mini|desno|300px|Smještaj Hidroelektrane Jaruga ispod Skradinskog buka. mini|desno|300px|Mala hidroelektrana Ozalj, na rijeci Kupi, u Ozlju. mini|desno|300px|Mala hidroelektrana Roški slap. mini|desno|300px|Mikro hidroelektrana u sjeverozapadnom Vijetnamu.
Male hidroelektrane su postrojenja u kojima se potencijalna energija vode (transformirana energija sunčeva zračenja) najprije pretvara u kinetičku energiju njezinog strujanja (u statoru turbine), a potom u mehaničku energiju (u rotoru turbine) vrtnje vratila turbine te, konačno, u električnu energiju u generatoru. Svjetski energetski trend posljednjih godina je sve veći iskorak ka obnovljivim izvorima energije. Za male hidroelektrane se smatra da nemaju nikakav štetan utjecaj na okoliš, za razliku od velikih čija se štetnost opisuje kroz velike promjene ekosustava (gradnja velikih brana), utjecaji na tlo, poplavljivanje, utjecaji na slatkovodni živi svijet, povećana emisija metana i postojanje štetnih emisija u čitavom životnom ciklusu hidroelektrane koje su uglavnom vezane za period izgradnje elektrane, proizvodnje materijala i transport. Velike količine vode u cjevovodima pitke vode same se nameću kao potencijalni izvor energije. S obzirom na to da je protok kroz cjevovod postoji kod vodocrpilišta, posebno na dijelu cjevovoda oko izvorišta, vodosprema i crpilišta, gdje se tok vode kroz cijevi uglavnom postiže samom gravitacijskom silom, postavljanje turbine i pripadnih električnih generatora su zahvati koji ne ugrožavaju dobavu pitke vode, a istovremeno proizvode električnu energiju. Danas se za tehnologiju vezanu za hidroenergiju, koja se smatra obnovljivim izvorom energije, može reći da je tehnički najpoznatija i najrazvijenija na svjetskoj razini, s iznimno visokim stupnjem učinkovitosti. 22% svjetske proizvodnje električne energije dolazi iz malih i velikih hidroelektrana.
Pojam male hidroelektrane se može promatrati s različitih točaka gledišta i razlikuje se od zemlje do zemlje, zavisno o njezinom standardu, hidrološkim, meteorološkim, topografskim i morfološkim karakteristikama lokacije, te o stupnju tehnološkog razvoja i ekonomskom standardu zemlje. Razlika između hidroelektrana i malih hidroelektrana je u instaliranoj snazi. Granična snaga koja dijeli hidroelektrane na male hidroelektrane razlikuje se od zemlje do zemlje. Neke zemlje poput Portugala, Španjolske, Irske, Grčke i Belgije su prihvatila 10 MW kao gornju granicu instalirane snage za male hidroelektrane. U Italiji je granica 3 MW, u Švedskoj 1.5 MW, u Francuskoj 8 MW, u Indiji 15 MW, u Kini 25 MW. Međutim u Europi se sve više prihvaća kapacitet od 10 MW instalirane snage kao gornja granica i tu granicu je podržala Europska udruga malih hidroelektrana (ESHA), te Europska komisija. Prema postojećim propisima u Hrvatskoj, mala hidroelektrana, određena je kao postrojenje za iskorištavanje energije vodotokova s izlaznom električnom snagom od 10 kW do 10MW. Male hidroelektrane se često dalje kategoriziraju u male, mini i micro hidroelektrane.
Male hidroelektrane predstavljaju kombinaciju prednosti proizvodnje električne energije iz energije hidropotencijala i decentralizirane proizvodnje električne energije, dok istovremeno ne pokazuju negativan utjecaj na okoliš kao velike hidroelektrane.
U usporedbi s velikim navedene su samo neke od prednosti malih hidroelektrana su sljedeće:
gotovo da nemaju nedostataka nema troška distribucije električne energije nema negativnog utjecaja na ekosustav kao kod velikih hidroelektrana jeftino održavanje
U Republici Hrvatskoj trenutno je u pogonu 18 hidroelektrana (izvor: "MAHE: program izgradnje malih hidroelektrana: prethodni rezultati i buduće aktivnosti", 1998.).
