برق آبی کوچک (میکرو)
قدرت آب را می توان بوسیله راههای زیادی کنترل نمود . جریان های جزر و مدی را می توان از طریق ایجاد یک مانع در سراسر مدخل ورودی آب به شیوه ای کنترل شده برای تولید قدرت بوسیله یک توربین مورد استفاده قرار داد. سدهای بزرگ، آب را که می توان برای تأمین مقادیر زیادی از برق مورد استفاده قرار داد، نگه می دارند، قدرت موج نیز به شیوه های گوناگون مهار شده. این فن آوری است که توسط طیف متنوعی از جوامع و فرهنگ ها در سراسر جهان برای قرن ها مورد استفاده قرار گرفته است. می توان آب را در مقیاس بزرگ و یا کوچک مهار کرد، در زیر مقوله های مورد استفاده برای تعریف قدرت خروجی به فرم برق آبی تشریح شده. برق آبی کوچک ،انرژی کنترل شده ریزش آب در مقیاس کوچک می باشد. به عنوان مثال، کنترل آب کافی از یک رودخانه محلی بمنظور تأمین انرژی یک کارخانه کوچک یا روستا. این نوشتار به طور عمده بر روی برق آبی کوچک (میکرو) متمرکز خواهد بود.
برق آبی در مقیاس بزرگ: بیش از 100 مگاوات و به طور معمول شبکه برق بزرگی را تغذیه می کند.
برق آبی در مقیاس متوسط : بین 15 تا 100 مگاوات ، به طور معمول شبکه را تغذیه می کند.
برق آبی در مقیاس جزئی : بین یک تا 15 مگاوات ، به طور معمول شبکه را تغذیه می کند.
برق آبی کوچک : بالای 100 کیلووات و زیر 1 مگاوات ، اغلب بوسیله برنامه های مستقلی شبکه را تغذیه می کند.
برق آبی میکرو: از 5 کیلووات تا بیش از 100 کیلووات، معمولا برای یک جامعه کوچک یا صنعت روستایی در مناطق دور افتاده و دور از شبکه برق را فراهم ساخته.
برق آبی پیکو: از چند صد وات تا بیش از 5 کیلووات
در انگلستان، آسیاب های آبی 900 سال پیش استفاده می شد. تعداد آنها به طور پیوسته و تا قرن 19 میلادی گسترش یافت،صرفا بیش از 20،000 آسیاب آبی قابل بهره برداری در انگلستان وجود داشت.در اروپا ، آسیا و بخش هایی از آفریقا، چرخ آبی بمنظور راندن انواع ماشین آلات صنعتی مورد استفاده قرار گرفت، مانند آسیاب ها و پمپها. اولین توربین آبی موثر در اواسط قرن19 پدیدار شد و استفاده از آن تا قبل از جاگزینی با چرخ آبی در بسیاری از کاربریها مدت زیادی بطول نیانجامید.
در تقابل با چرخ آبی و توربین های اولیه، توربین های مدرن ساخته شدند که بسیار کارآمد و قادر به چرخش با سرعت بسیار بالا می باشند. برق آبی فن آوری است که با تکیه بر منابع غیر آلاینده، تجدید پذیر و بومی به خوبی تثبیت شده و می تواند به راحتی با پروژه های تامین آب و آبیاری ادغام شود. چین به تنهایی بیش از 85،000 نیروگاه برق آبی در مقیاس کوچک دارد.
در طول چند دهه گذشته، یک درک روبه رشدی در کشورهای در حال توسعه وجود داشته است که طرح های کوچک برق آبی نقش مهمی در توسعه اقتصادی مناطق دورافتاده روستایی ، به خصوص مناطق کوهستانی ،دارند. طرح های برق آبی کوچک (میکرو) می توانند توانی بمنظور مصارف صنعتی، کشاورزی و داخلی از طریق توان مکانیکی مستقیم و یا از طریق اتصال توربین به یک ژنراتور برای تولید برق فراهم کنند.
