Малая гидроэнергетика: от 5 до 100 кВт

Введение

Гидроэлектрогенерация мощностью от 5 до 100 кВт

Микрогидроэнергетика – это вид гидроэлектроэнергии, который обычно производит от 5 кВт до 100 кВт электроэнергии, используя естественный поток воды. Установки мощностью менее 5 кВт называются пикогидро. Эти установки могут обеспечивать электроэнергией изолированный дом или небольшое сообщество, или иногда подключаются к электрическим сетям, особенно в регионах, где действует система нетто-учета электроэнергии. По всему миру существует множество таких установок, особенно в развивающихся странах, поскольку они могут предоставить экономичный источник энергии без необходимости закупки топлива. Микрогидросистемы хорошо сочетаются с солнечными фотоэлектрическими системами, так как во многих районах водоток, а следовательно и доступная гидроэнергия, максимальны зимой, когда солнечная энергия минимальна. Для водоснабжения с высоким напором и низким расходом часто используется колесо Пелтона. Установка часто представляет собой небольшой плотинный бассейн в верхней части водопада, с несколькими сотнями футов трубопровода, ведущего к небольшому зданию генератора. В местах с низким напором обычно используются водяные колеса и винты Архимеда.

Строительство

Детали строительства микрогидроэлектростанции зависят от конкретных условий площадки. Иногда в наличии есть существующий пруд или другой искусственный водоем, который можно адаптировать для выработки электроэнергии. В общем случае, микрогидросистемы состоят из ряда компонентов. Наиболее важными являются водозабор, где вода отводится от естественного ручья, реки или, возможно, водопада. Для очистки воды от плавучего мусора и рыбы требуется водозаборное сооружение, например, отводящий канал, с использованием решетки или системы перегородок для удержания крупных предметов. В умеренном климате эта конструкция также должна быть устойчива к образованию льда. Водозабор может быть оборудован затвором для осушения системы с целью проведения осмотра и технического обслуживания. Далее вода поступает по каналу и затем в предбассейн. Предбассейн используется для осаждения взвешенных частиц. В нижней части системы вода подается по трубопроводу (напорному трубопроводу) в здание электростанции, где установлена турбина. В напорном трубопроводе создается давление за счет воды, движущейся вниз по течению. В гористой местности доступ к трассе напорного трубопровода может представлять значительные трудности. Если источник воды и турбина находятся на большом расстоянии друг от друга, строительство напорного трубопровода может составлять основную часть затрат на строительство. На турбине устанавливается регулирующий клапан для управления потоком и скоростью вращения турбины. Турбина преобразует поток и давление воды в механическую энергию; вода, выходящая из турбины, возвращается в естественный водоток по отводящему каналу. Турбина приводит в действие генератор, который затем подключается к электрическим нагрузкам; в очень небольших установках это может быть прямое подключение к электросети одного здания, либо подключение к распределительной сети для нескольких домов или зданий. Этой мощности может быть достаточно для питания дома или небольшого предприятия. Производительность системы рассчитывается на основе "напора" и "расхода". Чем выше эти показатели, тем больше доступной мощности. Гидравлический напор – это измерение давления воды, падающей в трубе, выраженное в зависимости от вертикального расстояния падения воды. При определении напора необходимо учитывать как валовый, так и чистый напор. Установки с низким расходом и высоким напором в гористой местности требуют значительных затрат на трубопровод. Длинный напорный трубопровод начинается с трубы низкого давления в верхней части и постепенно переходит к трубе более высокого давления ближе к турбине, чтобы снизить стоимость трубопровода. Доступная мощность в киловаттах от такой системы может быть рассчитана по формуле P = Q * H / k, где Q – расход в галлонах в минуту, H – статический напор, а k – константа, равная 5310 гал*фут/мин*кВт. Например, для системы с расходом 500 галлонов в минуту и статическим напором 60 футов теоретическая максимальная выходная мощность составляет 5,65 кВт. Реальные условия, такие как эффективность турбины, трение в трубе и преобразование потенциальной энергии в кинетическую, не позволяют системе достичь 100% эффективности (получить все 5,65 кВт). Эффективность турбины обычно составляет от 50 до 80%, а трение в трубе учитывается с использованием уравнения Хазена-Уильямса.

