Niederdruck-Mikrowasserkraft

Mikro-Wasserkraftim kleinen Maßstab kann eine kostengünstige Energietechnologie im Vergleich zur Photovoltaik sein, wenn Sie einen Fluss oder Bach in der Nähe haben. Niederdruck-Mikrowasserkraftwerke können äußerst robust sein und viele Jahre lang mit wenig oder keiner Wartung elektrische Energie erzeugen und sind außerdem eine der saubersten verfügbaren Energiequellen.

Das wissen wir aus den Tutorials auf dieser Website Wasserkraft oder Hydroelektrizität wird durch die Kraft des fallenden Wassers erzeugt. Der tägliche hydrologische Kreislauf des Wassers, in dem die Verdunstung von Wasser aus Seen und Ozeanen sich zu Wolken formt und dann als Regen oder Schnee zur Erde zurückkehrt, bevor es wieder zurück in die Seen und Ozeane fließt.

Ein kleines Mikrowasserwehr

Das Energiepotenzial dieses kontinuierlichen Wasserkreislaufs, der von der Sonne angetrieben wird, kann nutzbar gemacht und genutzt werden effizienter mit Mikro-Hydro-Systemen, da wenig oder kein Wasser gespeichert werden muss, wodurch negative Auswirkungen auf die lokale Umwelt minimiert werden, im Gegensatz zu großen Wasserkraftwerken.

Für die Energieerzeugung aus Wasserkraft im großen Maßstab gibt es viele bestehende Systeme wie Stauwasserkraft, ober- und unterschlächtige Wasserräder sowie lokalisierte kleine Wasserkraftwerke.

Aber die Erzeugung von Wasserkraft ist normalerweise damit verbunden der Bau künstlicher Seen und Dämme, die aus Millionen Tonnen Steinen, Beton und Erde gebaut werden, um alle vorhandenen Flussläufe abzusperren.

Eine typische Niederdruck-Mikrowasserkraftanlage sind dagegen in den meisten Fällen Laufwasserkraftwerke, die keine Wasserstauung erfordern. Stattdessen wird ein kleiner Teil des fließenden Wassers von einem Fluss stromaufwärts durch verschiedene Druckleitungskonstruktionen, Rohre, Röhren oder Kanäle bergab umgeleitet, um eine kleine Wasserturbine zu drehen, bevor es wieder in denselben Fluss zurückgeführt wird, sodass es leicht in bestehende Bewässerung und Wasser integriert werden kann Versorgungsprojekte.

Bei richtiger Planung sollte ein Stromerzeugungssystem aus Mikrowasserkraft eine umweltfreundliche, erneuerbare Ressource sein, die sowohl den Fluss als auch die einheimische Ökologie nur minimal stört, da alle während des Baus verwendeten Bau- oder Bauarbeiten nur dazu dienen, den Wasserstand an der Aufnahme zu regulieren Eliminierung der gleichen Art von nachteiligen Auswirkungen auf die lokale Umwelt, wie dies bei einem groß angelegten Wasserkraftsystem der Fall wäre.

Mikrowasserkraft wird im Allgemeinen als die Erzeugung elektrischer Energie von einigen hundert Watt bis zu 10 Kilowatt (10 kW) definiert und wird oft als grüne Energieform angesehen, da keine schädlichen Emissionen damit verbunden sind Stromerzeugung.

Das folgende Beispielbild zeigt die Hauptkomponenten eines typischen Laufwasser-Niederdruck-Mikrowasserkraftwerks. Über eine Druckrohrleitung wird das Flusswasser zur im Krafthaus befindlichen Turbine geleitet. Die Turbine treibt einen elektrischen Generator an, der direkt Strom liefert, Gleichstrom zum Laden von Batterien oder über eine Übertragungsleitung, um ein Haus oder mehrere Häuser mit Wechselstrom für Beleuchtung und Strom zu versorgen.

Niederdruck-Mikrowasserkraftwerk

Natürlich gibt es viele verschiedene Möglichkeiten, Installationen und alternative Schemata, um ein Niederdruck-Mikro-Wasserkraftsystem zu erstellen, aber um die potenzielle Kraft zu bestimmen, die in dem Wasser vorhanden ist, das durch einen Fluss, Bach oder sogar einen Graben fließt, müssen Sie zuerst müssen sowohl die Durchflussrate (Wassergeschwindigkeit) des Wassers als auch die Fallhöhe (vertikale Entfernung), aus der das Wasser fallen muss, verstehen.

