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創新發明--百葉窗式低水頭淺灘河流小水電係統

(2017-10-20 06:12:00) 下一個

不久前申請了一項發明專利,涉及低水頭小水電的清潔能源技術。最近寫了一篇英文論文,暫時上傳到預印本服務器,現用中文詳細介紹其原理以及應用展望,供大家研究參考,歡迎評頭品足提意見。

其實原理很簡單,仔細研判插圖就能搞明白咋回事。

傳統旋轉式透平已經得到廣泛應用,為何我要別出心裁搞複雜的平板式驅動透平?顯然,前者的扇葉與水流夾角為銳角,且扇葉之間空隙很大,而我的則垂直,且全部截麵受力,因而平板式效率能發揮到極限,且矩形截麵更適合於河道。效率遠遠高出扇葉式旋轉透平機,幾乎直達頂格的100%。

盡管不用百葉窗,直接用整板,理論上也可以,但是體積太龐大,且在河道裏翻轉90度很麻煩。

用百葉窗葉還有一個好處:透平截麵不一定非要嚴格矩形,理論上可以任意形狀。

整個係統類似於在河道上架設自動開關水閘,任意時刻,在截麵上的每一處都存在水流推力。

該發明類似於橋式可控矽電子逆變裝置,隻不過電流換成了水流,將直流水流,逆變成輸出連杆的往複式交流運動。百葉窗的翻轉觸發一部分用高壓射流,一部分靠框架的突緣,類比可控矽的控製柵極。

雖然觸發翻轉要用一點能量,但隻要遠小於采集到的流水動能,就是合算的。其實葉條隻要偏轉很小的角度,後續就可借水流作用力,完成90度翻轉,因而觸發能量的供應隻是一霎那。

祖國河流秀美,資源豐富,九曲十八彎的流域遍布大江南北,如能用上此新能源,善莫大焉!歡迎洽談合作轉讓事宜。

此係統也可用於風電,這時整個係統應建於可旋轉基座上,並配以風向跟蹤控製。

注意:本發明不適合海洋波浪能,因為這類能源不具備“直流”性,沒有上下遊的概念,波浪的方向隨機而變,而用於定向的潮汐則沒問題。

下圖原本在文中,為方便閱讀,特提前到此。

Fig. 1 river or stream low head hydro generator

從電學裏可找到本發明的對映--橋式逆變電路圖

下圖為工作原理的動畫演示:

傳統水輪透平機的效率與在水體的布署配置有關,歸根結底它適應高水頭。再好的水電開發方案,沒有5米以上的水頭,水電開發商不會正眼瞧一下。

幾種典型布署的效率對比如下:

顯然對於低水頭應用,選擇水輪機無異於趕鴨子上架

正因為目前唯一可選的都是旋轉式透平機,從而形成了這樣的應用局麵:世界河流資源眾多,而水電站寥寥無幾,且都得修水庫大壩,依賴人工拉高水頭。而為數多達99%以上的普通低水頭河流,其蘊藏的巨大清潔能源白白閑置

水庫的興建雖然提高了能源效率和密度,但是巨大的基建費用傷透腦筋,甚至要通過發行國債來籌集;另一方麵,高成本導致水電布局必然稀疏,變電輸電距離一般需成百上千公裏,這無疑再度增加能源成本;最後長期被忽略的方麵:水庫所在地的天然地址狀態被破壞,地下應力可以達到觸發地震的風險!如三峽工程就是如此。

 

百葉窗平板透平機的獨特應用—淺灘河流小水電資源開發

淺灘河流真的是小水電領域的雞肋,棄之可惜,“食之無味”,或者現有技術根本無法發揮作用,例如技術成熟的渦輪透平,若是用在這樣的淺灘上,也許扇葉子都沒有辦法弄濕,談何發電?

而恰恰這樣的淺水係河流,在大部分地區,從資源數量上占絕對優勢,尤其是黃泛區,偏遠山區也很多。

別管多淺,哪怕深不過腿膝蓋,理論上隻要流水速度大於1m/s就有可觀的小水電開發價值。

也別管多淺,百葉窗透平都可量灘定製,例如下圖這樣的河灘,調整各單元簾片的長度即可:

river-coss-section.png

讓我們先摸清低水頭的水電潛在功率有多大,或者說先學會如何評估水資源的能源價值。

其實撇過複雜的流體力學,從易懂的電學理論就可以推導出對應的水能公式。

電功率P = 電流x電壓,顯然低壓狀態要想輸出大功率,就必須大電流。

將電流換成水流照樣管用,即:水功率 = 水流量x水壓降,統一使用國際單位:水流量m3/s,水壓 Pa,也就是 N/m2功率瓦特W。至少從量綱上看是沒問題的。

同理,低水頭要有利用價值,必然要求很大的水流量。河淺不是問題,隻要河麵寬,流量必然大,照樣能修高等級水電站。

對於特定淺水灘,水流量在短期內基本是恒定的。但普通人測量水流量是很困難的,最容易測的是水的流速:丟片樹葉在水麵就可估計得八九不離十;而水道切斷麵的麵積,一般既易測,又基本穩定。

