从期权投资角度分析城市分布式微水电的现状和在中国的发展前景.doc

从期权投资角度分析分布式城市微水电现状和在中国的发展前景 摘要本文来源于目前热门的清洁能源课题，探讨除了太阳能，风能，生物能源和核能之外，如何在传统的水能领域寻找新的能源利用方式：分布式微水电是在城市水管网络和水利设施领域中开发水能资源的新兴方向。分布式微水电可以有效利用城市水利设施中的多余水头进行发电，从而建立分布式发电电源，减少输配电成本，降低碳排放并促进水资源高效利用。本文主要利用数据和工程实例来阐述城市分布式微水电的原理，应用和经济效益，从而证明其作为一种有效清洁能源的积极意义。本文着重应用和具体工程分析，对技术在现实生活中的应用和记录略有侧重，理论计算的利用亦主要为支撑主体服务。分布式微水电发电技术可以提供电力公用事业系统容量大投资的替代品。本文应用一种简化的方法来决定推迟采用分布式发电的电力公司的产能投资的价值。代价是经济，技术因素的影响以及分布式发电价格的不确定性。分析表明，产能投资的期权价值可以仅通过七个经济参数和单日分布式发电输出和实用系统数据来准确估计。通过提出城市分布式微水电的概念，希望开发被忽视的清洁能源增长点；通过分析分布式微水电相较于风能光伏的优势，支持城市分布式微水电在现阶段更适合中国国情和长远发展。关键词：微水电，分布式发电，电力市场，期权，污水处理厂，水资源，轮机AbstractThe thesis originates from clean energy trends and discussion, exploring the opportunities beyond solar, wind and nuclear energy and establishes the concept of Pico Hydro Power Systems. It illustrates how to harvest energy from city water pipes and gravity fed water infrastructure derived from traditional hydropower theories.Micro-hydro power generation targets using the extra water head pressure fromurban water conservancy facilities and pipe networkas energy source to accomplish electricity generation. By following such approach, Pico Hydro can bring benefits including lowering transmission and distribution costs, reducing carbon dioxide footprint and promote the efficient use of water resources that is previously wasted. This thesis utilizes historical data and actual project report to demonstrate principles, applications and economic benefits of Pico Hydro. In essence, the thesis focuses on the application andspecific engineering analysis under realistic working conditions and contains theoretical calculations that are mainly used to support such purpose.Distributed hydro power generation technologies offer electric utilities an alternative to large system capacity investments. This paper presents a simplified method to determine the value of deferring electric utility capacity investments using distributed generation. Consideration is given to both economic and technical factors, including uncertainty in the price of distributed generation. Analysis indicates that the cost savings