Wasser in Watt umwandeln

Um die minimale Dauerleistung zu bestimmen, die Sie von Ihrem Mikrowasserkraftwerk erwarten können, müssen Sie zunächst die erwarteten wöchentlichen, monatlichen oder jährlichen Durchflussraten für Ihren Fluss oder Bach verstehen. Ihr vorgeschlagener Standort kann Trocken- oder Low-Level-Saisons sowie Regen- oder High-Level-Saisons haben. Daher ist es wichtig, sowohl die Mindestdurchflussrate des Baches als auch den Anteil dieses Wasserdurchflusses zu kennen, den Sie für die Stromerzeugung benötigen, 10 % oder 50 % usw., da Sie möglicherweise Genehmigungen der örtlichen Wasserbehörde benötigen, wenn der Anteil der Wasserentnahme ist ist zu hoch.

Wasserdurchfluss

Der für den Betrieb Ihres Mikro-Wasserkraftgenerators verfügbare Wasserfluss kann anhand historischer hydrologischer Daten des Standorts geschätzt oder der tatsächliche Wasserfluss physikalisch gemessen werden. Wenn Ihre örtliche Wasserbehörde oder Agentur keine historischen Aufzeichnungen hat, kann es notwendig sein, den Wasserdurchfluss über einen bestimmten Zeitraum während der Planungsphase zu messen, und es gibt viele Möglichkeiten, die Durchflussrate des Wassers zu messen.

Die Durchflussrate, also die Wassergeschwindigkeit, ist die Wassermenge, die in einem bestimmten Zeitraum an einem festen Punkt vorbeifließt. Typische Durchflussrateneinheiten werden angegeben in: Liter pro Sekunde, Liter/s, Kubikmeter pro Sekunde, m3/s, Kubikfuß pro Sekunde, ft3/s (oder cfs) oder Gallonen pro Minute (gpm) und es gibt mehrere Typen von kommerziellen Durchflussmessern, die auf eine oder alle dieser Einheiten kalibriert sind.

Wie man die Wasserdurchflussrate bestimmt

Die gebräuchlichste Methode zur Bestimmung der Durchflussrate ist die Messung der Querschnittsfläche eines bestimmten Teils des Flusses, Baches oder Grabens.

Messen Sie die Breite an einem bestimmten Punkt von Ufer zu Ufer und dann die Tiefe in gleichen Abständen entlang der Breite. Messen Sie die Wassertiefe in jedem Intervall, um die durchschnittliche Wassertiefe zu berechnen.

Wenn Sie die Breite mit der durchschnittlich gemessenen Tiefe multiplizieren, erhalten Sie die Querschnittsfläche in den von Ihnen verwendeten Einheiten Fuß oder Meter. Bei sorgfältiger Ausführung erhalten Sie für die meisten Berechnungen genaue Ergebnisse.

Als nächstes kann die Bestimmung der Wassergeschwindigkeit einfach mit einem Schwimmer erfolgen. Markieren Sie zwei Punkte entlang des gleichen Flussabschnitts oder Bachs in einer bestimmten Entfernung, 10 m, 50 Fuß, 20 Yards usw. Platzieren Sie etwas, das schwimmt und sich leicht im Wasser bewegt, am ersten Punkt oder an der ersten Markierung und messen Sie die Zeit, die es benötigt Sekunden, um die zweite Markierung zu erreichen. Wiederholen Sie diesen Vorgang mehrmals und mitteln Sie die Ergebnisse.

Beachten Sie, dass diese Schwimmmethode nicht die wahre Geschwindigkeit des gesamten Wassers darstellt, das an den beiden Punkten vorbeifließt, da das Wasser an den Seiten oder am Boden vorbeifließt Der Fluss oder Bach fließt mit einer anderen Geschwindigkeit als das Wasser in der Mitte oder oben, wo der Schwimmer teilweise auf die Reibung und Rauheit der Seiten und des Bodens zurückzuführen ist. Bei sorgfältiger Ausführung erhalten Sie jedoch für die meisten Berechnungen ausreichend genaue Ergebnisse.

Vertikale Fallhöhe

Die Fallhöhe ist ein wichtiger Faktor, denn je größer die vertikale Fallhöhe des Wassers ist, desto größer ist die potenzielle Energie, die im Wasser verfügbar ist, um als nutzbare Energie extrahiert zu werden. Die Fallhöhe ist der vertikale Höhenunterschied zwischen dem Eintritt des Wassers in das Turbinengeneratorgehäuse bis zu dem Punkt, an dem das Wasser in das Ansaugrohr oder die Druckleitung eintritt.

Die vertikale Fallhöhe des Standorts kann elektronisch mit GPS gemessen oder anhand geologischer Karten oder aus dem Internet unter Verwendung von Google Earth- oder Google Maps-Daten geschätzt werden. Natürlich hängt der vertikale Abstand zwischen Höhenlinien auf einer Karte von der im Standortbereich verfügbaren Kartierung ab. Die Verwendung von Daten zur Bestimmung des Höhenunterschieds zwischen dem stromaufwärts gelegenen Eintrittspunkt und dem stromabwärts gelegenen Austrittspunkt ergibt jedoch die Fallhöhe.

