Co je mikrovodní energie?

Zvážíme možnosti výroby energie pomocí malých vodních elektráren a mikrovodních elektráren (MVE). V ruské praxi se mikrovodními elektrárnami rozumí stanice s výkonem do 100 kW a malé – s celkovým instalovaným výkonem do 30 MW s výkonem jednoho hydraulického agregátu do 10 MW a oběžným kolem hydraulické turbíny průměr do 3 m.

 Tradiční vodní energie v Rusku…………………………………3
 Výhody a nevýhody MGE…………………………. 4
 Hydropotenciál Ruska a jeho využití………………………. 5
 Místo malé vodní elektrárny mezi ostatními V.I.Z. 7
 Možnosti obnovy zničených MVE………………. 8
 Vyhlídky na MVE………………………………………………………………..10
 MVE……………………………………………………………………………………………….13
 Reference …………………………………………………………………. 19

Přiložené soubory: 1 soubor

abstrakt na nivea.docx

NÁKLADY NA ELEKTRICKOU ENERGII VYROBENOU V MALÝCH VODNÍCH ELEKTRÁRNÁCH

Podle Světové banky se primární kapitálové investice do výstavby malých vodních elektráren pohybují od 1800 do 8800 USD na 1 kW instalovaného výkonu (pro vodní výšku od 2,3 m do 13,5 m) a od 1000 3000 do 1 27 USD za 350 kW (pro dopravní výšky od XNUMX m do XNUMX m). Náklady na údržbu vodních elektráren jsou přitom nízké.

Kapitálové náklady zahrnují:

Výstavba přehrady, kanálu, nádraží.

Zařízení na výrobu elektřiny (turbína, generátor, transformátor, elektrické vedení).

Ostatní (vývoj, náklady na pozemek, uvedení do provozu).

Zařízení používaná v aplikacích s nízkým tlakem vody a nízkou výrobou energie jsou obvykle drahá a představují 40 až 50 % celkových investic. Vzhledem k tomu, že mluvíme o nákladech na inženýrské stavby, není možné uvést přesná čísla týkající se nákladů na každý projekt. Přehrady, kanály a vtoky budou představovat různá procenta celkových kapitálových investic pro různé projekty. Hodně záleží na topografii a geologii a také na použité stavební technologii a použitých materiálech. Například celkové náklady na nové malé vodní elektrárny v Německu byly 5-9 eur na 1 W instalovaného výkonu. Náklady spojené přímo s výstavbou vodních elektráren činily 35 % z této částky a náklady na zařízení pro výrobu elektřiny 50 %. V různých zemích jsou náklady na turbínu samozřejmě různé: například 8 kW turbína (typ Bank s regulací) v ČR stojí 3500 0,45 eur nebo 1 eur za XNUMX W.

Vysoké kapitálové náklady jsou největší překážkou pro velký rozvoj malých vodních elektráren. I přes tuto skutečnost a dlouhou dobu návratnosti (7-10 let v některých zemích, např. Slovensko) jsou však malé vodní elektrárny rentabilní díky dlouhé životnosti (více než 70 let) a nízkým nákladům na údržbu. Náklady na údržbu a opravy, nezahrnující výměnu drahého zařízení, obvykle činí přibližně 3 až 4 % kapitálové investice do malých vodních elektráren a mikroelektráren.

