創新發明--百葉窗式低水頭淺灘河流小水電係統

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：

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)*10⁴ = 500SV³，S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