Tomomi Uhiym*, Stoshi Hond, Tomoko Okym, Tomohiro Degw

aInstitute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan

bGraduate School of Information Science, Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan

cFaculty of Human Studies, Taisho University, Tokyo 170-8470, Japan

基于中空微型水輪機(jī)的污水發(fā)電可行性研究

Tomomi Uchiyamaa,*, Satoshi Hondab, Tomoko Okayamac, Tomohiro Degawaa

aInstitute of Materials and Systems for Sustainability, Nagoya University, Nagoya 464-8603, Japan

bGraduate School of Information Science, Nagoya University, Nagoya 464-8601, Japan

cFaculty of Human Studies, Taisho University, Tokyo 170-8470, Japan

a r t i c l e i n f o

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Received 21 May 2016

Revised 21 June 2016

Accepted 6 September 2016

Available online 6 December 2016

微型水輪機(jī)

污水

發(fā)電

連接點(diǎn)

水力勢(shì)能

本文利用微型水輪機(jī)技術(shù)，著重對(duì)污水管道水力發(fā)電的可行性進(jìn)行了研究。首先，對(duì)日本豐川河流域排水系統(tǒng)兩連接點(diǎn)處的污水流量進(jìn)行了一年以上的觀測(cè)，借此分析污水的水力勢(shì)能；其次，假定微型水輪機(jī)被安裝在污水管道的連接點(diǎn)位置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究微型水輪機(jī)的性能。研究表明：污水管道的連接點(diǎn)處蘊(yùn)藏有可用于全年發(fā)電的水力勢(shì)能，同時(shí)，微型水輪機(jī)在該位置可以有效地進(jìn)行污水水力發(fā)電。

? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company. This is an open access article under the CC BY-NC-ND license

(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).

1. 引言

污水由排放到下水道的雨水和人類生產(chǎn)、生活產(chǎn)生的廢水所組成，排污管道里含有人類生活、辦公及工業(yè)生產(chǎn)所產(chǎn)生的廢水和廢物。2011年，日本污水排放量約為1.45×1010m3[1]，因此，污水蘊(yùn)藏著巨大的能量。據(jù)估計(jì)，污水污泥的沼氣發(fā)電量和污水的水力發(fā)電量分別約為3.6×109kW·h·a–1和4×107kW·h·a–1，污水所含熱能約為7800 Gcal·h–1(1 Gcal·h–1= 1.163 MW) [2]。日本政府意在將污水作為一種能源來(lái)加以利用，然而，污水的利用率卻很低；污水污泥的能源利用率約為13 %。目前，日本污水供熱設(shè)施有14個(gè)，小型水力發(fā)電廠有13個(gè) [2]。

污水處理設(shè)施包括諸如污水管道的排水設(shè)施、處理廠的處理設(shè)施，以及泵站的輔助設(shè)施。前文預(yù)估的污水能源的水力勢(shì)能僅是指經(jīng)處理設(shè)施處理后的水所含的能量。2012年日本的污水管道總長(zhǎng)約為4.5×105km [1]，其長(zhǎng)度相當(dāng)于繞地球赤道11圈，略長(zhǎng)于總長(zhǎng)達(dá)4×105km的灌溉渠道 [3]，可推測(cè)這種水力勢(shì)能分布在全國(guó)的污水管道中。因此，利用排水設(shè)施(污水管道)中的污水進(jìn)行發(fā)電將有望實(shí)現(xiàn)小規(guī)模的分布式發(fā)電，這有利于當(dāng)?shù)仉娏Φ淖援a(chǎn)自銷。然而，目前這種污水發(fā)電還沒(méi)有具體的實(shí)施案例，排水設(shè)施中所含的水力勢(shì)能仍有待進(jìn)一步研究。

水電是一種極具前景的可再生能源，且不容易受天氣因素的影響，在日本受到了廣泛的關(guān)注。由于建設(shè)輸出功率達(dá)100 MW以上的大型水電站需要大壩和長(zhǎng)距離

* Corresponding author.