associated with deferring capacity investments can be accurately estimated using only seven economic parameters and one days worth of distributed generation output and utility system data.Upon analyzing the utilization of Pico Hydro Power, the thesis intends to develop the clean energy area that have been so far neglected; throughout the analysis,the advantages of PicoHydro are highlighted comparing to wind powerand photovoltaic. In the end,it is emphasized that Pico Hydro Power is more suitable for Chinas current renewable energy situations and long-term development.Keywords:Pico-hydro, Distributed generation, Power Market, Options, Sewage Treatment Plants, Hydro Turbine目录TU1.背景：美国可再生能源发电发展现状与管道水发电可行性分析UT6TU1.1全球2012电力能源消耗及预期UT6TU1.2水力发电概述UT8TU2. PicoHydroUT10TU2.1 Pyco Hydro（分布式微水电）概念与选址UT12TU2.2 开放水体选址UT13TU2.3 管道水压发电选址UT18TU2.4 小结UT19TU3. 轮机技术种类及特点UT19TU3.1水轮机概念和分类UT19TU3.1.1反击式水轮机UT20TU3.1.2冲击式水轮机UT22TU3.1.3 双击式水轮机UT23TU3.2 开放水体发电和管道水压发电设计与案例分析UT25TU3.2.1 HYDROVOLTSUPU5UPU:UT25TU3.2.2 Lucid能源UPU6UTP28TU3.2.3 水泵水轮机UT29TU4. 分布式微水电市场和商业模型UT32TU4.1背景UT32TU4.2美国清洁能源政策UT33TU5. 美国水力发电发展现状和展望UT36TU5.1宏观政策UT36TU5.2开发和建设UT36TU5.3财政支持和现状UT39TU5.4 Rentricity*和宾夕法尼亚水库项目UT40TU5.4.1 水压管理UT40TU5.4.2 改造条件便利UT42TU5.4.3工程分析UT43TU5.4.4 设计方案和运行UT47TU6.分布式微水电在中国UT51TU6.1分布式微水电是一种值得因地制宜开发的能源形式UPU9UTP51TU6.2 廉价分布式微水电UPU10UTP52TU6.2.1.分布式微水电系统成本组成UT53TU6.2.2.系统评价UT54TU6.2.3中国分布式微水电的条件UPU10UTP56TU6.3 在中国实施分布式微水电与大规模集中送电的市场经济性分析UPU111516UTP59TU6.3.2 经济性评估UT59TU6.3.2 分布式微水电成本缩减期望UT62TU6.3.3 分布式分布式微水电成本不确定性UT64TU7. 智能分布式微水电UT65TU7.总结UT67TU8.附录.UT68TU参考文献UT71TU文章UT74TU致谢UT740B1.背景：美国可再生能源发电发展现状与管道水发电可行性分析12B1.1全球2012电力能源消耗及预期根据IEA的统计显示，1990到2008年间全球人口增长了27%而同时人均能源消耗量增长了10%。地区能源消耗全部呈现增长：中东地区增长170%，中国146%，印度91%，非洲和拉丁美洲增幅都接近70%，美国增幅为20%，欧盟7%。全球能源消耗量增幅达到39%P12P（见表1）。地区能源消耗量（kWh/capita & TW）和增幅1990-2008（%）表1（数据来源：IEA/OECD,PopulationOECD/世界银行）化石燃料的使用仍然占据能源经济的首要位置，根据世界银行的数据，2008年至2012年间，各国化石燃料消费占全部能源消费的比例从60.4%至67.1%不等（图1）大量的化石燃料使用导致环境污染成为一个不可忽视的问题，近年世界范围内的多次大范围的自然灾害事件，具有代表性的2008年五月中国汶川地震，2011年三月日本海啸，美国东海岸十月下旬的桑迪台风都被认为可能是由于全球气候恶化所导致的大规模反常气候灾害，并造成了不可估量的经济和社会损失。图1P3各国政府和机构都积极寻求可持续能源代替化石燃料的可行性，争取在化石燃料耗尽之前，或者更早：在化石燃料造成的环境污染对社会发展和文明进步造成毁灭性打击之前，找到高效，清洁，可持续的能源。