PODMÍNKY, KTERÉ JSOU POTŘEBNÉ PRO VÝVOJ MALÉ VODNÍ ENERGIE:

decentralizovaná spotřeba energie v malém měřítku; malý průmysl, jednotlivé farmy a podniky, venkovské obyvatelstvo;

distribuční síť nízkého napětí a samozřejmě v rámci regionální mikrosítě;

individuální, družstevní nebo komunitní vlastnictví; částečně kvalifikovaná práce a kooperativní administrativa;

průměrné plánovací období, využití místních materiálů a pracovních zdrojů. Malá vodní energie může v závislosti na svém potenciálu výrazně zlepšit životní úroveň obyvatel venkova;

vzhledem k vysoké míře adaptability na rychle se měnící zatížení v síti je malá vodní energie preferovaným prvkem jakéhokoli integrovaného energetického systému,

Životnost malých vodních elektráren je poměrně dlouhá, některé stanice pracují i ​​více než 70 let. Moderní malé vodní elektrárny mohou mít ještě delší životnost. Mohou tak poskytovat elektřinu po několik generací, aniž by poškozovaly životní prostředí;

Je prokázáno, že investice do malých vodních elektráren nepodléhají rizikům, jsou spolehlivé několik desítek let

Přečerpávací elektrárna využívající energii mořských vln

Neobvyklé zařízení s názvem Searaser a projekt s názvem Dartmouth Wave Energy (anglický vynálezce Alvin Smith) připomíná vlnovou elektrárnu, která využívá energii vertikálního pohybu plováku, samotný plovák však nemá elektrické systémy a je mechanickou pumpou který pumpuje mořskou vodu do velké výšky do pobřežních skal Tento projekt je neobvyklý mini-PSP (Pumped-storage hydroelectricity).

Instalace je založena na 2 plovácích, které se mohou vzájemně pohybovat. Horní se houpe s vlnami, spodní je se spodní spojena řetězem a kotvou. Mezi plováky je „čerpací stanice“ (válec s dvojčinným pístem, který čerpá vodu při jejím pohybu nahoru a dolů) a ventily s výstupním potrubím. Automatické nastavení výšky horního plováku v závislosti na hladině moře, která se mění s odlivem a přílivem – teleskopická trubka, která se působením Archimédových sil a gravitace roztahuje a skládá. K tomuto „přílivovému“ sloupu je připojeno čerpadlo s horním plovákem. Voda je přiváděna na zem, do hor. V horách je vybudován bazén, ve kterém se akumuluje voda a vypouští se zpět do moře, cestou točí turbína elektrárny, identické s tradiční vodní elektrárnou, ale bez přehrady.

Výhody takové instalace jsou následující. Plovák nemá žádné dráty, magnety, cívky, kontakty ani utěsněné hardwarové přihrádky, takže je mnohem levnější, jednodušší a spolehlivější. Turbíny a elektrické generátory vlnové stanice umístěné na břehu jsou dlouhodobě vyzkoušeným zařízením vodních elektráren. Na rozdíl od tradiční přečerpávací elektrárny Searaser nevyžaduje spodní nádrž. Na rozdíl od vlnových elektráren tato instalace řeší problém nerovnoměrné síly vln.

Podle tvůrce stroje dokáže Searaser zvednout mořskou vodu do výšky až 200 m Jeden plovák Searaser v plné velikosti vyvine výkon 0,25 MW.

Mini-vodní elektrárna na kabelech

Kalifornská společnost Bourne Energy vyvinula řadu generátorů, které by mohly transformovat malé vodní elektrárny.

Zařízení RiverStar, TidalStar a OceanStar jsou navržena tak, aby se stala základem pro relativně levné a snadno škálovatelné vodní elektrárny (HPP) provozované na řekách (RiverStar), v průlivech (TidalStar) a na otevřeném moři (OceanStar). Tyto instalace mají řadu zajímavých funkcí.

RiverStar je zapouzdřený modul s plovákem pro držení rotoru v dané hloubce, stabilizačním žebrem, pomalu se otáčejícím oběžným kolem (které neškodí rybám), generátorem a měničem napětí. Několik z těchto kapslí, podle Bourne Energy, může být ponořeno do toku řeky a vytvořit tak mini vodní elektrárnu.