E-mail address: uchiyama@is.nagoya-u.ac.jp輸水管道，而且要求這些水電站所在區(qū)域必須是發(fā)達(dá)地區(qū)，所以建設(shè)輸出功率在100 MW以下的小型水電站的需求就越發(fā)迫切。這種發(fā)電站利用小型水力發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而這些小型水力發(fā)電機(jī)又廣泛分布在日本的河流和灌溉渠道中。為此，研究人員已研發(fā)了數(shù)種微型水輪機(jī) [4–9]，然而這些微型水輪機(jī)經(jīng)常被落葉、樹(shù)枝及垃圾等雜質(zhì)阻塞，偶爾會(huì)無(wú)法正常發(fā)電。安裝在微型水輪機(jī)上游的過(guò)濾器可以去除雜質(zhì)，但這種設(shè)備增加了微型水輪機(jī)的運(yùn)營(yíng)成本，筆者正在研發(fā)一種可以極大程度地使雜質(zhì)通過(guò)的微型水輪機(jī) [10,11]。這種微型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在中心軸周圍有一個(gè)圓形中空部分，使得雜質(zhì)能夠通過(guò)轉(zhuǎn)輪。目前正在實(shí)驗(yàn)室和河流的實(shí)地試驗(yàn)中對(duì)這種中空微型水輪機(jī)的效率以及雜質(zhì)通過(guò)性能進(jìn)行測(cè)試。污水中除了人們的生活垃圾外，還有浴室里的頭發(fā)、廚房的蔬菜殘?jiān)?，污水發(fā)電成功的關(guān)鍵在于水輪機(jī)沒(méi)有被這些雜質(zhì)所阻塞，因而筆者正在研發(fā)的中空微型水輪機(jī)將有望解決污水發(fā)電的這一難題。

此研究旨在探索一種利用管道污水進(jìn)行水力發(fā)電的可行性方法。首先，針對(duì)日本中部地區(qū)愛(ài)知縣的豐川河流域排水系統(tǒng) [12]，通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)污水管道連接點(diǎn)處一年內(nèi)的污水流量來(lái)計(jì)算污水的水力勢(shì)能；其次，假定微型水輪機(jī)被安裝在污水管道的連接點(diǎn)處，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)來(lái)研究中空微型水輪機(jī)的效率和雜質(zhì)通過(guò)性能。

2. 豐川河流域排水系統(tǒng)的流量變化和水力勢(shì)能

2.1. 豐川河流域排水系統(tǒng)概述

豐川河流域排水系統(tǒng)處理的污水來(lái)自日本愛(ài)知縣東部地區(qū)的四個(gè)城市(豐橋市、豐川市、蒲郡市和新城市) [12]，其總排污面積約46 km2，人口約20萬(wàn)人，每日污水處理量達(dá)1.04×105m3(截至2015年4月1日)。豐川河流域排水系統(tǒng)有四條干線：豐橋線、東武線、西武線和水戶線，總長(zhǎng)約36 km。經(jīng)豐川污水處理廠處理過(guò)的污水被排放到三河灣，圖1顯示了排水干線、污水處理廠與三河灣之間的位置關(guān)系。

豐川河流域的排水系統(tǒng)與這四個(gè)城市管理的公共排水系統(tǒng)相連，連接部分被稱為連接點(diǎn)。豐川河流域的排水系統(tǒng)共有27個(gè)連接點(diǎn)，如圖1所示，連接點(diǎn)用圓圈表示。在連接點(diǎn)處，污水管道是打開(kāi)的，因此可以測(cè)量全年的污水流量。本研究測(cè)量了豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處的污水流量，根據(jù)實(shí)際流量來(lái)研究污水水力發(fā)電的可行性。豐橋1連接點(diǎn)處的污水管道和污水如圖2所示。