清洁能源目前主要包括太阳能，风能，生物能，潮汐能，地热，水力和核电。2010年，全球约19%的电力能源来自于清洁能源，其中16%来自于传统水力发电，剩余3%来自于其它形式，大体分布如下图2所示：图2随着可再生能源技术与市场的发展成熟，清洁能源发电处在快速发展的轨道：2011年，全球清洁能源发电增长率为17.7%，相对2010年增速略有放缓但仍旧连续九年保持双位数的增幅。清洁能源是迄今为止发电总量增幅最大的能源，其129TWh的增长量占据全球发电总量增长的20%，同时占据全球能源增长总量的十分之一。13B1.2水力发电概述在飞速增长的清洁能源架构中，传统水力一直是占比重最大并且是相对最可靠的能源种类。太阳能与风能不稳定的特点与高昂的建造维护成本一直制约着这两种能源的发展，其经济效益很大程度上依赖于政府的高额补贴于税收减免，后续章节会深入探讨。传统水力发电具有相当长的历史和相对稳定的电力供应，技术壁垒低，易于建造和维护。全世界150个国家具有完整的建造和利用水力发电的能力及设施，2010年亚太地区输出全球水力发电的32%，中国更是世界上最大的水力发电国家，2010年发电量达到721TWh，占据所有发电量的17%。全世界目前拥有三座装机总量超过10GW的水电站，分别是：中国的三峡水电站，巴西的ITAIPU大坝和委内瑞拉的GURI大坝。下表显示了全球水电发电量前十位的国家在2012年的水电建造和运营成本相对较低，也是其竞争力的重要来源。10MW以上的水电站平均成本为3-5美分每千瓦。水电同时也是一种适应性非常强的能源形式，随着下游电能需求的变化，水电站可以迅速改变闸门流量来达到适应负荷的目的。水电不产生任何温室气体，不会成为直接污染源。表2显示了2012年全球装机容量和水力发电占总发电量百分比的排名：表2P3表3显示了1971至2009年世界水力发电规模的走势。表3P3传统水电的不足之处同样很明显，对生态环境的影响：大型水电站的建设会淹没相当大片的区域从而形成上游水库，因此会破坏原本生态环境丰富的河岸及森林系统；大型水库还会对上游和下游河流的生态造成负面影响，轮机对鱼群的通过性以及洄游都造成阻碍；通过轮机的水流通常含有非常少的沙土颗粒，进而造成下游河床和河岸的流失；大坝上下游的水流温差甚至会造成大量水生生物的死亡，使水体营养成分降低甚至最终导致河流干涸。1B2. PicoHydro小型水电已存在很长时间，国际上通常将发电量低于100kW的水电机组成为微水电(MicroHydro)。微水电是对传统大型水电站的一种补充，同时也具备其自身的特点。20世纪，微水电的发展也同样迅速：1924年瑞士境内同时存在超过7000微水电站；1970至1985年间中国有将近76,000座微水电站。微水电对于不方便普及输电线的偏远城镇居民以及电网饱和/改造昂贵的城市负荷具有积极的意义：分布式微水电发电量在100kW以下，足以满足十户左右的民宅或者单栋办公楼日常用电。在分布式微水电的基础上，一个新概念PicoHydro的出现更加细分了微水电的市场，其概念并不统一，在本文中倾向于将PicoHydro定义为发电量为于5kW35kW的水电能源，通常用于给照明，盥洗等非必须电气设备供电，从而减少电网负担，输电损耗和用电成本。PicoHydro，尤其在发展中国家，有相当明确的市场，原因如下：1. 即使在电网覆盖面相当普及的地区，小型偏远社区也会面临着电力供应不足的困境，因为此类社区对电力的需求非常小，使得电网公司没有兴趣为这些地处偏远的用户花费时间和成本送电；2. PicoHydro所需要的水力资源比较容易获得，通常只需要1-1.5米的水头落差即可满足发电要求；3. 设备紧凑，建造步骤简单，适合在人迹罕至的地区或者空间有限的城市选址；4. 设备供应和组装本土化，可带动本地经济和就业增长；5. 负荷配置简单，管理方便；6. 优化设计的PicoHydro工程相对太阳能，风能发电成本更低，效率更高，即使相对于廉价的柴油发电其使用寿命期间的成本也具备足够的竞争力。PicoHydro的概念符合分布式发电的趋势，可以让用户亲身参与到选址，设计，建造和收益。14B2.1 Pyco Hydro（分布式微水电）概念与选址大多数微水电项目利用溪流，山泉等自然水体的自然落差发电，是否可以在城市和缺乏自然水体的条件下发展微水电是一个值得探讨的课题。本文重点研究如何利用现存管道富余水压进行PicoHydro和微水电发电：概念，技术创新性，可行性分析以及市场前景。为方便讨论，以下将PicoHydro和传统微水电两个层次上的开发统称为微水电。通过市场调查和实例分析，微水电发电的适用范围为5100kW。微水电的结构与传统水电没有本质上的不同，同样是通过水头发电，其概念为通过 用自然水头或将自然水体引至轮机进行发电，如图3所示图3.