Dijelovi male hidroelektrane
Sustav (male) hidroelektrane se sastoji od svih objekata i dijelova koji služe za skupljanje, dovođenje i odvođenje vode, za pretvaranje mehaničke u električnu energiju, za transformaciju i razvod el. energije. Razlikuju se sljedeći karakteristični dijelovi hidroelektrane: brana ili pregrada, zahvat, dovod, vodna komora, tlačni cjevovod, strojarnica (turbina, generator, ...) i odvod vode. Prema tipu hidroelektrane mogu neki od dijelova potpuno izostati, a u drugim slučajevima može isti dio preuzeti više funkcija.
mini|desno|300px|Princip sustava male hidroelektrane
Brane ili pregrade imaju višestruku namjenu tj. služe za skretanje vode s njezinoga prirodnog toka prema zahvatu hidroelektrane, povišenje razine vode radi postizanja boljeg pada i ostvarivanje akumulacije.
Zahvat vodu zaustavljenu pregradom prima i upućuje prema hidroelektrani. Postoje dva tipa zahvata, zahvat na površini i zahvat ispod površine.
Dovod spaja zahvat s vodnom komorom. Može biti izgrađen kao kanal ili tunel. Tunel može biti izgrađen kao tlačni ili gravitacijski, hidroelektrane s tlačnim tunelom su puno elastičnije u pogonu jer mogu bez ikakvih djelovanja slijediti promjene opterećenja. Tlačni privod služi za vođenje vode iz vodne komore do turbine. Najćešće se izrađuju od čelika, a za manje padove i od betona. Gravitacijski privod ima slobodno vodno lice. Profil je uglavnom trapeznog oblika. Izvodi se u kanalima i rovovima čija se konstrukcija izvodi tako da se postignu najmanji hidraulički gubici.
Vodna komora se nalazi na kraju dovoda. Dimenzioniranje vodne komore ima velik utjecaj na pravilno funkcioniranje hedroelektrane.
U strojarnici se nalaze generatori zajedno s turbinama. Hidrogeneratori se rade pretežno u vertikalnoj izvedbi zbog ekonomičnije izvedbe hidrauličkog dijela elektrane. Hidrogeneratori s horizontalnom osovinom susreću se u postrojenjima manje snage ili kad dvije Pelton ili Francis turbine pogone jedan generator.
Na ulazu u tlačni cjevovod se nalazi zaporni uređaj koji ima sigurnosnu ulogu. On automatski sprječava daljni dotok vode u cjevovod ako pukne cijev. Postavljanje zapornih uređaja na dnu tlačnog cjevovoda ovisi o broju turbina koje su spojene na jedan cjevovod.
Vodne turbine
Vodna turbina je pogonski stroj u kojem se potencijalna energija vode pretvara u kinetičku energiju, a zatim promjenom količine gibanja u radnom kolu, u mehaničku energiju vrtnje.
Vratilo turbinskog radnog kola spojeno je u pravilu s generatorom u kojem se mehanička energija vrtnje pretvara u električnu energiju. S obzirom na način pretvorbe energije odnosno prema promjeni tlaka vode pri strujanju kroz radno kolo, vodne turbine dijele se na: pretlačne (reakcijske) i turbine slobodnog mlaza (akcijske, impulsne turbine).
Pretlačne turbine Pretlačnim turbinama nazivaju se vodne turbine u kojima je tlak na ulazu u rotor veći od onoga na njegovom izlazu. U pretlačnim se turbinama dio potencijalne energije transformira u kinetičku energiju u statoru, a dio u rotoru. Zakretanje radnog kola uzrokuje promjena količine gibanja i reaktivne sile (razlika tlaka, Coriolisova sila i dr.)
U pretlačne turbine spadaju Francisova (konstruirao amerikanac Francis 1849.), Kaplanova (konstruirao Čeh Kaplan 1913.), Propelerna (Kaplanova s nepomičnim rotorskim lopaticama) i Deriazova (konstruirao švicarac Deriaz 1952.) turbina.
Turbine slobodnog mlaza U turbinama slobodnog mlaza je tlak na ulazu u rotor jednak tlaku na njegovom izlazu, jer se sva potencijalna energija transformira u kinetičku energiju vode u statoru (sapnici) turbine. Zakretna sila nastaje samo na temelju promjene količine gibanja zbog skretanja mlaza u radnom kolu.
Turbine slobodnog mlaza su Pelton (konstruirao amerikanac Pelton 1878.), Turgo (varijacija Peltonove turbine, ali je projektirana da ima veću specifičnu brzinu) i Banki-Michell turbina (za velike vodene tokove i manje padove od Peltonove turbine, izvodi se s horizontalnom osovinom).