فنی
شرایط مناسب برای توان برق آبی کوچک (میکرو)
بهترین مناطق جغرافیایی برای بهره برداری از برق آبی در مقیاس کوچک ، مکان هایی است که در آن رودخانه های با شیب در تمام طول سال جریان دارند. برای مثال، مناطق تپه ای کشورها با میزان بارش بالا در طول سال، ی ا رشته کوه های بزرگ و کوهپایه های آن، مانند رشته کوه های آند و هیمالیا می باشند. جزایر با آب و هوای های مرطوب دریایی، مانند جزایر کارائیب، فیلیپین و اندونزی نیز مناسب هستند. توربین های با هد کم را برای بهره برداری در مقیاس کوچک از رودخانه توسعه داده اند که در آن یک هد کوچک اما با جریان کافی برای تأمین قدرت مناسب وجود دارد.
برای ارزیابی مناسب بودن یک سایت بالقوه، هیدرولوژی از سایت بمنظور شناخت و یک پیمایش از سایت ،بمنظور تعیین داده های هد و جریان واقعی مورد نیاز می باشد. اطلاعات هیدرولوژیکی را می توان از بخش هواشناسی و آبیاری که به طور معمول توسط دولت اداره می شود ، به دست آورد.
این اطلاعات یک تصویر صحیح کلی از الگوهای باران سالانه و نوسانات احتمالی در بارش والگوهای جریان را نشان می دهد. نظر سنجی از مکان پروژه (سایت) اطلاعات دقیق تری را از شرایط سایت می دهد و اجازه می دهد تا محاسبات قدرت انجام شده و کار طراحی آغاز گردد. داده های جریان می بایست در طی یک دوره حداقل یک ساله در محل ممکن جمع آوری شود ، به طوری که نوسان در جریان رودخانه در طول فصول مختلف مشخص می شود. روش های بسیاری برای پیشبرد اندازه گیری جریان و هد وجود دارد و این را می توان در متون مربوطه یافت.
توربین ها
توربین انرژی آب در حال سقوط را به قدرت شفت تبدیل می کند . انواع مختلفی از توربین وجود دارد که می توان در یکی از راه های متعدد طبقه بندی نمود. عمدتأ انتخاب توربین به فشار هد موجود و طراحی جریان برای نصب و راه اندازی برق آبی مطرح شده ، بستگی دارد. همانطور که در جدول شماره 2 در زیر نشان داده شده است، توربین ها به طور گسترده به سه گروه ، هد بالا ، متوسط و کم و به دو دسته: ضربه ای و واکنشی تقسیم می شود.
تفاوت بین توربین ضربه ای و واکنشی را می توان به سادگی بوسیله تبدیل انرژی جنبشی یک جت آب در هوا به حرکت بوسیله برخورد با پره های توربین در توربین های ضربه ای شرح داد، کاهش فشاری به عنوان فشار آب اتمسفریک در هر دو طرف پروانه وجود ندارد. از سوی دیگر تیغه های یک توربین واکنشی، کاملا در جریان آب غوطه ور بوده و همچنین حرکت خطی و زاویه ای آب را به توان شفت تبدیل کرده و فشار آب خروجی از رانر به فشار اتمسفر یا کمتر کاهش یافته.
ضریب بار
ضریب بار مقدار توان مصرفی تقسیم شده بوسیله میزان انرژی در دسترس می باشد در صورتی که توربین به طور مداوم مورد استفاده قرار گیرد. بر خلاف فن آوری های متکی بر منابع سوخت گران ، "سوخت" برای تولید برق آبی رایگان است و به همین دلیل نیروگاه بسیار مقرون به صرفه اند اگر با درصد بالایی از زمان راه اندازی شوند. در صورتی که توربین تنها برای روشنایی خانگی در شب استفاده شود ضریب بار نیروگاه بسیار کم خواهد شد. اگر توربین برای صنعت روستایی در طول روز توان را فراهم می کند ، با تقاضای برق خانگی در طول شب و شاید پمپ های آب برای آبیاری در شب، لذا ضریب بار نیروگاه بالا خواهد شد.