水力发电的理论公式为：理论马力HP水头FEETX流量CFS8.8（2.1）理论发电量kW=水头FEETX流量CFS11.81（2.2）FEET:英尺；CFS:立方英尺每秒微水电主要将应用在城市水网中，将轮机安置在水网管道中，由于水管水头受各种人为增压/降压控制，因此要对以上公式进行修改，使用管道水头(PSI)进行计算：HEAD=PSI/0.43理论发电量kW=PSI0.43XCFS11.81=PSI*CFS5.078（2.3）理论发电量kW=PSI*CFS5.078*效率%（2.4）从公式2.4可以看出，水头发电取决于两个因素：水头和流量。在城市水网中，此两种变量都具有可预测并且富余的特点，使得水头发电成为可能。下面以美国纽约市污水处理厂和宾州水库为例集中探讨在城市水网中进行水头发电的前景。15B2.2 开放水体选址首先研究在开放水头设施中的水头发电，主要对象是纽约市污水处理厂。下图是纽约市水处理厂分布图及容量：图4纽约市共有废水处理厂14处，负责收集，沉降，净化排放污水并最终排入自然水体。正常情况下，每日（无暴雨），纽约市要为全市900万人口输送13亿加仑的日用水，所有日用水都将通过超过6000英里的水管网络，135，000口排水井和494处日用水汇集口输送到这14处污水处理厂。在所考察过的其中6个污水处理厂中，WardsIsland和OwlsHead污水处理厂比较具有代表性。WardsIsland（沃兹岛）废水处理厂（图5）-沃兹岛污水处理厂位于曼哈顿岛临近新泽西的河岸上，1937年投入使用。图5沃兹岛污水处理厂平均每天处理2亿加仑废水，夜间大约1.3亿加仑，雨季则超过5亿加仑。在其排水区，有两条相对的排水渠（图6），每条被隔断成为八条独立泄水口，这16条泄水口承担排放所有净化后污水的任务。图6经过实地测量，每条泄水口与下方水面约有5英尺的高度，考虑到泄水口本身水流的深度，平均水头约3英尺。利用公式1.3，可以估计泄水口的发电潜能：发电潜能=3*371.62/11.81*60%=56kW（假设水轮机效率为60%）根据实地记录的污水厂的用电数据：距电力接入点距离100英尺最大负荷/最小荷174kVA/58kVA电压/电流480V;三相四线制；800A可以看出，如果可以在泄水口进行水头发电，可以近似满足该污水处理厂夜间用电，即使该厂处于用电峰值状态，也可以减少三分之一的购电需求。OwlsHead废水处理厂（图7）-OwlsHead废水处理厂1952年投入使用，位于纽约布鲁克林区南端。图7OwlsHead污水处理厂平均每天处理9000万加仑废水，夜间大约5000万加仑，雨季则超过2.5亿加仑。其水头高度平均约6英尺，根据公式1.3可以得出发电潜能为6*371.62/11.81*60%=112kW（假设水轮机效率为60%）。图8供电需求为峰值负荷198kVA，最小负荷54kVA，接入电压480V,三相四线制，设计电流800A。同样，如果可以按照以上估算在水流进入河道之前发电，同样有充足的能源可以利用。16B2.3 管道水压发电选址宾夕法尼亚水库是美国自来水在宾州匹兹堡附近的一处枢纽，每日流量在5200万加仑到5400万加仑之间。厂区内的两处蓄水池泄水管道约有21PSI的压强，经过初步考察，其发电潜能在20kW到33kW之间，可以满足水库本地负荷的满载运行（宾夕法尼亚水库项目目前已竣工，在工程章节将详细讨论）。图917B2.4 小结综上所述，微水电的特点和评估与自然水体发电并无太大不同，但是微水电相对于自然河流、溪流发电具备建造/维护成本低，流量/水头受自然气候影响程度小而且可预期，产生电力方便为本地负荷就地取用等优点，同时在产生电力大于本地负荷的情况下，还可以回馈电网，也可以考虑向电网反向售电。2B3. 轮机技术种类及特点微水电在具备多种优势的同时，也存在其局限性：1. 建造微水电需要协调现有管道/建筑结构，在不影响现有结构的情况下进行发电，因此在空间不足或较复杂的地点要求更多的实地定制；2. 并非所有电力部门都允许反馈电力回电网，因此在工程规划时需要考量以选择合适的发电量并充分评估，使投入产出最优化。3. 建造微水电需要最小程度的影响环境。专门用于在上述局限条件下发电的水力发电轮机今年来不断涌现，各自具有其独特的设计和特点，可以应用于不同的发电场合。通过展示和比较水轮机的工作原理和新兴设计，可以加深对微水电的设计和评估精度。18B3.1水轮机概念和分类水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，它属于流体机械中的透平机械。早在公元前100年前后，中国就出现了水轮机的雏形水轮，用于提灌和驱动粮食加工器械。现代水轮机则大多数安装在水电站内，用来驱动发电机发电。在水电站中，上游水库中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。作完功的水则通过尾水管道排向下游。水头越高、流量越大，水轮机的输出功率也就越大。水轮作为工业发电设备已有近千年历史，早期的水轮通常对流量和水头有较高的要求，而且通常容量较大。