Moduly RiverStar nevyžadují pro instalaci žádné práce na dně řeky, kotvy nebo hráze. Takový řetězec generátorů je podporován dvojicí ocelových lan natažených přes řeku (probíhajících pod vodou). Spolu s těmito tyčemi tečou ke břehu kabely vedoucí proud. Výkon jedné takové kapsle je 50 kW (při aktuální rychlosti 7,4 km/h). 20 jednotek RiverStar může poskytnout elektřinu 1 XNUMX blízkých domů.

Kromě jednoduchého hladkého těla mohou tobolky mít podobu ostrůvků s trávou a keři, písčin nebo velkých kamenů.

Kapsle TidalStar jsou podobné jako RiverStar a měly by být instalovány v ústích řek nebo úžin, kde jsou proměnlivé přílivové proudy. K instalaci těchto generátorů jsou také zapotřebí napínané kabely z jedné řady na druhou.

Systém OceanStar je složitější. Generátory s „otočnými talíři“ jsou zde stejné jako u dvou předchozích modelů. Jsou však namontovány na velkém výkyvném „křídle“, které přeměňuje střídavý tlak (produkovaný procházejícími vlnami) na turbulence vody, která s sebou táhne šrouby generátoru. Na rozdíl od dříve vyvinutých nebo vytvořených vlnových elektráren je OceanStar skryt pod vodou.

K přípravě této práce byly použity materiály z lokalit

Mikrovodní elektrárny v severozápadním Vietnamu

Mikro-vodní energie je typ vodní elektrárny, která obvykle vyrábí 5 až 100 kW elektřiny pomocí přirozeného toku vody. Zařízení s výkonem menším než 5 kW se nazývají pikohydro. Tato zařízení mohou dodávat elektřinu do izolované domácnosti nebo malé komunity nebo jsou někdy připojena k elektrické síti, zejména tam, kde je nabízeno čisté měření. Mnoho z těchto zařízení se nachází po celém světě, zejména v rozvojových zemích, protože mohou poskytnout ekonomický zdroj energie bez nákupu paliva. Mikrohydrosystémy doplňují solární fotovoltaické systémy, protože v mnoha regionech je průtok vody, a tedy i dostupná vodní energie, největší v zimě, kdy je solární energie nejnižší. Mikrohydraulické systémy se často provádějí pomocí Peltonova kola, které dodává vodu o vysokém tlaku a nízkém průtoku. Instalace je často malý uzavřený bazén na vrcholu vodopádu s několika stovkami stop potrubí vedoucího k malému krytu generátoru. V oblastech s nízkým tlakem se běžně používají vodní kola a Archimedovy šrouby.

Typická instalace microhydro.

Konstrukční detaily mikrohydraulického zařízení se liší místo od místa. Někdy existuje mlýnský rybník nebo jiná umělá nádrž, kterou lze upravit k výrobě elektřiny. Mikrohydraulické systémy se obvykle skládají z řady komponent. Mezi nejdůležitější z nich patří jímač vody, ve kterém je voda odváděna z přírodního potoka, řeky nebo třeba vodopádu. Zabránění plovoucím úlomkům a rybám vyžaduje přijímací strukturu, jako je past, pomocí sítě nebo mřížky, aby se dovnitř nedostaly velké předměty. V mírném podnebí musí tento design odolat i ledu. Vstup může mít klapku, která umožňuje vypuštění systému za účelem kontroly a údržby.

Přívod vody je pak vyveden kanálem a poté předním zálivem. Otvor slouží k zadržení sedimentu. Ve spodní části systému je voda přiváděna potrubím (tlakovým potrubím) do budovy elektrárny, kde je umístěna turbína. Tlakové potrubí vytváří tlak z vody, která stéká dolů. V horských oblastech může přístup k tekoucí vodě představovat značné problémy. Pokud jsou vodní zdroj a turbína daleko od sebe, může výstavba přivaděče představovat největší část stavebních nákladů. Pro regulaci průtoku a rychlosti turbíny je na turbíně instalován regulační ventil. Turbína přeměňuje proudění a tlak vody na mechanickou energii; Voda opouštějící turbínu se vrací zpět do přirozeného vodního toku svodným kanálem. Turbína zapne generátor, který je pak připojen k elektrické zátěži; může být přímo připojen k energetickému systému jedné budovy ve velmi malých instalacích nebo může být připojen k veřejnému rozvodu pro více domů nebo budov.