Construction details of a microhydro plant are site specific. Sometimes an existing mill pond or other artificial reservoir is available and can be adapted for power production. In general, microhydro systems are made up of a number of components. The most important include the intake where water is diverted from the natural stream, river, or perhaps a waterfall. An intake structure such as a catch box is required to screen out floating debris and fish, using a screen or array of bars to keep out large objects. In temperate climates, this structure must resist ice as well. The intake may have a gate to allow the system to be dewatered for inspection and maintenance. The intake is then brought through a canal and then forebay. The forebay is used for sediment holding. At the bottom of the system the water is tunneled through a pipeline (penstock) to the powerhouse building containing a turbine. The penstock builds up pressure from the water that has traveled downwards. In mountainous areas, access to the route of the penstock may provide considerable challenges. If the water source and turbine are far apart, the construction of the penstock may be the largest part of the costs of construction. At the turbine, a controlling valve is installed to regulate the flow and the speed of the turbine. The turbine converts the flow and pressure of the water to mechanical energy; the water emerging from the turbine returns to the natural watercourse along a tailrace channel. The turbine turns a generator, which is then connected to electrical loads; this might be directly connected to the power system of a single building in very small installations, or may be connected to a community distribution system for several homes or buildings. This can be enough to power a home or small business facility. This production range is calculated in terms of "head" and "flow". The higher each of these are, the more power available. Hydraulic head is the pressure measurement of water falling in a pipe expressed as a function of the vertical distance the water falls. When quantifying head, both gross and net head must be considered. Low flow/high head installations in steep terrain have significant pipe costs. A long penstock starts with low pressure pipe at the top and progressively higher pressure pipe closer to the turbine in order to reduce pipe costs. The available power, in kilowatts, from such a system can be calculated by the equation P=Q*H/k, where Q is the flow rate in gallons per minute, H is the static head, and k is a constant of 5,310 gal*ft/min*kW. For instance, for a system with a flow of 500 gallons per minute and a static head of 60 feet, the theoretical maximum power output is 5.65 kW. The system is prevented from 100% efficiency (from obtaining all 5.65 kW) due to the real world, such as: turbine efficiency, friction in pipe, and conversion from potential to kinetic energy. Turbine efficiency is generally between 50 80%, and pipe friction is accounted for using the Hazen–Williams equation.

Регулирование и функционирование

Как правило, 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 питания, управление турбиной обеспечивает постоянный отток мощности от генератора в сеть. Частота генерируемого переменного тока должна соответствовать местной стандартной частоте сети. В некоторых системах, если полезная нагрузка на генератор недостаточно велика, может быть автоматически подключен нагрузочный банк для рассеивания избыточной энергии; хотя это и приводит к потерям энергии, это может быть необходимо, если невозможно регулировать поток воды через турбину. Индукционный генератор всегда работает на частоте сети, независимо от скорости его вращения; необходимо лишь обеспечить, чтобы турбина приводила его во вращение быстрее синхронной скорости, чтобы он генерировал, а не потреблял энергию. Другие типы генераторов могут использовать системы управления скоростью для синхронизации частоты. Благодаря современной силовой электронике часто проще управлять генератором на произвольной частоте и преобразовывать его выходную мощность в частоту сети с помощью инвертора. Современная силовая электроника позволяет стабилизировать выходные данные генераторов на постоянных магнитах, выдающих несинхронный переменный ток. Такой подход делает конкурентоспособными низкоскоростные/малонапорные гидротурбины, позволяя им работать на оптимальной скорости для извлечения энергии, а регулировку частоты осуществляет электроника, а не генератор. Очень небольшие установки (микро-ГЭС) мощностью несколько киловатт или меньше могут генерировать постоянный ток и заряжать аккумуляторы для использования в периоды пиковой нагрузки.

Использование

Микрогидросистемы очень гибкие и могут быть развернуты в различных условиях. Их работа зависит от объема водного потока (ручья, реки, потока) и скорости течения воды. Энергию можно накапливать в аккумуляторных батареях на объектах, расположенных вдали от потребителя, или использовать в дополнение к системе, подключенной напрямую, чтобы в периоды пикового спроса был доступен дополнительный резерв энергии. Эти системы могут быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать негативное воздействие на общество и окружающую среду, которое обычно связано с крупными плотинами и другими масштабными гидроэлектростанциями.

Потенциал развития сельских районов

В контексте развития сельских территорий, простота и относительно невысокая стоимость микрогидросистем открывают новые возможности для некоторых изолированных общин, нуждающихся в электроснабжении. Для обеспечения освещения и связи в домах, медицинских учреждениях, школах и других объектах достаточно небольшого потока воды, что делает возможным доступ к электроэнергии в отдаленных районах. Микрогидроэнергетика может даже обеспечивать работу определенного оборудования, поддерживающего малый бизнес. Подобные программы уже успешно реализуются в регионах вдоль Анд, на Шри-Ланке и в Китае. Эта энергия чаще всего преобразуется в электричество. Поскольку в процессе преобразования отсутствуют прямые выбросы, при грамотном планировании воздействие на окружающую среду минимально, что обеспечивает получение энергии из возобновляемого источника устойчивым способом. Микрогидроэнергетика относится к системам "с естественным течением", то есть вода, забираемая из ручья или реки, возвращается в тот же водоток. Эффективность, надежность и экономическая целесообразность дополняют потенциальные экономические преимущества микрогидроэнергетики.

Недостатки

Микрогидросистемы в основном ограничены характеристиками местности. Наиболее существенное ограничение связано с небольшими источниками и их крайне малым расходом воды. Кроме того, в некоторых регионах расход может значительно меняться в зависимости от сезона. И, наконец, пожалуй, самым важным недостатком является расстояние от источника энергии до точки потребления. Этот вопрос распределения, наряду с другими факторами, имеет решающее значение при рассмотрении возможности использования микрогидросистемы.