工业水轮向现代轮机的转变发生在工业革命时期，大概经历了100年左右，引进了新材料和制造工艺的水轮机具备了向小规模发电的能力。水轮机是一种传统机械，按照其运行原理的区别分为两类：反击式轮机和冲击式轮机。29B3.1.1反击式水轮机反击式水轮机是利用水流的压力和动能来做功，其特点是在水下工作，并且水流方向平行于轮机主轴。下图的长江三峡混流式轮机就是反击式水轮机。图10长江三峡大坝混流式水轮机反击式水轮机按水流通过转轮叶片方向不同分为混流式、轴流式、斜流式、贯流式。A. 混流式水轮机混流式水轮机水流沿径向进入转轮然后沿轴向自转轮流出的水轮机。适用水头一般为20700m，适用水头范围广，结构简单，运行可靠，应用最为广泛。中国制造的最大混流式水轮机安装在青海省龙羊峡水电站,水轮机容量32.65万kW。中国混流式水轮机的最高使用水头为318m，安装在四川省渔子溪一级水电站，水轮机额定出力为4.15万kW。B. 轴流式水轮机水流进、出转轮沿轴向流动的水轮机。轴流式水轮机的转轮没有转环，叶片形如螺旋桨，又可分为转桨式和定桨式。定桨式水轮机的叶片固定，常用于单机容量不大和水头变化幅度不大的电站，适用水头一般为370m。转桨式水轮机桨叶可以转动并与导水叶的开度相配合。其平均效率比混流式水轮机高，运行稳定,缺点是结构复杂,适用水头一般为380m。中国葛洲坝水利枢纽转轮直径11.3m水轮机是世界上最大尺寸的轴流转桨式水轮机，出力为17.55万kW。陕西省石门水电站的水轮机最大水头77m，是中国水头最高的转桨式水轮机。C. 斜流式水轮机水流经转轮叶片时倾向于轴线某一方向的水轮机。其叶片可转动，在结构和特性方面介于混流式和轴流式水轮机之间，适用水头一般为40120m，比轴流式水轮机的适用水头高，比混流式水轮机的平均效率高，对水头、负荷变化的适应性好。缺点是制造工艺复杂，造价高，小型电站不宜采用。中国在1969年制成第一台斜流式水轮机，容量为8800kW。北京市密云水电站抽水蓄能机组水轮机设计出力1.3万kW，是中国最大容量的斜流式水轮机。D. 贯流式水轮机流道呈直线状的卧轴水轮机，分为定桨式和转桨式两种。其转轮与轴流式水轮机相似,但效率和过流量比轴流式水轮机大,适用水头一般为320m，是开发低水头和潮汐水力资源的新型水轮机。按发电机的布置方式分为全贯流式和半贯流式两种。半贯流式又分为竖井式、轴伸式和灯泡式,其中以灯泡式水轮机应用最广泛。中国的贯流式水轮机自20世纪70年代才开始发展，最大单机容量的灯泡式水轮机为1万kW,而用于潮汐发电的灯泡式水轮机单机容量最大为700kW，安装在温岭县江厦潮汐电站,该机具有双向发电，双向泄水的功能。30B3.1.2冲击式水轮机冲击式水轮机是利用高速水流冲击叶片或水斗来做功。按冲击方式不同有切击式、斜击式、双击式。冲击式水轮机利用水头的高速动能推动叶片旋转产生电能，水流方向与轮机主轴垂直，工作过程中水压不变，主要是动能传递。切击式水轮机又称水斗式水轮机，是最接近原始水轮的轮机种类；斜击式水轮机与切击式基本相同，其特点是水流与转轮进水平面呈22.525角射入，利用水流的动能来作功，喷嘴中心布置成与转轮进水边平面呈22.525度角，通过喷针调节流量来改变机组负荷的大小。该型水轮机结构简单，安装使用维护方便。图11是一台冲击式水轮机的转轮叶片。图1131B3.1.3 双击式水轮机双击式水轮机就其原理来讲,他是介于反击式水轮机和冲击式水轮机之间(因水流在第一次流过叶片时是有压流动)。水流通过引水管从喷咀流出后,从转轮外周通过径向叶片进入转轮中心,完成第一次能量交换后(约占总转换能量的70%),再从转轮中心通过径向叶片流出转轮,完成第二次能量交换。由于其能量转换的最终步骤仍然是冲击式，这里仍将其归入冲击式水轮机。并非所有水轮机都可以运用于任何水利条件下，事实上不同的水轮机在不同水头，流量条件下的表现有很大差别，通常来说，反击式水轮机主要应用于低水头，高流量发电，而冲击式水轮机则可以在高水头，低流量的条件下具备发电能力。图12是经典水轮机应用范围图谱，根据此图可以大致看出上述各类轮机的适用范围：图12 经电水轮机运行条件P4PeltonTurbines:切击式水轮机；TurgoTurbines:斜击式水轮机；CrossflowTurbines:横流式水轮机P*KaplanTurbines:轴流式水轮机；FrancisTurbines:混流式水轮机.*冲击式，特点是主轴较长，其上放置多组切击式或斜击式轮机叶片微水电的概念出现以后，尤其在管道水压发电领域，出现了比较新颖的轮机设计，专门为管道水压发电而设计：首先管道水压发电不具备自然水体或开放水渠的空间条件，往往位于地下或者局限结构内，从而对设备的体积和安装有很高的要求；其二适合管道水压发电的节点往往是输水网络的重要枢纽，安装过程必须在很短时间内完成以便及时恢复供水，对施工效率和简易程度的要求也相对较高。第三，透明化运行。微水电是存在于现存输水管道中的配套设施，其先决条件是不影响现有设施的正常运作，称为“透明化”，大致包括不影响输水正常运行和不影响水质的要求。