[kiwaho]

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^3，S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。





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[逸立]

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逸立 写道:

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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。

[逸立]

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那不行。那会导致我付出生命代价······

[逸立]

kiwaho 写道:

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先说说，汤里都有啥佐料？

[5aB4IL8纤维]

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开玩笑呢，老汉别生气哟

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