武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 夏光蔚

淺析高層建筑清潔能源發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院 夏光蔚

隨著傳統(tǒng)能源的高速消耗，使用清潔能源成為了時(shí)代的主題。為達(dá)到節(jié)能減排的目的，本文淺析設(shè)計(jì)一套下水道微型水流發(fā)電系統(tǒng)，將高層建筑污水（包括雨水）排下時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，用于高樓的一些公共小型電氣設(shè)施，如LED照明、電鈴等。

清潔能源；水流發(fā)電系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

1 引言

近年來，隨著傳統(tǒng)能源的高速消耗，并伴隨著傳統(tǒng)能源帶來環(huán)境污染，各國(guó)都在積極開發(fā)利用可再生新能源。目前，風(fēng)能，水能，太陽能成為新興能源的三大主力。隨著城市高樓的迅速增加，我們想到設(shè)計(jì)一套下水道微型水流發(fā)電系統(tǒng)，將高層建筑污水（包括雨水）排下時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，用于高樓的一些公共小型電氣設(shè)施，如LED照明、電鈴等，達(dá)到節(jié)能減排的目的。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)施方案

目前，世界范圍內(nèi)已經(jīng)有微型水流發(fā)電機(jī)和針對(duì)下水道水流發(fā)電機(jī)，屬于專利項(xiàng)目[1]。但并未發(fā)現(xiàn)利用高層建筑水管水流發(fā)電的項(xiàng)目。本設(shè)計(jì)構(gòu)思意在結(jié)合兩項(xiàng)專利優(yōu)點(diǎn)，在新的實(shí)施場(chǎng)合進(jìn)行新的應(yīng)用。

2.1 設(shè)計(jì)時(shí)考慮的主要問題

（1）發(fā)電機(jī)的選擇，要選擇與水管水量和水速匹配，發(fā)電效率最高的發(fā)電機(jī)。

（2）變電與蓄電電路的設(shè)計(jì)。

（3）水箱液位傳感器安裝以及控制電路的設(shè)計(jì)。

2.2 高層水管水流發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)包括兩大方面：其一，發(fā)電機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包含以下基本元件：水箱，水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)及主軸。其二，控制系統(tǒng)包括：水速傳感器，液位傳感器，控制電路，蓄電池及輸電線路。下水道微型水流發(fā)電系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.2.1 發(fā)電機(jī)選用

貫流式水輪發(fā)電機(jī)組由貫流式水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)。貫流式水輪機(jī)是一種帶有固定或可調(diào)轉(zhuǎn)輪葉片的軸流式水輪機(jī)的特殊型式。它的主要特征是轉(zhuǎn)輪軸線采取水平或傾斜布置，并與水輪機(jī)進(jìn)水管和出水管水流方向一致。貫流式水輪發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于低水頭的電站中。因此，我們可以選擇異步貫流式交流發(fā)電機(jī)[2]。

圖1 下水道微型水流發(fā)電系統(tǒng)框圖

2.2.2 蓄電池選用

為了一個(gè)既定應(yīng)用場(chǎng)合進(jìn)行蓄電池的設(shè)計(jì)，必須系統(tǒng)考慮下蓄電池的電壓和電流、C/D和耐久性、CD過程中的運(yùn)行溫度、按CD循環(huán)計(jì)算的壽命和成本、尺寸及重量等條件。這里我們可采用單充電速率的蓄電池[3]。

2.2.3 控制電路

水力發(fā)電系統(tǒng)原理圖和電網(wǎng)接口控制原理圖如圖2、圖3所示。

圖2 水力發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖3 電網(wǎng)接口控制框圖

2.2.4 液位傳感控制

液位傳感器多種多樣，有靜壓式液位傳感器，電容式液位傳感器等等，到時(shí)可以選擇性價(jià)比適合的。當(dāng)最低層水箱水到達(dá)一定程度時(shí)，控制電路產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，控制水箱的排水開關(guān)依次從下自上打開，將水拍下即可。從而最小化的減少重力勢(shì)能的損失，最大化的將高層水的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為流水對(duì)渦輪電機(jī)的推力。液位傳感控制框圖如圖4所示。