Izvedbe malih hidroelektrana
Da bi se hidroelektrana smatrala malom hidroelektranom, s ciljem zaštite okoliša, pod samim pojmom se kategoriziraju energetski objekti koji iskorištavaju hidropotencijal, a istovremeno imaju sljedeća svojstva:
karakterizira ih protočni rad ili iznimno mala akumulacija (minimiziran utjecaj na vodotok) paralelan rad s mrežom i ugradnja asinkronih generatora kod objekata s instaliranom snagom manjom od 100 kW nema gradnje trafostanice već se predviđa izvedba transformatora na stupu postrojenje se sastoji od brane (niskog preljevnog praga), dovodnog kanala i/ili cjevovoda, zgrade strojarnice i odvodnog kanala preljevni prag služi samo zato da uspori vodotok prije ulaska u dovodni kanal umjesto niskog preljevnog kanala može se upotrijebiti tzv. tirolski zahvat dovodni kanal zatvorenog tipa predviđen je samo za vođenje zahvaćene vode po strmim obroncima i većim dijelom je ukopan (može biti i potpuno ukopan) dovodni kanal otvorenog tipa predviđen je za veće količine vode i u pravilu se nalazi na manje strmim terenima tlačni cjevovod treba biti što manjih dimenzija i predviđen je da vodu najkraćim putem dovede do strojarnice zgrada strojarnice je što manjih gabarita i operacija je u potpunosti automatizirana odvodni kanal je otvoren i kratak i njime se voda vraća iz strojarnice u vodotok (ova voda je gotovo redovito jako obogaćena kisikom, tako da se ribe rado zadržavaju u ovom području)
Ako se pri kategorizaciji i projektiranju malih hidroelektrana drži ovih načela utjecaji na okoliš su svedeni na minimum.
Niskotlačne MHE sa strojarnicom na dnu brane
Male hidroelektrane si ne mogu priuštiti gradnju velikih rezervoara ili akomulacija da se koriste zalihama vode kada je to najpogodnije. Cijena izgradnje relativno velike brane bi bila preskupa i ekonomski neisplativa. Ali ako je akomulacija već izgrađena za druge svrhe, kao što su zaštita od poplave, navodnjavanje, prikupljanje vode za velike gradove, rekreacijska područja ili slično, moguće je proizvoditi električnu energiju koristeći postojeći odvod ili prirodni tok rezervoara (akomulacije).
Niskotlačne MHE sa sifonskim dovodom U slučaju da brana nije previsoka može su ugraditi sifonski dovod. Integralni sifonski dovod omogućuje elegantnu izvedbu postrojenja, najčešće do visine 10 m i za postrojenje do 1000 kW, iako postoje postrojenja sa sifonskim dovodom s instaliranom snagom do 11 MW (Švedska) i visine do 35.5 m (SAD).
MHE integrirane unutar kanala za navodnjavanje
Postoje dvije izvedbe malih hidroelektrana koje koriste kanal za navodnjavanje:
1. Ako je kanal dovaljno velik za smještaj zahvata, strojernice, odvoda i bočnog obilaza za vodu. Da bi osigurali opskrbu vode za natapanje, izvedba mora sadržavati bočni obilaz u slučaju gašenja turbine. Ovakva izvedba zahtijeva projektiranje istovremeno kada i projetiranje kanala za natapanje, jer bi ugrađivanje u kanal koji je već u funkciji mogla biti vrlo skupa opcija.
2. Ako kanal već postoji, pogodna opcija prikazana je na slici. Kanal bi trebao neznatno povećati za smještaj zahvata i preljeva. Da se širina zahvata reducira na minimum, treba ugraditi izduženi preljev. Od zahvata se voda kroz tlačni cjevovod dovodi do turbine, a zatim se kroz kratki ispust vraća u kanal. Uglavnom u kanalima nema migracije riba pa su prolazi za ribe nepotrebni.
MHE ugrađena u vodoopskrbi sustav
Voda za piće se isporučuje u grad transportom vode iz povišenog rezervoara kroz cjevovod pod pritiskom. Uobičajeno, u takvim vrstama instalacije disipacija energije na nižem kraju cjevovoda, na ulasku u postrojenje za pročišćavanje vode, se ublažava korištenjem specijalnih ventila.