Für Mikrohydrosysteme mit niedrigem Druck, die Kanäle oder Gräben verwenden, wäre die Fallhöhe sehr klein. Ebenso wären bei einer viel höheren Fallhöhe der Wasserdurchfluss und -druck hoch. Auch hier liegt die verwendete Einheit, Fuß oder Meter, bei Ihnen, muss aber mit der für die Durchflussmessungen verwendeten übereinstimmen.

Beachten Sie, dass große Fallhöhen längere Rohrstrecken vom Fluss zur Turbine erfordern können, was Kosten und Reibung erhöht Verluste, wenn das Wasser durch die Rohrleitung fließt. Außerdem erhöhen sich die Reibungsverluste bei hohen Durchflussraten durch Rohrdurchmesser mit kleinem Durchmesser. Bögen, Gelenke und Ellbogen erhöhen ebenfalls die Reibungsverluste.

Wie viel Kraft im Wasser

Die Menge an elektrischer Energie, die aus einem Fluss oder Bach gewonnen werden kann, hängt von der Energiemenge im fließenden Wasser ab, wenn es durch die Turbinenblätter fließt. Während sich das Wasser bewegt, kann ein hydroelektrisches System verwendet werden, um die kinetische Energie des sich bewegenden Wassers in elektrische Energie umzuwandeln.

Nachdem die Durchflussrate des Wassers, das einen bestimmten Punkt in einer bestimmten Zeit passiert, und die vertikale Fallhöhe, durch die das Wasser fallen muss, durch Berechnung bestimmt wurden, kann die theoretische Leistung (P) im Wasser wie folgt berechnet werden:

Leistung (P) = Durchflussrate (Q) x Förderhöhe (H) x Schwerkraft (g) x Wasserdichte (ρ)

Wo Q ist der durch die Turbine fließende Volumenstrom in m3/s, H ist die effektive Fallhöhe in Metern, g ist die Erdbeschleunigung bei 9,81 m/s2 und ρist die Dichte von Wasser, 1.000 kg/m3 oder 1,0 kg/Liter.

Dann ist die maximale theoretische Leistung, die im Wasser verfügbar ist, im Grunde genommen proportional zum Produkt aus “Förderhöhe x Durchfluss” , da die Schwerkraft auf das Wasser und die Wasserdichte immer eine Konstante ist. Daher ist P = 1,0 x 9,81 x Q x H (kW).

Aber eine Wasserturbine ist nicht perfekt, daher geht ein Teil der Eingangsleistung bei der Rotation der Turbinenblätter aufgrund von Reibung und Wasserleckage verloren, aber durch sorgfältige Konstruktion können diese Verluste auf einen kleinen Prozentsatz stark reduziert werden. Die meisten modernen Wasserturbinen haben je nach Art, Reaktion oder Impuls einen Wirkungsgrad zwischen 80 und 95 %, sodass die effektive Leistung eines Mikrowasserkraftsystems angegeben werden kann als:

Verfügbare Leistung von einem Mikro Wasserkraftsystem

Wobei: η (eta) der Wirkungsgrad der verwendeten Turbine ist.

Also zum Beispiel ein Niederdruck-Mikrowasserkraftwerk, das bei 85 arbeitet % Wirkungsgrad bei einer Fallhöhe von 10 Metern und einem Wasserdurchfluss von 500 Litern pro Minute an einem festen Punkt vorbei würde eine Nennleistung von ungefähr ergeben:

Leistung (P) = 0,85& #032;* 9,81m/s2 * 0,00833m3/s * 10m = 0,695kWDenn: 1.000 Liter entsprechen 1 m3, also entsprechen 500 Liter 0,5 m3. Eine Minute entspricht 60 Sekunden, dann entspricht eine Durchflussrate von 0,5 m3 pro Minute 0,00833 m3 pro Sekunde.

Nun mag eine potenzielle Ausgangsleistung von 0,695 kW pro Sekunde nicht viel erscheinen, aber dies entspricht über 60 kW ( 0,695 * 60 *&#032 ;60 * 24 ) kostenloser Strom aus Wasserkraft täglich. Da die Leistung proportional zum Produkt aus „Förderhöhe x Durchfluss“ ist, würde die Erhöhung eines dieser beiden Faktoren und/oder der Effizienz des Hydrosystems zu einer Erhöhung der erzeugten Leistung führen, vorausgesetzt, die verfügbare Wasserversorgung ist vorhanden ziemlich konstant über das Jahr.

Auch der mechanische Leistungsaustausch von der rotierenden Turbine zu einem elektrischen Generator oder Generator, wie Riementriebe, Getriebe, Ketten usw., wird ebenfalls zu zusätzlichen Verlusten führen und reduziert Gesamtwirkungsgrad auf vielleicht nur 50 oder 60 %.

