Кіріспе

Судың табиғи ағынын пайдалана отырып, 5-тен 100 кВт-қа дейін электр қуатын өндіретін гидроэлектр энергиясы. 5 кВт-тан төмен қуатты қондырғылар пикогидро деп аталады. Мұндай қондырғылар жеке үйді немесе шағын елді мекенді қуатпен қамтамасыз ете алады, немесе кейде электр желілеріне қосылады, әсіресе егер таза есептеу жүйесі қолжетімді болса. Әлемде, әсіресе дамып келе жатқан елдерде осындай қондырғылар көптеп кездеседі, себебі олар отын сатып алмастан энергияның үнемді көзін ұсынуға мүмкіндік береді. Микрогидрожүйелер күн электр станцияларын толықтырады, өйткені көптеген аймақтарда су ағыны, демек қолжетімді гидроэнергия, күн энергиясы ең төмен болатын қыс мезгілінде ең жоғары болады. Микрогидроэнергияны көбінесе жоғары қысымды, азын ағынды сумен жабдықтау үшін Пелтон дөңгелегі арқылы іске асырады. Қондырғы көбінесе шарлауықтың үстінде орналасқан, бірнеше жүз метрлік құбыр арқылы шағын генератор корпусына жалғанатын шағын бөгеттелген су қоймасы болып табылады. Төмен қысымды жерлерде әдетте су доңғалақтары мен Архимед бұрандалары қолданылады.

Құрылыс

Микрогидроэлектростанцияның құрылыс ерекшеліктері нақты жерге байланысты. Кейде зауыттың тоғаны немесе басқа да жасанды су қоймасы болады, оны электр энергиясын өндіру үшін бейімдеуге болады. Жалпы алғанда, микрогидрожүйелер бірнеше компоненттерден тұрады. Ең маңыздысы – суды табиғи ағыннан, өзеннен немесе сарқырамадан басқа бағытқа бұратын су тарту құрылысы. Судағы қалдықтар мен балықтарды тоқтату үшін үлкен заттарды ұстап алатын, сым торы немесе тіреулерден тұратын су қабылдағыш құрылым қажет. Орташа климатта бұл құрылым мұзға да төзімді болуы керек. Су тарту құрылысында тексеру және күтім жұмыстарын жүргізу үшін суды тоқтатуға мүмкіндік беретін шлюз болуы мүмкін. Содан кейін су канал арқылы алдыңғы резервуарға жеткізіледі. Алдыңғы резервуар шөгіндіні жинау үшін қолданылады. Жүйенің төменгі жағында су құбыр (қақпақ құбыры) арқылы турбинасы бар электр стансасының ғимаратына жеткізіледі. Қақпақ құбырындағы судың төмен қарай қозғалысы қысымды арттырады. Таулы аймақтарда қақпақ құбырының бойына қол жеткізу қиындықтар тудыруы мүмкін. Егер су көзі мен турбина арасы алыс болса, қақпақ құбырын салу құрылыс бағасының ең үлкен бөлігін құрауы мүмкін. Турбинада турбинаның ағыны мен жылдамдығын реттеу үшін басқару клапаны орнатылады. Турбина судың ағыны мен қысымын механикалық энергияға айналдырады, ал турбинадан шыққан су табиғи су арнасына құйрық арнасы арқылы қайта оралады. Турбина генераторды айналдырады, ол электр жүктемелеріне қосылады; бұл өте кішкентай қондырғыларда бір ғимараттың электр жүйесіне тікелей қосылуы мүмкін немесе бірнеше үйлер немесе ғимараттар үшін орталық тарату жүйесіне қосылуы мүмкін. Бұл үйді немесе шағын кәсіпорынды қуаттандыруға жеткілікті. Бұл өндіріс диапазоны "бас" және "ағын" шамалары арқылы есептеледі. Олардың әрқайсысы неғұрлым жоғары болса, соғұрлым көп қуатқа ие болуға болады. Гидравликалық бас – судың құбырда төмен түсуінен туындайтын қысымды, судың тік қашықтыққа түсуінің функциясы ретінде өлшеу. Басты өлшегенде жалпы және пайдалы бас ескерілуі керек. Жылдам ағынмен және жоғары баспен жабдықталған қондырғылар тік беткейлі жерлерде құбырларға көп шығын тудырады. Ұзын қақпақ құбыры жоғарыда төмен қысымды құбырдан басталып, турбинаға жақындаған сайын қысымды арттырады, осылайша құбырлардың құны төмендейді. Мұндай жүйеден киловатттармен есептелетін қуатты P=Q*H/k формуласымен есептеуге болады, мұнда Q – минут сайынғы ағын мөлшері (галлон), H – статикалық бас, ал k – 5310 галлон*фут/мин*кВт тұрақтысы. Мысалы, ағыны минутына 500 галлон және статикалық басы 60 фут болатын жүйе үшін теориялық ең жоғары қуат 5,65 кВт құрайды. Жүйенің 100% тиімділікке жетуіне (барлық 5,65 кВт қуатты алуға) турбинаның тиімділігі, құбырдағы кедергі және потенциалдық энергияның кинетикалық энергияға айналуы сияқты факторлар кедергі келтіреді. Турбинаның тиімділігі әдетте 50-80% аралығында болады, ал құбырдағы кедергі Хазен-Уильямс формуласы арқылы есептеледі.