圖1. 日本豐川河流域排水干線及排水系統(tǒng)連接點(diǎn)示意圖。

圖2. 豐橋1連接點(diǎn)處的污水管道和污水。

2.2. 連接點(diǎn)處的污水流量變化

在建設(shè)水力發(fā)電站之前，需提前一年在施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量日均污水流量，以準(zhǔn)確估算發(fā)電出力。按日均污水流量降序排列，作出污水流量變化曲線圖。2013年度豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處的污水流量變化曲線如圖3所示，圖中第95天、185天、275天和355天的最大流量分別稱為高流量、正常流量、低流量和枯水流量，這些流量分別用Q1，Q2，Q3和Q4表示，并在表1中列出對(duì)應(yīng)的流量大小。在豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處，高低流量之差 (Q1?Q3) 與正常流量Q2之比 (Q1?Q3) / Q2分別約為0.138和0.093，這表示年流量變化較小。在變化曲線中，Q2點(diǎn)處較小的梯度值也說(shuō)明了這一點(diǎn)。

豐橋1連接點(diǎn)處的污水流量如圖4所示，圖中顯示了一年中每月污水的平均流量、最小流量和最大流量。平均流量和最小流量幾乎相同，且與正常流量Q2幾乎相當(dāng)，但除了7月份、11月份、12月份和1月份外，每月的最大流量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平均值，年變化量也大于平均流量和最小流量。由于豐川河流域排水系統(tǒng)是一個(gè)分流排污系統(tǒng)，理論上污水管道內(nèi)只有污水流動(dòng)；然而，包括雨水在內(nèi)的一些“來(lái)源不明的水”也會(huì)同污水一起流入排水管道。圖4上部的柱狀圖顯示了豐橋市的月降水量，觀測(cè)點(diǎn)與連接點(diǎn)(豐橋1)之間的距離約為7 km，降水量高的月份污水流量也會(huì)增高，這一趨勢(shì)在9月份和10月份最為明顯。因此，最大污水流量遠(yuǎn)高于平均值且波動(dòng)明顯的原因在于雨水流入了污水管道。

圖3. 2013年度連接點(diǎn)處的污水流量變化曲線圖。(a)豐橋1；(b)東武11-2。

表1 豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處的污水流量

圖5顯示了東武11-2連接點(diǎn)處的污水流量變化以及豐橋市的月降水量。其中平均流量和最小流量幾乎相同，但是8月份、9月份和10月份的最大流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平均值，這種變化也是由于雨水流入污水管道造成的。

圖4. 豐橋1連接點(diǎn)處的月污水流量和豐橋市的月降水量。

圖5. 東武11-2連接點(diǎn)處的月污水流量和豐橋市的月降水量。

由圖4和圖5可知，9月份污水流量達(dá)到了最大值。9月份豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處的日平均污水流量和日降水量如圖6所示。9月16日當(dāng)天的日降水量達(dá)到120 mm，日平均污水流量也達(dá)到最大值，這一觀察結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了雨水增加了污水流量。

2.3. 連接點(diǎn)處的水力勢(shì)能

流體以速度u流動(dòng)的水力勢(shì)能P可表示為

其中，ρ為流體密度；Q為流量。

如圖2所示，豐橋1連接點(diǎn)處的污水管道直徑為1000 mm，污水并不總是流經(jīng)管道的整個(gè)橫截面，而是沿著管道的底部流動(dòng)。假設(shè)污水占據(jù)管道橫截面積的10 %，則可以根據(jù)流量Q計(jì)算出流速u。當(dāng)正常流量Q2對(duì)應(yīng)的流速u為0.159 m3·s–1時(shí)，根據(jù)公式 (1)計(jì)算的水力勢(shì)能P約為328 W，其中ρ為水的密度。采用同樣的方法計(jì)算東武11-2連接點(diǎn)處的水力勢(shì)能P為222 W。

圖6. 9月份豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處的日平均污水流量和日降水量。

通過(guò)水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)可以將上述水力勢(shì)能P轉(zhuǎn)換為電能，考慮到發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)的效率，將電能定為0.2P。豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處的電能則分別為66 W和44 W。由圖3可知，污水流量變化很小，因此可假設(shè)各點(diǎn)的水力勢(shì)能全年保持不變；那么一個(gè)直徑約為250 mm的通風(fēng)扇所消耗的電能約為25 W，而一盞亮度等同于60 W的熒光燈的LED燈泡所消耗的電能約為10 W。因此，污水發(fā)電可用于連接點(diǎn)處當(dāng)?shù)氐耐L(fēng)和照明。

