Micro hydro

Micro hydro is a type of hydroelectric power that typically produces from 5 kW to 100 kW of electricity using the natural flow of water. Installations below 5 kW are called pico hydro.^[1] These installations can provide power to an isolated home or small community, or are sometimes connected to electric power networks, particularly where net metering is offered. There are many of these installations around the world, particularly in developing nations as they can provide an economical source of energy without the purchase of fuel.^[2] Micro hydro systems complement solar PV power systems because in many areas water flow, and thus available hydro power, is highest in the winter when solar energy is at a minimum. Micro hydro is frequently accomplished with a pelton wheel for high head, low flow water supply. The installation is often just a small dammed pool, at the top of a waterfall, with several hundred feet of pipe leading to a small generator housing. In low head sites, generally water wheels and Archimedes' screws are used.

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.^[3] 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.

يُمرر الماء عبر قناة ثم إلى حوض تجميع. يُستخدم حوض التجميع لحجز الرواسب. في أسفل النظام، يُنقل الماء عبر نفق ( أنبوب التوربين ) إلى مبنى محطة توليد الطاقة الذي يحتوي على توربين . يكتسب أنبوب التوربين ضغطًا من الماء المتدفق إلى الأسفل. في المناطق الجبلية، قد يُمثل الوصول إلى مسار أنبوب التوربين تحديات كبيرة. إذا كان مصدر الماء والتوربين بعيدين عن بعضهما، فقد تُشكل تكلفة إنشاء أنبوب التوربين الجزء الأكبر من تكاليف الإنشاء. عند التوربين، يُركب صمام تحكم لتنظيم تدفق الماء وسرعته. يُحوّل التوربين تدفق الماء وضغطه إلى طاقة ميكانيكية؛ ويعود الماء الخارج من التوربين إلى مجرى الماء الطبيعي عبر قناة تصريف. يُشغل التوربين مولدًا كهربائيًا ، والذي يُوصل بدوره بالأحمال الكهربائية ؛ قد يكون هذا المولد متصلًا مباشرةً بنظام الطاقة لمبنى واحد في المنشآت الصغيرة جدًا، أو قد يكون متصلًا بنظام توزيع كهربائي مُشترك لعدة منازل أو مبانٍ. ^{[ 3 ]}

عادة، لا تحتوي منشآت الطاقة الكهرومائية الصغيرة على سد وخزان، كما هو الحال في محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة ، وتعتمد على تدفق ضئيل من المياه ليكون متاحًا على مدار السنة.

تُنشأ أنظمة الطاقة الكهرومائية الصغيرة عادةً في مناطق قادرة على إنتاج ما يصل إلى 100 كيلوواط من الكهرباء. ^{[ 4 ]} وهذا يكفي لتزويد منزل أو منشأة تجارية صغيرة بالطاقة. يُحسب نطاق الإنتاج هذا بدلالة "الضغط" و"التدفق". كلما زاد كل منهما، زادت الطاقة المتاحة. الضغط الهيدروليكي هو قياس ضغط الماء المتساقط في أنبوب، ويُعبر عنه كدالة للمسافة الرأسية التي يسقطها الماء. ^{[ 4 ]} يُقاس هذا التغير في الارتفاع عادةً بالأقدام أو الأمتار. يلزم انخفاض لا يقل عن قدمين (0.61 متر) وإلا فقد لا يكون النظام مجديًا. ^{[ 5 ]} عند حساب الضغط، يجب مراعاة كل من الضغط الإجمالي والضغط الصافي. ^{[ 5 ]} يُقارب الضغط الإجمالي إمكانية الوصول إلى الطاقة من خلال قياس المسافة الرأسية فقط، بينما يُطرح الضغط الصافي من الضغط الإجمالي بعد فقدانه بسبب الاحتكاك في الأنابيب. ^{[ 5 ]} "التدفق" هو ​​الكمية الفعلية للماء المتساقط من موقع ما، ويُقاس عادةً بالغالونات في الدقيقة، أو الأقدام المكعبة في الثانية، أو اللترات في الثانية. ^{[ 6 ]} تتطلب المنشآت ذات التدفق المنخفض والضغط العالي في المناطق شديدة الانحدار تكاليف أنابيب كبيرة. ولتقليل تكاليف الأنابيب، يبدأ أنبوب التوربين الطويل بأنبوب ذي ضغط منخفض في الأعلى، ثم يرتفع الضغط تدريجيًا كلما اقتربنا من التوربين. 

