[kiwaho]

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。現拿出來用中文侃侃，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。

我的前一篇帖子談船舶百葉窗槳，與此並無多大差別，只是這裡用來做水力發電。這跟電機倒過來用就是發電機，其實邏輯上是一個套路。

傳統旋轉式透平（turbine）已經得到廣泛應用，為何我要別出心裁搞復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，且全部截面受力，因而平板式效率能發揮到極限，且矩形截面更適合於河道。恕我冒昧估計，效率那是扇葉式旋轉透平望塵莫及的！

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，且在河道裡翻轉90度很麻煩。

用百葉窗葉還有一個好處：透平截面不一定非要嚴格矩形，理論上可以任意形狀。

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

該發明類似於橋式可控硅電子逆變裝置，只不過電流換成了水流，將直流水流，逆變成輸出連杆的往復式交流運動。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，類比可控硅的控制柵極。

雖然觸發翻轉要用一點能量，但只要遠小於采集到的流水動能，就是合算的。其實葉條只要偏轉很小的角度，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只是一霎那。

祖國河流秀美，資源豐富，九曲十八彎的流域遍布大江南北；美洲從南到北，河流小溪像性感的漁網蕾絲一樣密布大地，大到世界第一河的亞馬遜，小到小村小鎮的溪流；中東的尼羅河流域；非洲的剛果河， 等等。

上述這類龐大資源，僅為數不多的地段被築壩蓄洪發電，絕大部分低水頭淺河段，完全沒有被水電公司開發利用，如能用上此新能源，善莫大焉！

此系統也可用於風電，這時整個系統應建於可旋轉基座上，並配以風向跟蹤控制。此時百葉窗也可換成帆布做的小風帆矩陣，並將潛水泵換成空氣壓縮機。

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，沒有上下游的概念，波浪的方向隨機而變，而用於定向的潮汐則沒問題。

下圖是原理圖：


Fig. 1： river or stream low head hydro generator


Fig. 2: 從電學裡可找到本發明的對映--橋式逆變電路圖


喜歡英文閱讀的朋友，可以去我科學網博客瞧瞧：創新發明--百葉窗式低水頭河流小水電裝置。

這裡再研究它的無可取代的獨特應用—淺灘河流的小水電資源開發前景。

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？

而恰恰這樣的淺水系河流，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，理論上只要流水速度大於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制，例如下圖這樣的河灘，調整各單元簾片的長度即可：


Fig. 3

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。

其實撇過復雜的流體力學，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m^3/s，水壓 Pa，也就是 N/m^2，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，只要河面寬，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：丟片樹葉在水面就可估計得八九不離十；而水道切斷面的面積，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截面積。

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–〉10^5 Pa，或10^4 Pa/m，所以1mm –〉10Pa，也即1毫米的水頭，能在1平方米的面積產生10牛頓的壓力。

因為本系統不需要築壩，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：


Fig. 4

圖中V是上游水流速度，V2是垂直擋板被水流推動的速度。

當發電輸出回路斷開時，系統運行在空載狀態，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/s^2，為方便起見，近似為10m/s^2。

當負載重得幾乎帶不動時，可得極限水頭V^2/(2g)。

所以極限功率 = V*S* V^2/(2g)*10^4 = 500SV^3，S為河道截面積。

超過極限載荷後，擋板完全靜止，此時相當於堤壩了，而上游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。

可見本系統在額定載荷內具有自動負載峰谷調節能力。

實際評估時，可考慮用功率密度參數，即單位面積百葉窗，最大可以輸出功率。根據前面算出的結果，功率密度 = 500V^3，也即與水流速度成立方關系。

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面，靠讀秒加估計就能知道水流速度，繼而心算出村裡的水資源，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，現在心裡有譜了：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，水面實測流速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*(2^3)*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！

考慮用戶用電的峰谷性，總戶數還要打個折扣，就算1000戶吧。

沒想到吧，這麼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，只好白白浪費了。

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系統取代。

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，安裝高效的低水頭系統，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，只需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。





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[逸立]

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逸立 寫道:

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謝謝斑竹大力支持，成功了邀您喝靚湯！

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暈，暴汗，我怎麼感覺樓主就是以前那個“牛奶桶哥”的升級版。。。

內什麼，我也給本版的常駐水軍 王焰同學申請個精華吧，人家貼了好幾次真人照片，小伙子長得還挺精神的哩。

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平台 寫道:

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那不行。那會導致我付出生命代價······

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kiwaho 寫道:

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先說說，湯裡都有啥佐料？

[5aB4IL8纖維]

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開玩笑呢，老漢別生氣喲

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沒有。我比較怕死。因為深知他們的強大·······