3. 中空微型水輪機(jī)

在豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處各需要一個(gè)水輪機(jī)來(lái)將水力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為電能。污水中除了人們的生活垃圾外，還含有浴室里的頭發(fā)、廚房的蔬菜殘?jiān)?。因此急需這種不會(huì)被雜質(zhì)阻塞的水輪機(jī)。

微型水輪機(jī)可以被安裝在河流和灌溉渠道中進(jìn)行發(fā)電，但常常會(huì)被落葉、樹(shù)枝和垃圾等雜質(zhì)阻塞，由于這種阻塞會(huì)使水輪機(jī)的性能降低，因此開(kāi)發(fā)一種能夠最大限度地使雜質(zhì)從轉(zhuǎn)輪中通過(guò)的微型水輪機(jī)變得越發(fā)迫切。筆者潛心研發(fā)了一種微型水輪機(jī) [10,11]，這種微型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在中心軸線處有一個(gè)圓形中空部分，雜質(zhì)在通過(guò)水輪機(jī)時(shí)不會(huì)造成阻塞，這種中空微型水輪機(jī)適用于污水水力發(fā)電。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)其適用性進(jìn)行研究。

中空微型水輪機(jī)的橫截面如圖7所示。在兩個(gè)固定管之間插入圓形管(圖中用紅色陰影表示)，它們的軸線處于一條直線上。插入的圓形管由兩個(gè)軸承支撐，從而使其能夠繞中心軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)輪(圖中以藍(lán)色表示)嵌進(jìn)被插入的圓形管內(nèi)，當(dāng)水流經(jīng)過(guò)時(shí)，轉(zhuǎn)輪連同圓形管圍繞軸線整體旋轉(zhuǎn)。固定管和圓形管的內(nèi)徑為80 mm，圓形管的軸向長(zhǎng)度為195 mm，導(dǎo)向葉片(綠色部分)被安裝在固定管的一邊，剛好在圓形管的上游方向。

圖7. 中空微型水輪機(jī)的橫截面圖。

轉(zhuǎn)輪示意圖見(jiàn)圖8，它有四個(gè)葉片，圍繞旋轉(zhuǎn)(中心)軸有一個(gè)圓形中空部分，用來(lái)使水中的雜質(zhì)從轉(zhuǎn)輪中通過(guò)，中空直徑D2與管道直徑D1(80 mm)之比為中空率ε，ε= D2/ D1。圖8所示轉(zhuǎn)輪的中空率ε為0.375。

圖8. 轉(zhuǎn)輪 (ε=0.375)

轉(zhuǎn)輪由平板葉柵構(gòu)成，轉(zhuǎn)輪葉片的二維展開(kāi)圖如圖9所示，葉片規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表2。葉片寬度B為23 mm、厚度t為5 mm，入口角度和出口角度分別是α1和α2，都是70°。本次研究采用新型試驗(yàn)來(lái)檢測(cè)微型水輪機(jī)的雜質(zhì)通過(guò)性能，對(duì)試驗(yàn)中的轉(zhuǎn)輪只進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)，后期可通過(guò)修改規(guī)格參數(shù)來(lái)提高其性能。

圖10為導(dǎo)葉示意圖，同樣在中心軸周圍有一個(gè)中空部分，導(dǎo)葉直徑與轉(zhuǎn)輪直徑相同。

圖9. 轉(zhuǎn)輪葉片二維展開(kāi)圖。

表2 葉片規(guī)格參數(shù)

圖10. 導(dǎo)葉 (ε=0.25)。

中空微型水輪機(jī)的三維切割模型如圖11所示，其中轉(zhuǎn)輪與外管道一起繞著軸線旋轉(zhuǎn)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)來(lái)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)或扭矩儀工作。

