我们现在所用的电能,大部分都来自于火力或水力发电,但是 在我们城市的下面,还存在着一股未被开发的强大力量。
其实, 在城市的供水系统管道中,每天都有大量的高压水流经过,其中大部分高压会被减压阀中和掉,那么我们有没有可能将这部分高压,重新利用起来呢?那时也许我们每冲一次马桶,都会产生一些格外的能量。
早在公元前202年至880年,从汉朝开始我们已经开始利用,水轮驱动的铁锤,来剥落谷物的外壳,或是敲碎坚硬的矿石。
几千年前,古希腊人也曾利用水轮进行劳作。
直到19世纪,现代化的水轮机终于被制造了出来,从那时起 ,我们就已经可以利用水的力量,来生产清洁能源了。
到2020年,水力发电占可再生能源消耗的60%,可是水力发电的潜力却不仅于此。
我们的城市用水和农业用水,大部分都来自水库,为了保障供应 ,它们的速度和压力都很高,在进入家庭或企业之前,为了保障管道和设备安全,自来水厂又必须将速度和压力降下来,常规的解决方案 就是安装减压阀。
虽然它们可以将水中的压力释放,但也损失了一大部分能量。
如果将它们转化为电能,再回收到电网中,是不是就可以创造出新的清洁可再生能源了呢?那么,该如何实现呢?这是输水管道的一部分,一部分水会被引到减压阀中释放能量,这套能量回收系统的构造并不复杂,它包括了涡轮发电机 ,传感器,处理器 ,电子控制和通信系统。
那么 它们是如何工作的呢?通常 水处理控制系统会从传感器上,获取压力和速度等数据,工作人员会根据这些信息来控制减压阀,能量回收系统与减压阀并联,这样 ,水流不仅可以带动内部的涡轮机旋转,还可以保障它们以正确的压力回到主管道。
涡轮机与发电机相连,所产生的电能就可以回流入电网,相比于太阳能,它的好处之一就是可以全天24小时不间断发电,而且 ,完全可以用涡轮取代减压阀。
其次 ,它的结构简单 ,高效 ,可靠,而且可以利用现有的基础设施进行改造,所有的这些,对环境都不会造成负面影响。
这套系统除了可以应用在饮用水输送,还可以应用在废水处理设施和原水转移设施等等,涡轮机产生的电能,不仅可以为水处理设施供电,多余的部分可以直接并入电网,造福他人。
世界上 ,已经有很多家公司开始研发能源回收水力发电系统,这些涡轮机可以在500加仑/min-30000加仑/min的流量下,产生电能。
这样的灵活性,足以让它应用在很多场合。
比如 ,公共用水 ,农业, 隧道甚至是运河。
对于一些流速相对稳定的场合,“发电涡轮”可以产生5kw-350kw的电能,支持500加仑-9000加仑的流速。
也有一种专门应用在低流速场合的涡轮,它们最大可以产生300w电能,可以为水泵监控设备 ,照明设备,和任何24v直流电下运行的设备提供电能。
所产生的多余电能也都会被储存起来。
例如 ,在美国俄勒冈州,一家公司面临的问题是,在这家工厂的附近,并没有多余的电力。
如果连接到电网 ,成本又太高了,它们现在使用的是太阳能为设备供电,但是受天气的影响太大。
美国的一家公司为他们提出了两种解决方案,一种是线控流量系统,可以产生30kw-350kw的电能。
另一种则是可持续能源监测系统,它可以被做成可插拔的形式,能够产生5kw-30kw的电能,这两套设备的设计使用年限为40年,运行维护成本也很低,这一切 让它们成为了一种耐用而可靠的能量回收解决方案。
而且 ,它还可以产生额外的收入。
例如 ,在加拿大的哈利法克斯,就安装了一套价值50万美元的电力回收系统,这也是加拿大第一个利用输水管道发电的城市,自使用以来,这套31kw的涡轮发电设备,已经产生了22.5万kwh的电能,以及大约每年3w美元的收入。
在美国的宾夕法尼亚州,当地政府安装一套年发电量大约为250mwh的设备,这样它们每年可以节省4w美元的电费。
一家波特兰的公司,也很好地运用了水电回收技术,利用这套设备,每年可以产生20万千瓦时的电力,足够为一座0.36平方公里的度假村,提供照明和汽车充电所需要的电能,整个工程的总预算为51万美元,预计在4-5年内将收回全部成本。
用电成本 也会降到3-5美分/kwh,每年将减少二氧化碳排放553吨。
关于视频开头提到的马桶发电,也并不是空穴来风。
有一家公司,成功制造出管道式涡轮机,它适用于有限空间以及可变流量,这套设备的大小大概有100厘米,可以产生10kwh的电能,它的特点是可以在可变水流下运行,用最低的流量,实现最高的效率转化。
它的体积很小,可以跟马桶一起安装,用每次冲水的能量进行发电,当然 ,所产生的电能并不是很多,但也是科学技术和理念上的进步。
2006年,加州能源委员会估计,全州大概有225兆瓦未开发的管道水利发电资源,如果这部分资源得到利用,将会大大降低加州的电价。
科罗拉多州农业部的一项研究表明,全州大概有30兆瓦的管道水利发电潜能,而这只是农业灌溉的维度。
这项技术有很大的发展空间,因为它可以通过抵消能源消耗,来降低运营成本。
以美国为例,自来水公司的能源消耗占城市能源消耗的30%-40%,这些消耗主要来自于水泵,所以为什么不安装能源回收涡轮机,来利用这些废弃的能源呢?在某些某些情况下,剩余的电力还可以出售给电网,节能和可再生能源也不再是对立关系。