يمكن حساب القدرة المتاحة، بالكيلوواط، من هذا النظام باستخدام المعادلة P = Q * H / k، حيث Q هو معدل التدفق بالغالونات في الدقيقة، وH هو الارتفاع الساكن، وk ثابت يساوي 5310 غالون * قدم/دقيقة * كيلوواط. ^{[ 7 ]} على سبيل المثال، بالنسبة لنظام بتدفق 500 غالون في الدقيقة وارتفاع ساكن 60 قدمًا، فإن أقصى قدرة إنتاجية نظرية هي 5.65  كيلوواط. يُمنع النظام من الوصول إلى كفاءة 100% (أي من الحصول على كامل 5.65  كيلوواط) بسبب عوامل واقعية، مثل: كفاءة التوربين، والاحتكاك في الأنابيب، وتحويل الطاقة الكامنة إلى طاقة حركية. تتراوح كفاءة التوربين عمومًا بين 50 و80%، ويُؤخذ احتكاك الأنابيب في الحسبان باستخدام معادلة هازن-ويليامز . ^{[ 8 ]}

عادةً، يقوم جهاز تحكم آلي بتشغيل صمام مدخل التوربين للحفاظ على سرعة (وتردد) ثابتين عند تغير الحمل على المولد. في نظام متصل بشبكة كهربائية متعددة المصادر، يضمن نظام التحكم في التوربين تدفق الطاقة باستمرار من المولد إلى الشبكة. يجب أن يتوافق تردد التيار المتردد المُوَلَّد مع تردد الشبكة الكهربائية المحلية . في بعض الأنظمة، إذا لم يكن الحمل المفيد على المولد كافيًا، فقد يتم توصيل بنك أحمال تلقائيًا بالمولد لتبديد الطاقة غير المطلوبة؛ ورغم أن هذا يُهدر الطاقة، إلا أنه قد يكون ضروريًا إذا تعذر التحكم في تدفق المياه عبر التوربين.

يعمل المولد الحثي دائمًا بتردد الشبكة بغض النظر عن سرعة دورانه؛ كل ما يلزم هو ضمان تشغيله بواسطة التوربين بسرعة أعلى من السرعة التزامنية لتوليد الطاقة بدلًا من استهلاكها. أما أنواع المولدات الأخرى، فيمكنها استخدام أنظمة التحكم في السرعة لمطابقة التردد.

مع توفر إلكترونيات الطاقة الحديثة، أصبح من الأسهل تشغيل المولد بتردد عشوائي وتغذية خرجه عبر عاكس ينتج خرجًا بتردد الشبكة. تتيح إلكترونيات الطاقة الآن تثبيت تردد مولدات التيار المتردد ذات المغناطيس الدائم التي تنتج تيارًا مترددًا غير مستقر. يُمكّن هذا النهج توربينات المياه منخفضة السرعة/منخفضة الارتفاع من المنافسة؛ إذ يمكنها العمل بالسرعة المثلى لاستخراج الطاقة، ويتم التحكم في تردد الطاقة بواسطة الإلكترونيات بدلًا من المولد.

قد تقوم المنشآت الصغيرة جدًا ( المحطات الكهرومائية الصغيرة )، التي تبلغ قدرتها بضعة كيلوواط أو أقل، بتوليد التيار المباشر وشحن البطاريات لأوقات ذروة الاستخدام.

يمكن استخدام أنواع عديدة من التوربينات المائية في محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة، ويعتمد اختيار النوع المناسب على ارتفاع الماء، وحجم التدفق، وعوامل أخرى مثل توفر خدمات الصيانة المحلية ونقل المعدات إلى الموقع. في المناطق الجبلية حيث قد يتوفر شلال بارتفاع 50 مترًا أو أكثر، يمكن استخدام عجلة بيلتون . أما في المحطات ذات الارتفاع المنخفض، فتُستخدم توربينات فرانسيس أو التوربينات المروحية . وفي المحطات ذات الارتفاع المنخفض جدًا، والتي لا تتجاوز بضعة أمتار، يمكن استخدام التوربينات المروحية في حفرة، أو العجلات المائية، أو براغي أرخميدس. كما يمكن لمحطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة جدًا استخدام مضخات طرد مركزي صناعية تعمل في الاتجاه المعاكس كمحركات رئيسية؛ ورغم أن كفاءتها قد لا تكون عالية ككفاءة المضخات المصممة خصيصًا لهذا الغرض، إلا أن تكلفتها المنخفضة نسبيًا تجعل هذه المشاريع مجدية اقتصاديًا.

في المنشآت ذات الضغط المنخفض، قد تكون تكاليف الصيانة والتشغيل مرتفعة نسبيًا. يحرك نظام الضغط المنخفض كميات أكبر من المياه، وهو أكثر عرضة لتراكم الرواسب على السطح. لهذا السبب، يُفضل استخدام توربين بانكي، المعروف أيضًا باسم توربين أوسبرغر ، وهو عبارة عن عجلة مائية ذاتية التنظيف تعمل بالضغط، في أنظمة الطاقة الكهرومائية الصغيرة ذات الضغط المنخفض. على الرغم من انخفاض كفاءته، إلا أن بنيته البسيطة تجعله أقل تكلفة من التوربينات الأخرى ذات الضغط المنخفض والتي لها نفس السعة. وبما أن الماء يتدفق داخله ثم خارجه، فإنه ينظف نفسه بنفسه، مما يقلل من احتمالية انسداده بالرواسب.