圖11. 中空微型水輪機(jī)三維切割模型。

4. 中空微型水輪機(jī)的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)

4.1. 試驗(yàn)方法和試驗(yàn)條件

為了研究微型水輪機(jī)的性能，采用如圖12所示的閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)。蓄水池中的水通過(guò)水泵進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)中的水又驅(qū)動(dòng)微型水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。微型水輪機(jī)上游和下游的管道采用透明的丙烯酸樹(shù)脂制成，由此可清晰看到進(jìn)入環(huán)路的雜質(zhì)狀態(tài)。在上游導(dǎo)管320 mm處和下游導(dǎo)管183 mm處可測(cè)量微型水輪機(jī)的水壓，水流量則可用螺旋槳式流量計(jì)測(cè)量，這一裝置被安裝在微型水輪機(jī)上游的旁通管上。為了測(cè)量出水輪機(jī)的輸出功率，可使用以水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的扭矩儀來(lái)測(cè)量扭矩。水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速也可通過(guò)扭矩儀來(lái)測(cè)量，該值由與扭矩儀相連的磁粉制動(dòng)器所控制。

圖12. 實(shí)驗(yàn)室閉環(huán)測(cè)試平臺(tái)。

微型水輪機(jī)的效率η可表示為

其中，T表示扭矩；ω表示角速度；Q表示流量；P1和P2分別表示水輪機(jī)上游和下游的壓力值。

圖13是本研究所采用的轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪1曾被用于之前的試驗(yàn) [10,11]，轉(zhuǎn)輪2是改進(jìn)后的，轉(zhuǎn)輪2的葉片前緣是半徑為15 mm的圓形，因此在運(yùn)行時(shí)不會(huì)鉤住雜質(zhì)。

圖13. (a)轉(zhuǎn)輪1；(b)轉(zhuǎn)輪2。(D1= 80 mm, ε = 0.25)

圖14是本試驗(yàn)所用的導(dǎo)葉。導(dǎo)葉1有8個(gè)導(dǎo)葉片，曾被用于先前的試驗(yàn) [10,11]；導(dǎo)葉2有8個(gè)錐角為30°的錐形導(dǎo)葉片；導(dǎo)葉3與導(dǎo)葉1所用的導(dǎo)葉片形狀相同，但數(shù)量減少了一半。

圖14. (a)導(dǎo)葉1；(b)導(dǎo)葉2；(c)導(dǎo)葉3。(D1=80 mm, ε=0.25)

對(duì)微型水輪機(jī)性能的研究以表3所示的轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉的4種組合而展開(kāi)，流量Q為0.01 m3·s–1。

表3 4種工況

為了研究安裝在污水管道內(nèi)微型水輪機(jī)的性能，在實(shí)驗(yàn)室條件下，污水中含有的雜質(zhì)用一些易于控制的物質(zhì)來(lái)代替。1 m3生活污水中含有大約0.2 kg的固體雜質(zhì)，而且人體排泄物中97 %的成分被認(rèn)為是水分，因此，污水幾乎可被認(rèn)定為水。因?yàn)樵谖鬯呐欧胖忻l(fā)和纖維垃圾不易被分解，它們會(huì)順著污水管道向下流動(dòng)，因而容易出現(xiàn)微型水輪機(jī)被頭發(fā)和廢料阻塞的情況。為此，實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)采用聚酯纖維來(lái)模擬污水管道中的雜質(zhì)。圖15所示為聚酯纖維，每個(gè)球形纖維的直徑約為20 mm、質(zhì)量約為0.2 g，這些纖維經(jīng)過(guò)蓄水池的出口管被釋放到水中，出口管位于微型水輪機(jī)的上游，每次釋放的時(shí)間間隔為3 min。

