведенная из ручья или реки, перенаправляется обратно в тот же водоток.[18] К потенциальным экономическим преимуществам микрогидроэнергетики добавляются эффективность, надежность и рентабельность.[18]

Недостатки

Микрогидросистемы ограничены в основном характеристиками участка. Наиболее прямое ограничение связано с небольшими источниками с незначительным расходом. Аналогичным образом, в некоторых районах сток может колебаться в зависимости от сезона.[18] И наконец, хотя, возможно, самым главным недостатком является расстояние от источника питания до объекта, нуждающегося в энергии.[18] Эта проблема распределения, а также другие, являются ключевыми при рассмотрении использования микрогидросистемы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ: СЕРИЯ АНАЛИЗА СТОИМОСТИ (PDF) (Отчет). Международное агентство по возобновляемой энергии. Июнь 2012. с. 11. Получено 14 января 2017.
  2. ^ «Micro Hydro в борьбе с бедностью». tve.org. TVE / ITDG. Ноябрь 2004 г. Архивировано с оригинал 30 июля 2007 г.. Получено 14 января 2017.
  3. ^ а б «Как работает микрогидро система». Министерство энергетики США. Получено 28 ноября 2010.
  4. ^ а б «Микрогидроэнергетические системы». Министерство энергетики США. Получено 28 ноября 2010.
  5. ^ а б c «Микро-гидроэлектрические системы». Орегон DOE. Архивировано из оригинал 29 ноября 2010 г.. Получено 1 декабря 2010.
  6. ^ «Определение потенциального стока микрогидроэнергетики». Министерство энергетики США. Получено 28 ноября 2010.
  7. ^ «Подготовка земли для гидроэнергетики - возобновляемые источники энергии». motherearthnews.com. Новости Матери-Земли. Февраль 1986 г.. Получено 14 января 2017.
  8. ^ Питт, Роберт; Кларк, Ширли (без даты). «Модуль 3e: Сравнение уравнений потока в трубах и потерь напора в фитингах» (PDF). eng.ua.edu. Инженерный колледж Университета Алабамы. Получено 14 января 2017.
  9. ^ Горлов А.М., Разработка винтовой реактивной гидравлической турбины.. Окончательный технический отчет, Министерство энергетики США, август 1998 г., Министерство энергетики (DOE) Информационный мост: Научно-техническая информация Министерства энергетики.
  10. ^ Награды Эшдена. «Микро-гидро». Архивировано из оригинал 26 апреля 2009 г.. Получено 29 июн 2009.
  11. ^ «Гидровидение 2015». vlh-turbine.com. MJ2 Technologies. нет данных Архивировано из оригинал 16 января 2017 г.. Получено 14 января 2017.
  12. ^ Каранта и Ревелли (2015). «Оценка выходной мощности и потерь мощности при перерегулировании водяного колеса». Возобновляемая энергия. 83: 979–987. Дои:10.1016 / j.renene.2015.05.018.
  13. ^ Каранта и Мюллер (2017). «Гидравлические колеса Sagebien и Zuppinger для гидроэнергетики с очень низким напором». Гидравлические исследования.
  14. ^ «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) 26 декабря 2017 г.. Получено 25 декабря 2017.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  15. ^ «Микрогидро». Научно-исследовательский институт устойчивой энергетики. Получено 9 декабря 2010.
  16. ^ а б c «Микро-гидро». Премия Ashden Awards за устойчивую энергетику. Архивировано из оригинал 1 ноября 2010 г.. Получено 20 ноября 2010.
  17. ^ «Микрогидроэнергетика» (PDF). Министерство энергетики США. Получено 20 ноября 2010.
  18. ^ а б c d «Микро гидроэнергетика - плюсы и минусы». Сеть новостей альтернативной энергетики. Получено 24 ноября 2010.

внешняя ссылка