Регламенттеу және жұмыс істеу

Әдетте, автоматты басқарушы турбинаның кіріс клапанын генератордың жүктемесі өзгерген кезде тұрақты жылдамдықты (және жиілікті) сақтау үшін іске қосады. Бірнеше көзден тұратын желіге қосылған жүйеде турбинаны басқару генератордан жүйеге қуаттың әрдайым ағылуын қамтамасыз етеді. Көкейкес тоқтың жиілігі жергілікті стандартты пайдалы жиілікке сәйкес болуы керек. Кейбір жүйелерде, егер генератордың пайдалы жүктемесі жеткілікті жоғары болмаса, генераторға жүктеме банкі автоматты түрде қосылып, жүктемеге қажет емес энергияны таратуы мүмкін; бұл энергияны ысыраптаумен байланысты болса да, турбина арқылы су ағынын басқару мүмкін болмаған жағдайда қажет болуы мүмкін. Индукциялық генератор айналу жылдамдығына қарамастан, әрқашан желілік жиілікте жұмыс істейді; оны синхрондық жылдамдықтан жоғары жылдамдықпен турбинамен қозғалту қажет, сонда ғана ол энергияны тұтынудың орнына өндіреді. Басқа генератор түрлері жиілікті сәйкестендіру үшін жылдамдықты басқару жүйесін пайдалана алады. Қазіргі заманғы қуат электроникасының болуы генераторды кез келген жиілікте жұмыс істетуді және оның шығысын желілік жиілікте шығаратын инвертор арқылы беруді жеңілдетеді. Қуат электроникасы тұрақты магнитті генераторларды пайдалануға мүмкіндік береді, олар өзгермелі токты (AC) тұрақтандырады. Бұл тәсіл төмен жылдамдықты / төмен бас су турбиналарын бәсекеге қабілетті етеді; олар энергияны алу үшін ең жақсы жылдамдықпен жұмыс істей алады, ал қуат жиілігі генератордың орнына электроникамен басқарылады. Өте кішкентай қондырғылар (пикогидро), бірнеше киловатт немесе одан да кішкентай, тұрақты токты (DC) өндіріп, пик сағаттарда пайдалану үшін батареяларды зарядтауы мүмкін.

Қолдану

Микрогидро жүйелері өте икемді және түрлі ортада орнатылуы мүмкін. Олар су көзінің (арна, өзен, ағын) мөлшеріне және су ағысының жылдамдығына байланысты. Энергияны электр станциядан алыс жерлердегі аккумуляторларға сақтауға болады немесе тікелей қосылған жүйеге қосымша қолданылуы мүмкін, осылайша жоғары сұраныс кезінде қосымша резервтік энергия қолжетімді болады. Бұл жүйелер үлкен тоғандар немесе басқа да ірі гидроэлектр станцияларынан туындайтын қоғамдық және қоршаған ортаға зиянды әсерді азайту үшін жобаланып жасалуы мүмкін.

Ауылдық дамудың әлеуеті

Ауылдық дамуға қатысты айтатын болсақ, микрогидрожүйелердің қарапайымдылығы және салыстырмалы түрде төмен құны электр энергиясына зәру кейбір шалғай орналасқан елді мекендерге жаңа мүмкіндіктер ашады. Тек шағын арнаның болуы жеткілікті, ал алыс аудандарда үйлер, медициналық пункттер, мектептер және басқа да объектілер үшін жарық пен байланыс қамтамасыз етіледі. Микрогидро тіпті шағын бизнесті қолдау үшін қажетті деңгейдегі жабдықты да іске қоса алады. Анд тауларының бойындағы, Шри-Ланка мен Қытайдағы аймақтарда мұндай бағдарламалардың табысты жүзеге асырылған мысалдары бар. Бұл энергия көбінесе электр тогына айналдырылады. Аталған түрлендіру процесінде тікелей зиянды шығарындылар болмайтындықтан, дұрыс жоспарланған жағдайда, қоршаған ортаға зиянды әсері минималды болады, соның арқасында энергия жаңаруға жататын көзден тұрақты түрде алынады. Микрогидро – "өзен арнасы" жүйесіне жатады, яғни арнадан немесе өзеннен алынған су сол су айдынына қайта бағытталады. Микрогидроның экономикалық әлеуетін арттыратын тиімділік, сенімділік және экономикалық пайдалылығы да бар.

Кемшіліктер

Микрогидро жүйелер негізінен орналасқан жердің ерекшеліктерімен шектеледі. Ең тікелей шектеу – өте аз су ағыны бар шағын көздер. Сонымен қатар, кейбір аймақтарда су ағыны маусым бойынша өзгеруі мүмкін. Соңғы және бәлкім ең маңызды кемшілік – энергияны қажет ететін жерге дейінгі, энергия көзінен алыс қашықтық. Осы тарату мәселесі, сондай-ақ басқа да факторлар микрогидро жүйесін пайдалануды қарастырғанда ескерілуі керек.