为满足以上三点限制，今年来逐渐有多项传统和新兴的轮机技术进入实用和商业领域，从表现来看，微水电在逐渐从一个构想向可靠，安全，环保和盈利方向转变。19B3.2 开放水体发电和管道水压发电设计与案例分析32B3.2.1 HYDROVOLTSP5P:HYDROVOLTS是一家新兴的专门从事开发分布式微水电的能源公司，其代表产品是开放式轮机WF-10-15，专门用于在水处理厂泄水渠发电，其设计如下图13/14所示。1.水平面探测器2.导水通道3.永磁发电机4.皮带传送系统5.节流阀6.喷水口系统7.轮机叶片1.轮机转子2.永磁发电机3.皮带传送机4.齿轮5.支架图13 WF-10-15 针对泄水渠设计图14 C-13 针对河道和水渠设计案例分析：WF-10-15，果园港水处理中心，西雅图，15kW，三相 240V果园港水处理中心位于西雅图圣克莱尔入海口处，经考察，其泄水口是相当理想的分布式微水电地址，其深度为2.1米，有效水头约1.9米，日平均流量约180万加仑，峰值时段为500万加仑：1. 水处理中心完全处于人工环境下，可以规避许多在自然条件下必需的审批；2. 泄水口空间富裕，便于施工；3. 轮机发电可以直接本地消耗，用于消减当地电费成本；4. 果园港水处理厂向当地大约15000用户供水，日平均流量约180万加仑。WF水轮机的设计理念是尽量多的将水流引入导水通道，推动通道底部的轮机进行发电。当入水口完全打开时，轮机只会接受其设计流量，多余水流将会被动从入水口两侧流下。在未来的设计中会将轮机模块化，根据不同的水流程度嵌入第二轮机从而更有效的利用能源。测试中，轮机可以提供240V的三相电，供水处理厂内部使用。下图展示了施工和完成图：图15 WF10-15水轮机及施工图示33B3.2.2 Lucid能源P6Lucid提供了一种专供管道水发电的新型轮机，其设计充分考虑了管道水压发展的特点和局限性，其特点是将轮机和管道打包结合，如下图所示，从而避免了改建现有管道结构的步骤，同时其独特的轮机结构进一步提高了效率和可靠性。图16为LUCID水轮机的构造。LUCID椭圆轮机可以归类为冲击式水轮机，其设计简单，轻便，并可以有效防图16 椭圆轮机止气穴效应，消除对轮机叶片的腐蚀。此轮机对水流具有很高的通过性，其对下游水压的影响大约在16PSI之间，如图17所示，可以在管道中置入多个轮机串联发电而不妨碍输水网络正常运行。感应发电机垂直安装于轮机顶部，整套设备的安装可以在8小时内完成。预计在24英寸到96英寸范围内的输水管道上安装此轮机，发电量可以达到100kW。图17 串联椭圆发电机LUCID椭圆轮机目前还处在实验阶段，暂未投入商业化生产，但其独特的设计和高度针对性的目标市场使得其在分布式微水电领域具有相当大的潜力。34B3.2.3 水泵水轮机水泵水轮机是转轮正向旋转时作为水轮机使用，反向旋转时作为水泵使用的可逆式水力机械。是抽水蓄能电站的动力设备。水泵水轮机是20世纪30年代出现的新型抽水蓄能机组，与水轮机和水泵串联的蓄能机组相比，其重量大为减轻，造价降低，因而得到广泛应用。水泵水轮机与反击式水轮机的适用水头范围基本一致。其通流部件的几何形状与水轮机有所不同，但是主要部件和结构在许多方面是相仿的。同时水泵水轮机多由正常水泵改造而来，其尺寸和结构都比较适合管道水发电。工程案例分析：2011年3月，宾夕法尼亚水库，277/480V，25kW本项目由滨州环保部投建，承建公司为RENTRICITYINC.（资料见附件）宾夕法尼亚水库是典型的利用水泵水轮机在现有输水管道中发电并成功实现改造的范例。其选址位于滨州匹兹堡市郊的宾夕法尼亚水库，其拥有两座蓄水库，Oneida蓄水和ThornRun蓄水库，每日输水流量保持在520万加仑到540万加仑之间，其中约90%来自Oneida蓄水库。从两处蓄水库各有一条24英寸直径的输水管道在总控大楼汇集，由此进入汇集井并向匹兹堡城区供水（详细图纸见附录2）。在管道结合处有位于降压室，供检修人员工作，结合处的闸门也位于窟内用于控制流量。初始工程设计是在现存降压室附近建造新降压室和排布管道，将水泵轮机代替现存闸门安装在主输水管道上，在主输水管道平行方向上建造分流支路并在新分流支路和原THORNRUN支路上安装闸门以便控制各自流量。为保证水泵轮机在大部分时间内可以运行在高效率工况下，流量和压强的稳定是先决条件。图18 改造示意图是初始设计中的水路图和简要运行流程，蓝色箭头表示在理想工况下，水流会通过两条之路汇聚到主路驱动水泵轮机发电；在出现不满足运行条件的情况时，比如流量峰值，波谷时段，检修时段或水轮机/发电机故障，红色箭头代表水流将通过分流之路进入汇集井，从而不影响水库的正常工作。图19是新建的检修室外观：图19 检修室外观图20 降压室内部及水泵水轮机在第五章市场章节，将详细介绍本项目设计细节和运行描述，并将以此项目为例分析分布式微水电对分布式发电和降低碳排放的贡献，同时分析其商业模型，运行方式和经济前景。