Geeignete Standorte für Micro Hydro Power

Offensichtlich sind die besten geografischen Standorte für die Nutzung von Niederdruck-Mikrowasserkraft dort, wo ein konstant fließender Fluss, Bach oder Graben aufgrund von ganzjährig hohen Niederschlägen vorhanden ist. Aber was auch immer Ihre örtlichen Bedingungen sind, Niederdruck-Mikrowasserturbinen mit niedriger Fallhöhe sind für eine ganze Reihe von Standortbedingungen erhältlich.

Die Eignung eines bestimmten Standorts muss zunächst durch eine Standortbesichtigung bekannt sein. Eine genaue Bewertung des Wasserdurchflusses und der Fallhöhe sowie wichtiger Infrastrukturkomponenten wie Rohrlänge, Rohrdurchmesser und elektrischer Kabelverlauf sollten in Betracht gezogen werden, um die Durchführbarkeit des Projekts zu bestimmen.

Auch andere zu berücksichtigende Dinge wie z. Haben Sie ein Nutzungsrecht für das verfügbare Wasser? Können Sie Zugang über angrenzende Grundstücke erhalten, um die Pipeline zu installieren? Benötigen Sie Baugenehmigungen für eine kleine Turbinenhalle, einen Damm oder Pipelines? Und natürlich den elektrischen Leistungsbedarf in Watt (W). ob Sie eine AC- (Wechselstrom) oder DC- (Gleichstrom) Versorgung für die Batteriespeicherung wünschen.

Mikro-Wasserkraftturbinen

Wir haben hier gesehen, dass die potenzielle Energie des Wassers, die von einem Mikro-Wasserkraftsystem verfügbar ist, eine Kombination aus Wasserdurchfluss und Fallhöhe ist. Die verfügbare Leistung ist daher eine Kombination aus hoher Förderhöhe/niedrigem Durchfluss oder niedriger Förderhöhe/hohem Durchfluss oder irgendetwas dazwischen.

Wasserturbinen wandeln die kinetische Energie des sich bewegenden Wassers in rotierende Wellenleistung um, daher ist die Auswahl einer bestimmten Turbine für einen bestimmten Standort wichtig. Welcher Turbinentyp für einen bestimmten Mikro-Wasserkraftstandort am besten geeignet ist, hängt also stark von den Eigenschaften des Standorts und natürlich von der Drehzahl des elektrischen Generators oder der Lichtmaschine ab.

Für Niederdruck-Mikrowasserkraft mit geringer Förderhöhe Schemata Reaktionsturbinenwie die Francis-, Kaplan- oder Crossflow-Turbinen sind am besten geeignet. Dies liegt zum Teil an der Tatsache, dass die Turbinenschaufeln einer Reaktionsturbine vollständig in die Wasserströmung eingetaucht sind, wodurch die Energieentnahme aus dem Wasser den Druck des fallenden Wassers verringert, wenn es das Turbinengehäuse verlässt und in den Fluss zurückkehrt eine langsame und kontrollierte Strömung.

Impulsturbinenwie das Peltonrad, Crossflow- oder Turgo-Turbinen hingegen nutzen die Geschwindigkeit des sich bewegenden Wassers, um die Schaufeln zu drehen, anstatt Wasservolumen oder Druck zu verwenden. Da sich das Wasser schnell bewegt, verlässt es das Turbinengehäuse und kehrt als schneller Wasservolumenstrom in den Fluss zurück, der möglicherweise Erosions- und Wasserströmungsprobleme im Fluss verursacht.

Die Wahl des Turbinendesigns wird letztendlich ausschlaggebend sein hängen von der verfügbaren Druckhöhe und dem Wasserdurchfluss für die vorgeschlagene Mikro-Wasserkraftanlage ab, ob es sich um eine Reaktionsturbine handelt, die eher Druck als Geschwindigkeit verwendet, oder eine Impulsturbine, die eher die Geschwindigkeit des Wassers als Druck nutzt.

Wenn Sie daran interessiert sind oder darüber nachdenken, Niederdruck-Mikrowasserkraft für mechanische Energie oder für die Stromerzeugung zu nutzen, um Ihre Energiekosten zu senken, um mehr oder vollständig unabhängig von den örtlichen Versorgungsunternehmen zu werden, oder um die Vor- und Nachteile zu erkunden von Wasserkraft.

Was auch immer die Gründe sind, wenn Sie bereits ernsthaft darüber nachgedacht haben, aber möglicherweise nicht wissen, wie Sie die Machbarkeit der Nutzung von Mikrowasserkraft bestimmen sollen, dann schauen Sie sich einige der an Bücher über Mikrowasserkraft, die heute bei Amazon angeboten werden, und erfahren Sie, wie Sie ein Niederdruck-Mikrowasserkraftsystem sowie andere Arten von Wasserturbinenkonstruktionen bauen.