4.2. 無(wú)纖維條件下微型水輪機(jī)的效率

圖15. 聚酯纖維。

首先，微型水輪機(jī)的效率η是在聚酯纖維被釋放到水中之前測(cè)量得到的，在之前的研究 [10,11]中，我們已經(jīng)測(cè)出了工況1中的η值。圖16表明了在工況1中，中空率ε對(duì)轉(zhuǎn)速N和效率η之間關(guān)系的影響。每個(gè)中空率所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)都由三組測(cè)量數(shù)據(jù)組成，當(dāng)轉(zhuǎn)輪為實(shí)心(ε=0)時(shí)，η的最大值ηmax是0.186，轉(zhuǎn)速N在η達(dá)到最大值ηmax時(shí)也達(dá)到最大值Nmax，且Nmax= 496 r·min–1。當(dāng)轉(zhuǎn)輪中空率ε = 0.25時(shí)，ηmax和Nmax都略微減小，但減小幅度并不明顯。當(dāng)中空率ε增加到0.375和0.5時(shí)，ηmax大幅減小，并且轉(zhuǎn)速最大值Nmax也明顯減小，這是由葉片的面積變小所造成的；因此，水的能量并沒(méi)有被完全轉(zhuǎn)化到微型水輪機(jī)上?；谏鲜鼋Y(jié)果，在測(cè)試微型水輪機(jī)性能時(shí)，工況2、3、4試驗(yàn)中的中空率ε=0.25，因?yàn)榇藭r(shí)的中空率并沒(méi)有對(duì)水輪機(jī)的性能造成顯著影響。

圖16. 無(wú)纖維條件下水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、效率與中空率的相關(guān)性。

圖17比較了當(dāng)微型水輪機(jī)中空率ε為0.25，且樹(shù)脂纖維沒(méi)有被釋放到水中時(shí)，在試驗(yàn)工況1、2、3、4中微型水輪機(jī)的效率。工況1中的η值最大。對(duì)于工況2來(lái)說(shuō)，使用帶錐形導(dǎo)葉片的導(dǎo)葉(導(dǎo)葉2)會(huì)降低η值，這是因?yàn)槠鋵?dǎo)葉片面積比工況1中所使用的導(dǎo)葉片面積小，因此水流不能被完全徑直噴射出去。工況3中的η 值比工況2中的更低，盡管在工況3中使用了和工況1、2相同的轉(zhuǎn)輪，但其導(dǎo)葉(導(dǎo)葉3)只有4個(gè)導(dǎo)葉片，因此，流向轉(zhuǎn)輪上游的水流并沒(méi)有被完全徑直噴射出去。工況4中的η值最低，盡管轉(zhuǎn)輪(轉(zhuǎn)輪2)使用的導(dǎo)葉與工況3的相同，但導(dǎo)葉片前緣是半徑r = 15 mm的圓形，除此之外，其導(dǎo)葉片較轉(zhuǎn)輪1的導(dǎo)葉片小，導(dǎo)葉片面積的減小降低了水輪機(jī)的性能。

圖17. 無(wú)纖維且中空率為0.25時(shí)水輪機(jī)的效率。

4.3. 夾帶纖維引起的效率變化

圖18表明了微型水輪機(jī)的效率η與釋放到水中的纖維質(zhì)量mf的關(guān)系。在轉(zhuǎn)速N達(dá)到最大值Nmax時(shí)釋放纖維，此時(shí)η在無(wú)纖維的條件下達(dá)到了最大值ηmax，因此，η在mf=0 g的情況下所對(duì)應(yīng)的效率是最大值ηmax，水中釋放出的纖維會(huì)引起效率η的降低。在mf＞ 1.5 g時(shí)，采用帶錐形導(dǎo)葉片的導(dǎo)葉的工況2的η值要高于工況1，這是因?yàn)槔w維對(duì)導(dǎo)葉的附著力受到了抑制，見(jiàn)后文。對(duì)比工況3和工況4的η 值，當(dāng)mf＞ 1.8 g時(shí)，采用圓形葉片的轉(zhuǎn)輪的工況4的η值要大于工況3，纖維對(duì)轉(zhuǎn)輪的附著力同樣受到了抑制，正如后文所述。