圖4 液位傳感控制框圖

2.3 系統(tǒng)安裝

由于水力發(fā)電需要一定的水量和流速，所以需要水箱來蓄水，在這里，考慮到成本，水箱暫時(shí)可以選擇容量為2噸，當(dāng)然容量越大，發(fā)電的效率越高。材料可以選擇塑料。每一層需要一個(gè)水箱，安裝在每一層建筑物的某一端，一棟大樓的所有的水箱應(yīng)該在一條垂直線上，再通過一跟水管連接匯總。每一層的污水（馬桶的水除外，由于雜質(zhì)太多，過濾成本過高）直接排到每一層的水箱，雨水直接收集到最高層水。發(fā)電機(jī)可以安裝在大樓的最底層和地下室，具體要視大樓的結(jié)構(gòu)而定，越低越好。

3 成本及效益計(jì)算

本系統(tǒng)的成本主要包括：發(fā)電機(jī)及組件，蓄電池及電路設(shè)備，水箱及液位傳感器，初始安裝費(fèi)用，設(shè)備維護(hù)等。而對(duì)于效益產(chǎn)能，我們以一棟20層的樓，每層十戶人家，每月用6噸水為例，其總用水的重力勢(shì)能約為7.5×109。若我們以5%的效率來算的話，每個(gè)月能產(chǎn)能100度電左右，電費(fèi)按0.5元每度來計(jì)算，那么每月能效益50元錢，一年為600元。若本系統(tǒng)的關(guān)鍵器件壽命為10年的話，那么10年的總效益為6000元，這只是以一棟樓為例，若能把全國(guó)所有大樓加在一起絕對(duì)是一筆可觀的節(jié)能收益。

能夠?qū)⑸钗鬯糜诎l(fā)電，充分利用了生活中存在的能源，并且是潔凈無污染能源。我們可以考慮通過向城市小區(qū)居民用戶宣傳，為他們分析投資收益比，然后讓居民自己集資進(jìn)行安裝，所產(chǎn)生的電能也許不能滿足所有居民的用電量，但可以滿足居民大樓的一些公共設(shè)施的需求，可以為他們節(jié)約公共電費(fèi)。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)創(chuàng)意之處主要瞄準(zhǔn)了“節(jié)能”，依據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理，結(jié)合目前已有的微型水流發(fā)電機(jī)和針對(duì)下水道水流發(fā)電機(jī)兩項(xiàng)專利在新的實(shí)施場(chǎng)合進(jìn)行新的應(yīng)用，符合當(dāng)前社會(huì)“節(jié)能減排”的主題。本文對(duì) “水力發(fā)電工作原理、變電與蓄電電路設(shè)計(jì)、控制電路的設(shè)計(jì)、樓宇中水箱以及排水管的安裝設(shè)計(jì)”等方面進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，做了初步可行性驗(yàn)證，計(jì)算了成本投資預(yù)算和節(jié)能收益。若能實(shí)現(xiàn)，將為使用清潔能源提供一個(gè)新的實(shí)施方案。

[1]王樹杰等.柔性葉片水流發(fā)電模型實(shí)驗(yàn)研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2010(3):10-12.

[2]段自豪,陳正壽.潮流發(fā)電現(xiàn)狀分析及未來展望[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月),2012(2):21-22.

[3]Mukund R.Patel著.姜齊榮,張春朋,李虹譯.風(fēng)能與太陽能發(fā)電系統(tǒng)—設(shè)計(jì)、分析與運(yùn)行[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

夏光蔚（1980—），男，碩士，講師，工程師，研究領(lǐng)域：計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)應(yīng)用。