اگر این طرح مقرون به صرفه باشد اطمینان از ضریب بالای نیروگاه بسیار مهم است و این را باید به حساب مدت زمان مرحله برنامه ریزی گذاشت. بسیاری از طرح ها به عنوان تخلیه بار استفاده می شوند (در ارتباط با کنترل بار الکترونیکی) که به طور موثر یک اولویت تقاضای انرژی کم است و در زمانی که تولید بیش از حد است می تواند انرژی مازاد را بپذیرد مانند قبول آب گرم، بخاری های ذخیره سازی و یا اجاق گاز های ذخیره سازی.
گاورنرهای کنترل بار
توربین های آبی ، مانند موتورهای دیزل یا بنزینی، در سرعت بار اعمال شده یا رها شده متفاوت خواهند بود. اگر چه مانند یک مشکل بزرگی با ماشین آلات که از قدرت مستقیم شفت استفاده می کنند، نمی باشد، این تغییر سرعت به طور جدی بر روی فرکانس و ولتاژ خروجی از ژنراتور تأثیر خواهد گذاشت. به طور سنتی، مجموعه گاورنرهای سرعت هیدرولیکی و یا مکانیکی جریان را به عنوان بار متغیر، تغییر می دهد، اما به تازگی کنترلر بار الکترونیکی(ELC) توسعه داده شده است که سادگی و قابلیت اطمینانی مجموعه مدرن برق آبی میکرو را افزایش داده. کنترلر بار الکترونیکی به طور مداوم از تغییرات سرعت با افزودن یا کاستن یک بار مصنوعی جلوگیری می کند، به طور موثر توربین تحت بار کامل به طور مداوم کار می کند. از مزیتهای فراوان کنترلر بار الکترونیکی (ELC) این است که هیچ حرکت اجزائی ندارند ، بسیار قابل اعتماد است و تقریبا تعمیر و نگهداری آن رایگان می باشد. ظهور کنترل بار الکترونیکی اجازه معرفی توربین های جت ساده و کارآمد را داده است، که دیگر متحمل قیمتهای بالای گاورنرهای هیدرولیک نمی شود.
موضوعات دیگر
اقتصاد - کاهش هزینه
به طور معمول، تأسیسات برق آبی در مقیاس کوچک در مناطق روستایی کشورهای در حال توسعه می تواند منافع مالی قابل توجهی به خدمات جوامع عرضه کنند، به ویژه که در آن برنامه ریزی دقیقی برای شناسائی درآمد تولید برق برای قدرت استفاده می شود. هزینه عمده یک طرح برای آماده سازی سایت و هزینه سرمایه تجهیزات می باشد. به طور کلی، هزینه واحد با یک نیروگاه بزرگ و با هد بالای آب کاهش می یابد. می توان استدلال کرد که تکنولوژی برق آبی در مقیاس کوچک مزایایی در مقیاس اقتصادی را سبب نمی شود ، اما بسیاری از هزینه ها به طور معمول با طرح های بزرگ آبی مرتبط شده که خارج از طراحی و برنامه ریزی از سیستم های آبی کوچک باعث ایجاد هزینه واحد در مسیری با طرح های بزرگتر می شوند.
این شامل نوآوری هایی مانند:
استفاده از طرح های جریان رودخانه(ROR) در مکانهای که امکان آن وجود دارد - این هزینه های ایجاد یک سد گران قیمت برای ذخیره آب را دور می کند.
تولید محلی تجهیزات در مکانهای ممکن و مناسب
استفاده از HDPE(پلاستیک)دیریچه های تنظیم آب(penstock) در محل های مناسب
کنترل بار الکترونیکی - اجازه می دهد تا نیروگاه قدرت بدون مراقبت رها شود، در نتیجه هزینه های نگهداری کاهش می یابد و محصولات سودمندی مانند شارژ باتری و یا آب گرم به عنوان تخلیه بار برای توان اضافی معرفی می شوند؛ همچنین از کاربرد کنترل دنده ای مکانیکی گران قیمت و بزرگ جلوگیری می کند.
استفاده از زیرساخت های موجود، به عنوان مثال کانالی که برای طرح آبیاری مورد استفاده قرار می گیرد.
قرار گرفتن توان نزدیک روستا برای جلوگیری ازکاربرد تجهیزات توزیع ولتاژ گران قیمت ترانسفورماتور.