Mikrovodní elektrárny obvykle nemají přehradu nebo nádrž jako velké vodní elektrárny a spoléhají na minimální průtok vody dostupný po celý rok.

Tlakové a průtokové charakteristiky

Systémy Microhydro jsou obvykle instalovány v oblastech schopných produkovat až 100 kilowattů elektřiny. To může stačit k napájení domácnosti nebo malé firmy. Tento výrobní rozsah je vypočítán pomocí „tlaku“ a „průtoku“. Čím vyšší je každý z nich, tím více energie je k dispozici. Hydraulická výška je měření tlaku vody padající do potrubí, vyjádřené jako funkce vertikální vzdálenosti, kterou voda padá. Tato změna výšky se obvykle měří ve stopách nebo metrech. Je vyžadován pád z alespoň 2 stop, jinak může systém selhat. Při kvantifikaci hlavy je třeba vzít v úvahu celkovou i čistou hlavu. Celková dopravní výška aproximuje přístup k výkonu pouze měřením vertikální vzdálenosti, zatímco čistá výška odečítá tlakovou ztrátu způsobenou třením potrubí od celkové dopravní výšky. „Průtok“ je skutečné množství vody padající z oblasti a obvykle se měří v galonech za minutu, krychlových stopách za sekundu nebo litrech za sekundu. Instalace s nízkým průtokem/vysokou dopravní výškou na strmých svazích vyžaduje značné náklady na potrubí. Dlouhé tlakové potrubí začíná nízkotlakým potrubím nahoře a postupně se zvyšujícím tlakovým potrubím blíže k turbíně, aby se snížily náklady na potrubí.

Dostupné kilowatty takového systému lze vypočítat podle vzorce P = Q * H / k, kde Q je průtok v gpm, H je statická výška a k je konstanta 5,310 gal * ft/min * kW . Například pro systém s průtokem 500 g/min a statickou výškou 60 stop je teoretický maximální výkon 5,65 kW. Systém není 100% účinný (z výroby pouze 5,65 kW) kvůli skutečným podmínkám, jako jsou: účinnost turbíny, tření potrubí a přeměna potenciální energie na kinetickou energii. Účinnost turbíny je typicky 50-80 % a tření trubek se bere v úvahu pomocí Hazen-Williamsovy rovnice.

Regulace a provoz

Typicky automatický regulátor řídí vstupní ventil turbíny tak, aby udržoval konstantní rychlost (a frekvenci) při změně zatížení generátoru. V systému připojeném k síti s více zdroji zajišťuje řízení turbíny, že energie vždy proudí z generátoru do systému. Frekvence generovaného střídavého proudu musí odpovídat místní standardní síťové frekvenci. V některých systémech, pokud užitečné zatížení generátoru není dostatečně vysoké, může se zátěžová banka automaticky připojit ke generátoru, aby rozptýlila energii, kterou zátěž nepotřebuje; ačkoli to spotřebovává energii, může to být nutné, pokud nelze regulovat průtok vody turbínou.

indukční generátor vždy pracuje na frekvenci sítě, bez ohledu na rychlost jeho otáčení; vše, co je potřeba, je zajistit, aby byl poháněn turbínou rychleji, než je synchronní rychlost, aby energii spíše generovala, než ji spotřebovávala. Jiné typy generátorů mohou používat systémy řízení rychlosti pro přizpůsobení frekvence.