圖18. 夾帶纖維引起的水輪機(jī)效率的變化。

圖19對(duì)比了工況1、2、3中微型水輪機(jī)的效率，此時(shí)η被ηmax歸一化。工況1與工況3的η/ηmax值幾乎完全相同，但工況2的η/ηmax值要更高一些。因此，工況2中的導(dǎo)葉(導(dǎo)葉2)具有優(yōu)良的纖維通過(guò)性能。

圖19. 工況1、2、3中由夾帶纖維引起的水輪機(jī)歸一化效率的變化。

圖20是工況1、2、3試驗(yàn)結(jié)束后的導(dǎo)葉圖。工況1中，纖維附著在導(dǎo)葉片前緣，工況3的導(dǎo)葉片進(jìn)口處部分位置被纖維阻塞。相比之下，工況2的導(dǎo)葉片上幾乎觀察不到纖維。附著在工況1、2、3中導(dǎo)葉片上的纖維的質(zhì)量分別是0.312 g、0.027 g和0.170 g。錐形導(dǎo)葉(導(dǎo)葉2)在抑制纖維附著方面更加占優(yōu)勢(shì)。

圖20. 工況1、2、3的導(dǎo)葉圖。

工況3和4的效率比較見(jiàn)圖21。兩種工況都使用了導(dǎo)葉3，但工況4的η/ηmax值的減幅要小于工況3，所以可以認(rèn)為帶有圓形葉片的轉(zhuǎn)輪(轉(zhuǎn)輪2)具有優(yōu)良的纖維通過(guò)性能。

工況3和4試驗(yàn)后的轉(zhuǎn)輪圖見(jiàn)圖22。在工況3中，纖維附著在了轉(zhuǎn)輪葉片的前緣上，這是由于葉片前緣較鋒利，從而鉤住了纖維；而在工況4的轉(zhuǎn)輪中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何纖維殘余。在工況3和4中附著在轉(zhuǎn)輪上的纖維的質(zhì)量分別是0.06 g和0 g。研究表明，圓形葉片(轉(zhuǎn)輪2)的使用對(duì)改善纖維通過(guò)性能有極大幫助。

圖21. 工況3和4中由纖維引起的水輪機(jī)歸一化效率變化。

圖22. 工況3和4的轉(zhuǎn)輪圖。

如圖23所示，微型水輪機(jī)可以被安裝在污水管道內(nèi)的連接點(diǎn)處。為了便于設(shè)備的維護(hù)，該裝置被設(shè)計(jì)成可由起重機(jī)懸掛的微型水輪機(jī)。

5. 結(jié)論

為探究利用管道污水進(jìn)行微型水力發(fā)電的可能性，對(duì)日本豐川河流域排水系統(tǒng)兩連接點(diǎn)處的污水流量變化進(jìn)行了研究，并估算了污水的水力勢(shì)能。研究表明，豐橋1和東武11-2兩連接點(diǎn)處蘊(yùn)藏可用于全年發(fā)電的水力勢(shì)能。

假定微型水輪機(jī)被安裝在污水管道的連接點(diǎn)處，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究中空微型水輪機(jī)的效率及其雜質(zhì)通過(guò)性能。試驗(yàn)表明，帶有圓形葉片的轉(zhuǎn)輪和帶有錐形導(dǎo)葉片的導(dǎo)葉可以抑制纖維在微型水輪機(jī)上的附著力，從而提高水輪機(jī)的工作效率，因此中空微型水輪機(jī)可用于管道污水發(fā)電。

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Tomomi Uchiyama, Satoshi Honda, Tomoko Okayama, and Tomohiro Degawa declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.

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2095-8099/? 2016 THE AUTHORS. Published by Elsevier LTD on behalf of Chinese Academy of Engineering and Higher Education Press Limited Company.

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英文原文: Engineering 2016, 2(4): 510—517

Tomomi Uchiyama, Satoshi Honda, Tomoko Okayama, Tomohiro Degawa. A Feasibility Study of Power Generation from Sewage Using a Hollowed Pico-Hydraulic Turbine. Engineering, http://dx.doi.org/10.1016/J.ENG.2016.04.007