استفاده از پمپ به عنوان توربین (PAT) - در برخی شرایط پمپ های استاندارد را می توان در جهت معکوس به عنوان توربین استفاده کرد، این پمپ ها هزینه ها ، زمان تحویل و نصب و راه اندازی و تعمیر و نگهداری را کاهش می دهند.
استفاده از موتور به عنوان ژنراتور- همانطور که با ایده PAT، می توان موتور را معکوس راه اندازی کرد و بعنوان ژنراتور استفاده کرد ، پمپ ها نیز معمولا با یک موتور نصب شده و کل واحدی که می تواند به عنوان مجموعه توربین/ ژنراتور استفاده شود ، خریداری کرد.
استفاده از مواد محلی برای فعالیت های عمرانی
ارتباطات کم هزینه برای کاربران خانگی
قابلیت خود تمیز کردن صفحات مدخل ورودی- این نوآوری های تازه ای است که به سرریز مدخل ورودی سد نصب شده و از ورود سنگ و گل و لای به کانال اصلی ورودی آب به توربین جلوگیری می کند ، این نیاز به سازه های لجن گیر در طول کانال اصلی ندارد و همچنین در برخی موارد این کانال می تواند با یک مجرای کم فشار دفن شده در زیر زمین جایگزین کرد. در حال حاضر این فن آوری ، هنوز در مراحل اولیه انتشار هزینه های تعمیر و نگهداری بعنوان جزئی از کل می باشد. اگر چه ممکن است آنها عامل مهمی در مواردحاشیه ای اقتصادی باشند.
مالکیت، مدیریت
برنامه های ترویج استفاده از توان نیروگاه برق آبی میکرو در کشورهای در حال توسعه بر روی اجتماع ، همچنین به عنوان جنبه های فنی و اقتصادی از این منبع انرژی متمرکز شده است. انتقال تکنولوژی و برنامه های ظرفیت سازی طراحی و ساخت محلی را قادر به تصویب می سازد. مدیریت، مالکیت و مشارکت اجتماعی محلی بدان معنی است که بسیاری از طرح های تحت کنترل مردم محلی می باشند، که راه اندازی و نگهداری این طرح ها با خودشان است.معمولا راه اندازی و تعمیر و نگهداری توسط صنعتگران محلی آموزش دیده انجام می شود.
اتصال شبکه کم هزینه
در جائی که از توان یک طرح برق آبی میکرو به منظور تامین برق خانگی استفاده شده ، روشی است که برق آبی میکرو به یک گزینه مقرون به صرفه برای گروه های کم درآمد بمنظور به حداقل رساندن هزینه های اتصال و صورتحساب بعدی ، تبدیل می شود. در اغلب موارد، مصرف کنندگان برق خانگی روستایی تنها مقدار کمی از توان الکتریکی را به تأمین روشنائی خانه ها و راه اندازی رادیو یا تلویزیون نیاز خواهند داشت. راه حل های فراوانی وجود دارد که به طور خاص می تواند به خانواده های کم درآمد برای حصول به یک اتصال کمک کند.
این راه حل ها عبارتند از:
عرضه محدود بار. محدود کننده بار بوسیله منحصر کردن عرضه جریان به مصرف کننده با مقدار تعین شده کار می کند. اگر جریان بیش از این مقدار تعیین شده باشد، دستگاه به صورت خودکار از منبع تغذیه جدا می شود. مصرف کننده یک هزینه ثابت ماهانه بدون در نظر گرفتن مقدار کل انرژی مصرفی را تقبل کرده.این دستگاه ساده و ارزان است و نیاز به کنتور گران قیمت ندارد.
کاهش هزینه های خدمات اتصال. محدود کردن عرضه بار می تواند به کاهش هزینه های کابل کشی نیز کمک کند، حداکثر توان کشیده شده کم است و بنابراین اندازه کابل های کوچکتر می تواند مورد استفاده قرار گیرد.
سیستم های سیم کشی پیش ساخته. بافته های سیمی می تواند آماده نصب تولید شودکه صرفأ هزینه ها کاهش نخواهد یافت بلکه استانداردهای ایمنی تضمین می شود.