U moderní výkonové elektroniky je často jednodušší řídit generátor na libovolné frekvenci a napájet jeho výstup přes invertor, který produkuje výstup na síťové frekvenci. Výkonová elektronika nyní umožňuje použití generátorů s permanentními magnety, které produkují divoký střídavý proud pro stabilizaci. Tento přístup umožňuje, aby byly vodní turbíny s nízkou rychlostí/nízkým spádem konkurenceschopné; mohou pracovat při maximální rychlosti pro získávání energie a frekvence sítě je řízena spíše elektronicky než generátorem.

Velmi malé instalace (pico hydro), několik kilowattů nebo méně, mohou generovat stejnosměrný proud a nabíjet baterie během špiček.

V mikro-vodních instalacích lze použít několik typů vodních turbín, přičemž výběr závisí na tlaku vody, průtoku a faktorech, jako je dostupnost místních služeb a doprava zařízení na místo. Pro kopcovité oblasti, kde může být vodopád 50 a více metrů, lze použít Peltonovo kolo. Pro nízkotlaké instalace se používají Francisovy nebo vrtulové turbíny. V instalacích s velmi nízkou hlavou, jen několik metrů, lze použít spirálové turbíny v jámě nebo vodní kola a Archimedovy šrouby. Malé mikro-vodní instalace mohou úspěšně používat průmyslová odstředivá čerpadla běžící na opačnou stranu jako primární pohon; i když účinnost nemusí být tak vysoká jako u specializovaného běžce, relativně nízké náklady činí projekty ekonomicky proveditelné.

U instalací s nízkou hlavou mohou být náklady na údržbu a mechanické náklady relativně vysoké. Nízkotlaký systém pohybuje více vody a je pravděpodobnější, že narazí na úlomky na povrchu. Z tohoto důvodu je pro nízkotlaké mikrohydraulické systémy často preferována Bankova turbína, nazývaná také Ossbergerova turbína, tlakově čisticí vodní kolo s příčným průtokem. Přestože je méně účinný, jeho jednodušší konstrukce je levnější než jiné nízkohlavé turbíny stejného výkonu. Protože voda proudí dovnitř a pak ven, čistí se a je méně pravděpodobné, že se zanese nečistotami.

• Šroubová turbína (reverzní Archimédův šroub): Dvě konstrukce s nízkou hlavou v Anglii, Settle Hydro a Torrs Hydro, používají Archimédův šroub, což je další konstrukce tolerantní vůči odpadkům. Účinnost 85 %.
• Gorlov: volně průtoková Gorlovova šneková turbína nebo omezený průtok s přehradou nebo bez ní,
• Francis a vrtulové turbíny.
• Kaplanova turbína: vysokoprůtoková, nízkotlaká, vrtulová turbína. Alternativou k tradiční Kaplanově turbíně je velkoprůměrová, pomalu rotující VLH permanentní magnetová otevřená turbína s 90% účinností.
• Vodní kolo: Pokročilá hydraulická vodní kola a proudová turbína s hydraulickou částí kola mohou mít hydraulickou účinnost 67 %, respektive 85 %. Maximální účinnost vodního kola při přeběhu (hydraulická účinnost) je 85 %. Vodní kola se sníženým tlakem mohou pracovat při velmi nízkých dopravních výškách, ale mají také účinnost nižší než 30 %.
• Gravitační vírová elektrárna: Část říčního toku u přehrady nebo přírodního vodopádu je odkloněna do kruhového bazénu s centrálním spodním výtokem, který vytváří vír. Jednoduchý rotor (a připojený generátor) je poháněn kinetickou energií. Účinnost od 83 % do 64 % při 1/3 průtoku.

Systémy Microhydro jsou vysoce flexibilní a lze je nasadit v různých prostředích. Závisí na tom, jaký má zdroj proudění vody (potok, řeka, potok) a na rychlosti proudění vody. Energii lze skladovat v bateriích mimo provozovnu nebo ji použít k doplnění přímo připojeného systému, aby byla během období vysoké poptávky k dispozici další záložní energie. Tyto systémy mohou být navrženy tak, aby minimalizovaly dopady na veřejnost a životní prostředí, které pravidelně způsobují velké přehrady nebo jiná masivní zařízení na výrobu vodních elektráren.

