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百叶窗式透平机在浅滩河流的小水电应用-极好投资机会

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kiwaho
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文章 时间: 2017-6-14 07:53 引用回复
不久前申请了一项发明专利,涉及低水头小水电的清洁能源技术。最近写了一篇英文论文,暂时上传到预印本服务器。现拿出来用中文侃侃,供大家研究参考,欢迎评头品足提意见。

其实原理很简单,仔细研判插图就能搞明白咋回事。

我的前一篇帖子谈船舶百叶窗桨,与此并无多大差别,只是这里用来做水力发电。这跟电机倒过来用就是发电机,其实逻辑上是一个套路。

传统旋转式透平(turbine)已经得到广泛应用,为何我要别出心裁搞复杂的平板式驱动透平?显然,前者的扇叶与水流夹角为锐角,且扇叶之间空隙很大,而我的则垂直,且全部截面受力,因而平板式效率能发挥到极限,且矩形截面更适合于河道。恕我冒昧估计,效率那是扇叶式旋转透平望尘莫及的!

尽管不用百叶窗,直接用整板,理论上也可以,但是体积太庞大,且在河道里翻转90度很麻烦。

用百叶窗叶还有一个好处:透平截面不一定非要严格矩形,理论上可以任意形状。

整个系统类似于在河道上架设自动开关水闸,任意时刻,在截面上的每一处都存在水流推力。

该发明类似于桥式可控硅电子逆变装置,只不过电流换成了水流,将直流水流,逆变成输出连杆的往复式交流运动。百叶窗的翻转触发一部分用高压射流,一部分靠框架的突缘,类比可控硅的控制栅极。

虽然触发翻转要用一点能量,但只要远小于采集到的流水动能,就是合算的。其实叶条只要偏转很小的角度,后续就可借水流作用力,完成90度翻转,因而触发能量的供应只是一霎那。

祖国河流秀美,资源丰富,九曲十八弯的流域遍布大江南北;美洲从南到北,河流小溪像性感的渔网蕾丝一样密布大地,大到世界第一河的亚马逊,小到小村小镇的溪流;中东的尼罗河流域;非洲的刚果河, 等等。

上述这类庞大资源,仅为数不多的地段被筑坝蓄洪发电,绝大部分低水头浅河段,完全没有被水电公司开发利用,如能用上此新能源,善莫大焉!

此系统也可用于风电,这时整个系统应建于可旋转基座上,并配以风向跟踪控制。此时百叶窗也可换成帆布做的小风帆矩阵,并将潜水泵换成空气压缩机。

注意:本发明不适合海洋波浪能,因为这类能源不具备“直流”性,没有上下游的概念,波浪的方向随机而变,而用于定向的潮汐则没问题。

下图是原理图:



Fig. 1: river or stream low head hydro generator


Fig. 2:
从电学里可找到本发明的对映--桥式逆变电路图


喜欢英文阅读的朋友,可以去我科学网博客瞧瞧:创新发明--百叶窗式低水头河流小水电装置

这里再研究它的无可取代的独特应用—浅滩河流的小水电资源开发前景。

浅滩河流真的是小水电领域的鸡肋,弃之可惜,“食之无味”,或者现有技术根本无法发挥作用,例如技术成熟的涡轮透平,若是用在这样的浅滩上,也许扇叶子都没有办法弄湿,谈何发电?

而恰恰这样的浅水系河流,在大部分地区,从资源数量上占绝对优势,尤其是黄泛区,偏远山区也很多。

别管多浅,哪怕深不过腿膝盖,理论上只要流水速度大于1m/s就有可观的小水电开发价值。

也别管多浅,百叶窗透平都可量滩定制,例如下图这样的河滩,调整各单元帘片的长度即可:


Fig. 3

让我们先摸清低水头的水电潜在功率有多大,或者说先学会如何评估水资源的能源价值。

其实撇过复杂的流体力学,从易懂的电学理论就可以推导出对应的水能公式。

电功率P = 电流x电压,显然低压状态要想输出大功率,就必须大电流。

将电流换成水流照样管用,即:水功率 = 水流量x水压降,统一使用国际单位:水流量m^3/s,水压 Pa,也就是 N/m^2功率瓦特W。至少从量纲上看是没问题的。

同理,低水头要有利用价值,必然要求很大的水流量。河浅不是问题,只要河面宽,流量必然大,照样能修高等级水电站。

对于特定浅水滩,水流量在短期内基本是恒定的。但普通人测量水流量是很困难的,最容易测的是水的流速:丢片树叶在水面就可估计得八九不离十;而水道切断面的面积,一般既易测,又基本稳定。

拿到这两个易测的数据,则可算出流量 = 流速x截面积。

最后一个决定额定功率的参数就是压降了。

因玩的就是低水头,压根没指望该参数有多大,甚至1mm(毫米)的落差也不可小觑,不信算给你看:根据常识,10米水头,等价于1个大气压,也即10000mm–〉10^5 Pa,或10^4 Pa/m,所以1mm –〉10Pa,也即1毫米的水头,能在1平方米的面积产生10牛顿的压力。

因为本系统不需要筑坝,水头的极限高度,实际上取决于水流能在百叶窗的挡板上“怼”出多大的高度。显然流速越大,可怼出的高度越大。示意图如下:


Fig. 4

图中V是上游水流速度,V2是垂直挡板被水流推动的速度。

当发电输出回路断开时,系统运行在空载状态,此时水流推板不费丁点力气,V2 = V,即挡板随波逐流,水头几乎为零。

当负载加重时,水流推板就会费劲,V2 < V, 此时就会在右侧怼出高差Δh

根据伯努利方程,Δh = (V – V2)^2/(2g)g为重力加速度9.8m/s^2,为方便起见,近似为10m/s^2

当负载重得几乎带不动时,可得极限水头V^2/(2g)

所以极限功率 = V*S* V^2/(2g)*10^4 = 500SV^3S为河道截面积。

超过极限载荷后,挡板完全静止,此时相当于堤坝了,而上游水源仍在不停流过来,板右侧水位将不停持续增长。这显然是本应用应该避免出现的过载问题。

可见本系统在额定载荷内具有自动负载峰谷调节能力。

实际评估时,可考虑用功率密度参数,即单位面积百叶窗,最大可以输出功率。根据前面算出的结果,功率密度 = 500V^3,也即与水流速度成立方关系。

有了这个经验公式,泥腿子农民老粗大哥,随手捡一片树叶扔到小溪水面,靠读秒加估计就能知道水流速度,继而心算出村里的水资源,到底能搞多大的小水电,顶一个土专家!

能将深奥的科技,写成老少咸宜或老妪能解的村头墙报,这才是真正的科普。我要是做得不够,希望大家直言批判。

至此,现在心里有谱了:若水流速度1m/s,水头相当于50mm,每平米百叶窗最多可产生500瓦的功率;若流速加倍到2m/s,水头约20cm,乖乖呀,每平米4000瓦!

回味一下奇贵无比的太阳能光伏电池板,每平米撑死了也就100瓦的输出功率。而流速0.58m/s的慢速浅水滩,就可相当于光伏的能量密度了,更何况在同等能密下,百叶窗式透平机成本远低于光伏板。你要放着家门口的浅滩流水不用,岂不亏大了?

好了,来瞧瞧某些地区很常见的例子:

假设黄泛区有个400米宽,0.5米深的浅滩流水,水面实测流速2m/s,试问百叶窗式透平驱动的小水电,可以给附近多少户居民带来福音?

假定河道的90%可以被百叶窗透平利用,每户月均用电300度。

最大装机容量 = 500*(2^3)*400*0.5*90% = 720,000W = 720kW

每户日均用电 = 300/30 = 10kwh,平均功率 = 10/24 = 0.42kW

所以理论上可解决用电的总户数 = 720/0.42 = 1714户!

考虑用户用电的峰谷性,总户数还要打个折扣,就算1000户吧。

没想到吧,这么个水深刚过膝盖的浅水滩,竟能造福千家!而这样的水资源在全中国何其多也,而现有水电技术对此资源都一愁莫展,只好白白浪费了。

一旦此技术推广开来,很多大型水电站,其实都可以用分布式低水头百叶窗式小水电系统取代。

例如三峡大坝的水头高达113米,如果不用该坝,在长江沿岸各地,安装高效的低水头系统,或许更经济、更方便、更可靠,至少长途电力输送的线损能省下不少。按每站20cm低水头计算,只需113/0.2 = 565个这样的小站,就等价于那个三峡大坝。

激流浅滩资源一瞥:

多好的小水电资源啊,可惜因技术原因暂时未能受到重视。





转载本文请联系原作者获取授权,同时请注明本文来自魏焱明科学网博客。
链接地址:blog.sciencenet.cn/blo...57922.html


 
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好吧,姑且以支持原创的理由加个精以资鼓励吧,尽管这并不代表对文中技术的认同。

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kiwaho
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文章 时间: 2017-6-14 11:47 引用回复
逸立 写道:
好吧,姑且以支持原创的理由加个精以资鼓励吧,尽管这并不代表对文中技术的认同。

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谢谢斑竹大力支持,成功了邀您喝靓汤!
 
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文章 时间: 2017-6-14 12:00 引用回复
逸立 写道:
好吧,姑且以支持原创的理由加个精以资鼓励吧,尽管这并不代表对文中技术的认同。

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晕,暴汗,我怎么感觉楼主就是以前那个“牛奶桶哥”的升级版。。。

内什么,我也给本版的常驻水军 王焰同学申请个精华吧,人家贴了好几次真人照片,小伙子长得还挺精神的哩。
 
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文章 时间: 2017-6-14 12:20 引用回复
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晕,暴汗,我怎么感觉楼主就是以前那个“牛奶桶哥”的升级版。。。

内什么,我也给本版的常驻水军 王焰同学申请个精华吧,人家贴了好几次真人照片,小伙子长得还挺精神的哩。

那不行。那会导致我付出生命代价······
 
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文章 时间: 2017-6-14 12:23 引用回复
kiwaho 写道:
谢谢斑竹大力支持,成功了邀您喝靓汤!

先说说,汤里都有啥佐料?
 
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文章 时间: 2017-6-14 12:25 引用回复
逸立 写道:
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晕,暴汗,我怎么感觉楼主就是以前那个“牛奶桶哥”的升级版。。。

内什么,我也给本版的常驻水军 王焰同学申请个精华吧,人家贴了好几次真人照片,小伙子长得还挺精神的哩。

那不行。那会导致我付出生命代价······


开玩笑呢,老汉别生气哟
 
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逸立
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文章 时间: 2017-6-14 12:26 引用回复
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开玩笑呢,老汉别生气哟

没有。我比较怕死。因为深知他们的强大·······
 
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