拿到這兩個易測的數據,則可算出流量 = 流速x截麵積。

最後一個決定額定功率的參數就是壓降了。

因玩的就是低水頭,壓根沒指望該參數有多大,甚至1mm(毫米)的落差也不可小覷,不信算給你看:根據常識,10米水頭,等價於1個大氣壓,也即10000mm–〉105Pa,或104Pa/m,所以1mm –〉10Pa,也即1毫米的水頭,能在1平方米的麵積產生10牛頓的壓力。

因為本係統不需要築壩,水頭的極限高度,實際上取決於水流能在百葉窗的擋板上“懟”出多大的高度。顯然流速越大,可懟出的高度越大。示意圖如下:

圖中V是上遊水流速度,V2是垂直擋板被水流推動的速度。

當發電輸出回路斷開時,係統運行在空載狀態,此時水流推板不費丁點力氣,V2 = V,即擋板隨波逐流,水頭幾乎為零。

當負載加重時,水流推板就會費勁,V2 < V, 此時就會在右側懟出高差Δh

根據伯努利方程,Δh = (V – V2)2/(2g)g為重力加速度9.8m/s2,為方便起見,近似為10m/s2

當負載重得幾乎帶不動時,可得極限水頭V2/(2g)

所以極限功率 = V*S* V2/(2g)*10= 500SV3S為河道截麵積。

超過極限載荷後,擋板完全靜止,此時相當於堤壩了,而上遊水源仍在不停流過來,板右側水位將不停持續增長。這顯然是本應用應該避免出現的過載問題。

可見本係統在額定載荷內具有自動負載峰穀調節能力。

實際評估時,可考慮用功率密度參數,即單位麵積百葉窗,最大可以輸出功率。根據前麵算出的結果,功率密度 = 500V3,也即與水流速度成立方關係。

有了這個經驗公式,泥腿子農民老粗大哥,隨手撿一片樹葉扔到小溪水麵,靠讀秒加估計就能知道水流速度,繼而心算出村裏的水資源,到底能搞多大的小水電,頂一個土專家!

能將深奧的科技,寫成老少鹹宜或老嫗能解的村頭牆報,這才是真正的科普。我要是做得不夠,希望大家直言批判。

至此,現在心裏有譜了:若水流速度1m/s,水頭相當於50mm,每平米百葉窗最多可產生500瓦的功率;若流速加倍到2m/s,水頭約20cm,乖乖呀,每平米4000瓦!

回味一下奇貴無比的太陽能光伏電池板,每平米撐死了也就100瓦的輸出功率。而流速0.58m/s的慢速淺水灘,就可相當於光伏的能量密度了,更何況在同等能密下,百葉窗式透平機成本遠低於光伏板。你要放著家門口的淺灘流水不用,豈不虧大了?

好了,來瞧瞧某些地區很常見的例子:

假設黃泛區有個400米寬,0.5米深的淺灘流水,水麵實測流速2m/s,試問百葉窗式透平驅動的小水電,可以給附近多少戶居民帶來福音?

假定河道的90%可以被百葉窗透平利用,每戶月均用電300度。

最大裝機容量 = 500*23*400*0.5*90% = 720,000W = 720kW

每戶日均用電 = 300/30 = 10kwh,平均功率 = 10/24 = 0.42kW

所以理論上可解決用電的總戶數 = 720/0.42 = 1714戶!

考慮用戶用電的峰穀性,總戶數還要打個折扣,就算1000戶吧。

沒想到吧,這麽個水深剛過膝蓋的淺水灘,竟能造福千家!而這樣的水資源在全中國何其多也,而現有水電技術對此資源都一愁莫展,隻好白白浪費了。

一旦此技術推廣開來,很多大型水電站,其實都可以用分布式低水頭百葉窗式小水電係統取代。

例如三峽大壩的水頭高達113米,如果不用該壩,在長江沿岸各地,安裝高效的低水頭係統,或許更經濟、更方便、更可靠,至少長途電力輸送的線損能省下不少。按每站20cm低水頭計算,隻需113/0.2 = 565個這樣的小站,就等價於那個三峽大壩。

 

激流淺灘資源一瞥:

多好的小水電資源啊,可惜因技術原因暫時未能受到重視。

 

參考文獻:

1、Shutter-Like Fluid Driven Motor and Tide Power Harvest System, YanmingWei,DOI: 10.13140/RG.2.2.28522.72648,http://vixra.org/pdf/1705.0030v1.pdf

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