以上是三种具有代表性的新兴分布式微水电解决方案，每种方案都有其独特的应用领域：水泵轮机适用于高水头及局部改建；HYDROVOLT适用于开放水渠和低水头，大流量构造；LUCID椭圆轮机则专注于大规模改造中的主输水管道整体置换。3B4. 分布式微水电市场和商业模型进入2013年，清洁能源在世界范围内进程持续加速，美国作为能源经济和能源消耗的领跑者，可持续能源正在影响其社会生产，消费甚至思维方式。这种革命式的新能源普及现象将改变整个社会的能源构成并在长远规划中改变碳排放总量和挽救每况愈下的气候恶化。分析美国在上一个五年的能源战略和转变，可以宏观把握2013年后的能源经济走势，从而建立分布式微水电的商业模型，分析其市场前景和重要性。20B4.1背景2007年到2012年，美国总能源消耗降低了6.4%，大部分由于能源利用效率的提高而导致；清洁能源使用大幅上升，2012年，27%的能源来自于天然气，9.4%来自于清洁能源（包括水电）；发电能源方面，低碳能源消耗量显著上升，2012年天然气发电厂发电量已占据全美发电量的31%，比2007年上升了9个百分点；清洁能源发电在上一个五年间也增加了将近4%（8.3%至12.1%），其总容量，包括太阳能，地热，风能和水力发电，在2012年增长了17GW.P7美国总体能源消费的下降并不意味着电力消费的降低，相反，在1991至2001年间，各类能源总消费只增长了0.7%，而电力消费增长率却达到总增长率的两倍（1.5%）。非电力消费能源的下降主要来自于2005年以来机动车燃料效率的提高和更高效的建筑供热系统，极大的保持了天然气资源价格的稳定。电力领域，全美天然气火电厂发电量在2012年提高了31%，同期清洁能源发电所占比例也从8.3%增长到了12.1%。近年来清洁能源主导的大型项目迅速增多。随着逐渐下降的成本投入和联邦政府，州政府的大力扶持，清洁能源的发展进入到了一个全新的阶段。除了飞速增长的风能（13.2GW）和太阳能（3.2GW）容量，分布式水力能源作为传统清洁能源经济的一个不可或缺的部分，也更加深入的与电网结合并帮助其整合各类分布电源。21B4.2美国清洁能源政策过去五年，联邦级别的免税积点和其它激励项目及成本控制，极大的刺激了清洁能源的发展。见下表4：政策解读适用能源种类有效期限投资抵税积点计划(ITC)投资额花费的30%可免税太阳能，燃料电池，小型风能2017年前启动可获得30%税收补助（之后为10%）风能，生物能，低能，小水电，潮汐发电2013年结束投资额花费的10%可免税地热无过期热电联产2016年到期产能抵税积点计划(PTC)10年期产能税收补贴（$22/MWh）风能，闭环生物能，地热，太阳能必须在2013年底前开始建设10年期产能税收补贴（$11/MWh）开环生物能，潮汐发电和小水电必须在2013年底前开始建设MACRS（快速成本回复系统）允许清洁能源设备/硬件加速折旧（风能，太阳能折旧周期为5年，生物能为7年）所有能源种类2011年底，100%折旧率到期；2013年底，50%折旧率到期；MACRS无到期年限。表4 美国清洁能源激励政策上表列出的各类免税激励给清洁能源发电提供了关键的竞争性，同时也意味着任何一项免税机制的到期都将产生不利的影响：成本上升，项目放缓，雇员流失等等。举例来说，当2012年低产能补贴计划（PTC）面临过期时，风能发电商紧急加快工程建设速度以便在截止日到来前获得补贴。鉴于此，2013年1月1日，议院将补贴时限延长一年并放宽资格门槛：只要在期限之前进入建造的工程都可以申请补贴。然而，此类政府补贴的共同点是其受益者大多是缴税较多的商业用户，而大部分清洁能源开发商并不具有同等规模，相反较大比例是新兴公司和团体。因此，此类清洁能源项目更较多的依赖外界投资者（比如银行）的投入资金，并给予投资者清洁能源发电所获得的税收信用作为补偿。2008年经济危机使大量投资者失去信心，导致资金量大大减少，投资清洁能源项目的积极性受到重创，为避免清洁能源项目全面停滞，名为“全美恢复和二次投资法案”诞生，允许开发商临时用税收信用提取现金。此法案同时在能源部建立特殊借贷项目，保证向清洁能源机构和经营者提供161亿美元贷款。这些法案和贷款的建立，支持清洁能源发电低潮期。过去五年，联邦政府对清洁能源的支持虽然有很大波动，但州政府对清洁能源的支持愈来愈趋于稳定。超过29个州有专门针对清洁能源适用范围的清洁能源组合标准，强制每年有定量的用电来自于清洁能源。事实上，这类法规所起的作用也是相当显著，绝大部分州所制定的清洁能源计划都按照计划超前或准时完成，如下表所示（来自布隆伯格新能源财经解析）：地域清洁能源架构代表州供求平衡概述加州地区加州大型电网公司已签署足够清洁发电合约保证2020年达到发电目标（部分合约容量可能会延期）。宾夕法尼亚地区伊利诺伊，马里兰，新泽西，俄亥俄，宾夕法尼亚这两个地区在2010-2020年中段即可达到清洁能源发电目标。中西部爱荷华，明尼苏达，蒙大拿新英格兰康捏提格，马赛诸塞，缅因，新罕布什尔预算紧张，整体清洁能源发电供应略显不足。