Potenciál pro rozvoj venkova

Ve vztahu k rozvoji venkova nabízí jednoduchost a nízké relativní náklady mikrohydraulických systémů nové příležitosti pro některé izolované komunity, které potřebují elektřinu. Pouze s malým průtokem mají vzdálené oblasti přístup k osvětlení a komunikaci pro domácnosti, lékařské kliniky, školy a další zařízení. Společnost Microhydro může dokonce využívat určitou úroveň vybavení k podpoře malých podniků. Regiony podél pohoří And, stejně jako Srí Lanka a Čína, již podobné aktivní programy mají. Jeden zdánlivě neočekávaný způsob, jak se takové systémy v některých oblastech používají, je odradit mladé členy komunity od stěhování do více městských oblastí s cílem stimulovat ekonomický růst. Kromě toho, jak se zvyšuje dostupnost finančních pobídek pro procesy méně náročné na uhlík, budoucnost mikrohydrosystémů se může stát atraktivnější.

Mikrohydraulická zařízení mohou být také použita pro různé účely. Například projekty mikrohydroelektráren na venkově v Asii zahrnovaly agro-zpracovatelská zařízení, jako jsou mlýny na rýži, do návrhu projektu spolu se standardní elektrifikací.

Náklady na mikrovodní stanici se mohou pohybovat od 1000 do 5000 amerických dolarů za instalovaný kW

Výhody a nevýhody

Výhody

Mikrovodní energie se vyrábí procesem, který využívá přirozené proudění vody. Tato síla se nejčastěji přeměňuje na elektřinu. Vzhledem k tomu, že z tohoto procesu přeměny nevznikají žádné přímé emise, je jen malý nebo žádný škodlivý dopad na životní prostředí, pokud je dobře naplánován, a poskytuje tak obnovitelnou energii a udržitelný životní styl. Microhydro je považováno za „průtokový“ systém, což znamená, že voda odkloněná z potoka nebo řeky je přesměrována zpět do stejného vodního toku. Mezi potenciální ekonomické výhody mikrohydrosystému patří účinnost, spolehlivost a nákladová efektivita.

Omezení

Mikrohydrosystémy jsou omezeny především charakteristikami lokality. Nejpřímější omezení je spojeno s malými zdroji se zanedbatelnými průtoky. Stejně tak v některých oblastech může průtok sezónně kolísat. Konečně, i když možná nejdůležitější nevýhodou, je vzdálenost od zdroje energie k objektu vyžadujícímu napájení. Tento problém distribuce, stejně jako ostatní, je klíčový při zvažování použití mikrohydraulického systému.

• Portál obnovitelné energie
• Energetický portál

• Malá vodní elektrárna do 10 000 kW
• Pico hydro do 5 kW
• vodní síla
• Obnovitelná energie
• Udržitelná energie
• Vodní kola
• Vortexová energie
• Gravitační síla vodního víru

• Portál mikrovodní elektrárny
• SMART – Strategie pro podporu výroby malé vodní elektrárny v Evropě (projekt financovaný Evropskou komisí, zahrnuje Itálii, Chorvatsko, Norsko, Řecko a Rakousko.)
• Informace Micro Hydro, aplikace Dorado Vista Ranch
• Evropská asociace malých vodních elektráren
• Micro Hydro Association UK
• Hydropower Prospector, Idaho National Engineering Laboratory
• Vítězové Ashden Awards Hydropower
• Příklad nového mikro-hydro systému ve Skotsku
• Nezávislý projekt mikrohydro
• Microhydro v Afghánistánu s výkresy zařízení
• Kou rispower přenosná mikro vodní elektrárna