• التوربين اللولبي (لولب أرخميدس العكسي): يستخدم مشروعان لتوليد الطاقة الكهرومائية منخفضة الضغط في إنجلترا، وهما مشروعا سيتل هيدرو وتورز هيدرو، لولب أرخميدس، وهو تصميم آخر مقاوم للحطام. تبلغ كفاءته 85%.
• غورلوف : توربين غورلوف الحلزوني التدفق الحر أو التدفق المقيد مع أو بدون سد، ^{[ 9 ]}
• فرانسيس والتوربينات المروحية. ^{[ 10 ]}
• توربين كابلان : هو توربين عالي التدفق ومنخفض الضغط من نوع المروحة. ويُعدّ توربين VLH ذو القطر الكبير والدوران البطيء والمغناطيس الدائم والتدفق المفتوح المائل، والذي تصل كفاءته إلى 90%، بديلاً لتوربين كابلان التقليدي. ^{[ 11 ]}
• عجلة الماء : تتميز عجلات الماء الهيدروليكية المتقدمة وتوربينات رد الفعل ذات العجلات الهيدروليكية بكفاءة هيدروليكية تصل إلى 67% و85% على التوالي. تبلغ الكفاءة القصوى لعجلة الماء العلوية (الكفاءة الهيدروليكية) 85%. ^{[ 12 ] [ 13 ]} يمكن لعجلات الماء السفلية العمل بضغط منخفض جدًا، ولكن كفاءتها تقل عن 30%. ^{[ 14 ]}
• محطة توليد الطاقة المائية بالدوامات : يتم تحويل جزء من تدفق النهر عند سد أو شلال طبيعي إلى حوض دائري ذي فتحة مركزية في الأسفل، مما يُحدث دوامة. يتحرك دوار بسيط (ومولد متصل به) بفعل الطاقة الحركية. تتراوح كفاءة المحطة من 83% إلى 64% عند ثلث التدفق.

تتميز أنظمة الطاقة الكهرومائية الصغيرة بمرونة عالية، ويمكن نشرها في بيئات متنوعة. وتعتمد هذه الأنظمة على كمية تدفق المياه من المصدر (جدول، نهر، مجرى مائي) وسرعة تدفقها. ويمكن تخزين الطاقة في بطاريات في مواقع بعيدة عن المنشأة، أو استخدامها بالإضافة إلى نظام متصل مباشرة، بحيث يتوفر احتياطي طاقة إضافي في أوقات ذروة الطلب. ويمكن تصميم هذه الأنظمة لتقليل الأثر البيئي والمجتمعي الذي تُسببه عادةً السدود الكبيرة أو غيرها من محطات توليد الطاقة الكهرومائية الضخمة. ^{[ 15 ]}

يمكن أن تتراوح تكلفة محطة الطاقة الكهرومائية الصغيرة بين 1000 و 5000 دولار أمريكي لكل كيلوواط يتم تركيبه.

• محطات الطاقة الكهرومائية الصغيرة حتى 10000  كيلوواط
• طاقة كهرومائية صغيرة تصل إلى 5  كيلوواط
• الطاقة الكهرومائية
• الطاقة المتجددة
• الطاقة المستدامة
• دواليب المياه
• قوة الدوامة
• قوة دوامة الماء بفعل الجاذبية

• بوابة حول الطاقة الكهرومائية الصغيرة
• SMART – استراتيجيات لتعزيز إنتاج الطاقة الكهرومائية على نطاق صغير في أوروبا (مشروع ممول من قبل المفوضية الأوروبية، ويشمل إيطاليا وكرواتيا والنرويج واليونان والنمسا)
• معلومات عن الطاقة الكهرومائية الصغيرة ، طلب التقديم لمزرعة دورادو فيستا
• الرابطة الأوروبية للطاقة الكهرومائية الصغيرة
• جمعية الطاقة الكهرومائية الصغيرة في المملكة المتحدة
• مستكشف الطاقة الكهرومائية ، مختبر أيداهو الوطني للهندسة
• الفائزون بجوائز آشدن للطاقة الكهرومائية
• مثال على نظام جديد للطاقة الكهرومائية الصغيرة في المرتفعات الاسكتلندية
• مشروع طاقة كهرومائية صغير محلي الصنع
• الطاقة الكهرومائية الصغيرة في أفغانستان مع رسومات للمعدات