纽约大都会地区纽约目前供应仍不足，需要更多的清洁能源合约来完成2015年的目标。德州地区德克萨斯12GW风能发电已达到长线目标（2015年达到10GW）美西地区科罗拉多，内华达，俄勒冈，怀俄明本地区有足够容量达到短线目标表5 美国清洁能源发展概况4B5. 美国水力发电发展现状和展望22B5.1宏观政策水力发电的基本激励政策就是提供30%税收减免的ITC（投资缴税积点）。2013年底前开工建设的水力发电设施都可以申请此项积点，比最初制定的时限延长了一年。开发商也可以使用每MWh补贴11美元的产能缴税积点（PTC）不是ITC。在各个州的层面上，大部分清洁能源组合标准都将“小水电”纳入适用范围，因此分布式微水电作为“小水电”的一个细分类具备了充分的公共支持和发展条件。23B5.2开发和建设传统水力发电作为美国境内第二大非化石燃料类能源（占总发电量7%，落后于核能的19%），上一个十年的发展相对受限，发展速度大幅放慢，多数是由于自然水体中的水电开发已进入瓶颈，环保署（DEP）已大力收紧开发自然水资源的工程申报。图21 美国传统水力发电装机容量增长曲线P82012年水力发电启动容量为19MW,与同年总量79GW（若计及蓄能水电站即为101GW）相比增长率仅为0.024%。今年来水力发电的增长点主要在小型水电（100MW）领域。与其它清洁能源项目不同的是，水力能源的增长是分散和持续的，因此没有机构能够提供一份完整的报告来清晰的表现水力发电年装机容量的走势。图22所示的水力发电年装机容量来自联邦能源规划局（FERC），也仅统计了2009年以来的数据P7P。同时，FERC的数据不包括联邦政府投资的项目。所以，水力发电总装机量有可能被低估。图22 2009年2012年水力发电装机容量虽然新装机容量近年来未有大幅跃升，2009年来开发商还是成功从FERC获得了730MW的装机许可，可预计在不久的将来水力发电会有相对大幅度的提升。图23 FERC水力发电新批准工程容量P724B5.3财政支持和现状全美水力发电相对于其它清洁能源部门来说发展速度比较缓慢，20082011年总计只收到了19亿美金的政府资助。财政资助的匮乏主要是由于优质项目本身的匮乏，而不是由于资金的短缺。寻找资源投入和回报期望之间的平衡导致了很多项目最终趋于流产，但是好的水力发电项目获得足够的资金投入并非很难。水力发电项目的经济性很大程度上取决于工程选址的当地条件，包括水资源的取得和持续性，工程启动成本和设备成本。五个大型水利项目公布了其2008-2012年的建设成本，其范围大约在$300,0000/MW到$634,0000/MW之间，平均成本约$457,0000/MW。与大型水电项目基本都是在州级层面与公用输配电系统合作不同，世界范围的小水电项目大多由独立发电机构担任领导者和组成。因此，小型水力发电项目具有相对的灵活性，对电网是一种弹性的补充。25B5.4 Rentricity*和宾夕法尼亚水库项目第二章分析的宾夕法尼亚水库系统是由Rentricity公司设计，美国水利公司出资的分布式微水电项目，属于宾夕法尼亚州ITC清洁能源激励项目的一部分。本章重点分析同类城市供水管道水压发电项目的背景及其商业模型。宾夕法尼亚水库是比较典型的城市蓄水水库，利用重力从人工蓄水池向城市中心供水，简称重力供水网。在蓄水库进行分布式微水电项目开发有如下考虑： 35B5.4.1 水压管理水压管理逐渐成为水管网络中一个不可忽视的问题，以美国的情况而论，由于其基础设施投入运营时间很久，供水管网往往具有几十甚至上百年历史。图24所示是位于纽约州首付阿尔巴尼的1885年建成投入使用至今的蓄水池阀门和阀门室：图24而最早使用铸铁管道进行供水的费城仍在使用其200年前埋设的6英寸供水管道。于此同时，由于水的使用量连年递增，水库无法通过减少流量来调节水压，老式的降压阀设计无法有效减少过高的供水水压。全美民用用户水压分布在20PSI到80PSI之间，而正常用水需求只需要50到60PSI的标准水压；近年来由于节能减排的发展趋势，降低用户端水压已经成为最行之有效且成本低廉的节能方式。降压管理的有利之处在于： 降低渗透率：每年美国家庭每户漏水平均量为10,000加仑，几乎可以装满一个标准游泳池；每年全美家庭漏水总量可超过100,0000,0000加仑，几乎与洛杉矶，芝加哥，迈阿密三座城市总用水量持平。而如此严重的渗漏水现象与供水水压高于需求水压有密切关系。 避免夜间水压过高； 防止水管破裂：每年各州市政府都要投入上百万美元用于修补输水管道爆裂，此现象在冬天尤其明显，调节水压对降低水管爆裂发生率有促进作用，从而减少水资源流失。 减少管道材料，建设成本：水压降低后可采用更轻型和承压负荷较低的管道材料，从而减少材料和运输成本。 当前的管道水压调节主要依靠调压阀来实现，多余的能量消耗在多级降压阀中而不能得到循环利用，分布式微水电的出现将降压管理带入了一个新的阶段，在调节水压的同时产生电力。36B5.4.2 改造条件便利调压阀是蓄水水库供水管道必需设备，种类各异，其往往安装于水路汇集处，因此进行分布