戴冰清　茅澤育

摘? 要：針對(duì)目前大部分地區(qū)水塔采用當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)供能、電能消耗巨大的情況，結(jié)合水塔高處風(fēng)資源與水重力勢(shì)能互補(bǔ)等優(yōu)勢(shì)，介紹此種新型獨(dú)立互補(bǔ)式風(fēng)力發(fā)電與管道發(fā)電智能水塔系統(tǒng)的工作原理和運(yùn)行方式。該系統(tǒng)通過(guò)將不平穩(wěn)可再生能源轉(zhuǎn)換成平穩(wěn)持續(xù)能源以替代傳統(tǒng)化石能源供電、構(gòu)建分布式電源，通過(guò)仿真分析及模型試驗(yàn)得出其獨(dú)立性佳、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)。最后結(jié)合具體數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)分析證明了使用該系統(tǒng)能夠大幅度降低小型居民區(qū)和工業(yè)區(qū)日常能耗的結(jié)論，同時(shí)為我國(guó)偏遠(yuǎn)地區(qū)、島礁、梯田以及軍區(qū)建設(shè)提供新思路。

關(guān)鍵詞：風(fēng)力發(fā)電;管道發(fā)電;水塔;新型系統(tǒng);節(jié)能減排

中圖分類號(hào)：TM61? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）23-0046-03

Abstract： In view of the fact that the water towers in most areas are supplied by the local power grid and the huge power consumption， combined with the advantages of complementary wind resources and water gravity potential energy at the top of the water tower， the working principle and operation mode of this new independent complementary intelligent water tower system for wind power generation and pipeline power generation are introduced. By converting unstable renewable energy into stable and sustainable energy to replace traditional fossil energy， the system constructs distributed power supply. Through simulation analysis and model tests， it is concluded that it has the advantages of good independence， good stability， economic saving， energy saving and emission reduction. Finally， based on specific data and experimental analysis， it is proved that the use of the system can greatly reduce the daily energy consumption of small residential and industrial areas， and provide new ideas for the construction of remote areas， islands and reefs， terraces and military regions in China.

Keywords： wind power generation; pipeline power generation; water tower; new system; energy saving and emission reduction

1 智能水塔系統(tǒng)選題背景及工作原理

隨著化石能源的日益枯竭，國(guó)家大力倡導(dǎo)建設(shè)能源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)。資源和環(huán)境壓力是制約我國(guó)長(zhǎng)期發(fā)展的重要瓶頸，需求側(cè)的節(jié)能降耗成為了重要的解決之道。

水塔作為重要的供水裝置，應(yīng)用廣泛，高度較高，并且普遍使用電網(wǎng)進(jìn)行供電。本系統(tǒng)針對(duì)目前部分地區(qū)采用水塔供水的現(xiàn)狀提出創(chuàng)新供能方案：結(jié)合水塔高處豐富的風(fēng)資源，在指定地區(qū)的水塔上安裝合適數(shù)量及功率的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，直接帶動(dòng)水泵抽水或?qū)㈦娔軆?chǔ)存進(jìn)蓄電池進(jìn)行抽水蓄能。同時(shí)在用戶用水時(shí)，利用通過(guò)安裝在用戶用水管道的分布式管道發(fā)電機(jī)或者水塔總管的水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行直接照明用電或?qū)㈦娔軆?chǔ)存進(jìn)蓄電池。這就利用該新型獨(dú)立互補(bǔ)式風(fēng)力發(fā)電與管道發(fā)電智能水塔系統(tǒng)構(gòu)建了分布式電源，將不平穩(wěn)不持續(xù)的風(fēng)能通過(guò)為水塔抽水裝置供電進(jìn)行抽水蓄能，轉(zhuǎn)變?yōu)槌掷m(xù)平穩(wěn)的電能。智能水塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。

2 智能水塔系統(tǒng)創(chuàng)新之處

通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行智能管理與控制。該系統(tǒng)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)，用中心計(jì)算機(jī)對(duì)各個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)的機(jī)器、設(shè)備、人員進(jìn)行集中管理。同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)采集與分析，用以更新設(shè)計(jì)思路、確定更加節(jié)能減排的方案。

利用“風(fēng)電-抽水儲(chǔ)能聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)”，將不平穩(wěn)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)持續(xù)清潔能源。該系統(tǒng)電能主要來(lái)源于架設(shè)在水塔頂端或者下端的風(fēng)力發(fā)電機(jī)，直接帶動(dòng)水泵抽水或?qū)㈦娔軆?chǔ)存進(jìn)蓄電池。同時(shí)在用戶用水時(shí)，利用通過(guò)安裝在用戶用水管道的分布式管道發(fā)電機(jī)或者水塔總管的水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行直接照明用電或?qū)㈦娔軆?chǔ)存進(jìn)蓄電池。能量緩沖裝置成本較低，實(shí)現(xiàn)了由不穩(wěn)定輸出向穩(wěn)定能源輸出的過(guò)程。大功率風(fēng)機(jī)在短時(shí)間內(nèi)積累的能量能夠連續(xù)、均勻地釋放。

構(gòu)建分布式電源，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立式系統(tǒng)，電能自產(chǎn)自用。減少水塔內(nèi)設(shè)備對(duì)外部電網(wǎng)的用電依賴，在水塔建設(shè)過(guò)程中，不必為水塔單獨(dú)鋪設(shè)供電線路，降低建設(shè)成本，使外部電網(wǎng)的電力波動(dòng)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備造成影響，提高了系統(tǒng)建設(shè)的靈活性，保證外部電網(wǎng)的安全性。該系統(tǒng)在眾多海島、河岸等（有風(fēng)、有水源和建設(shè)條件）地區(qū)，可因地制宜地進(jìn)行建設(shè)，且海島等地區(qū)在用電需求方面有特殊性，規(guī)模不需很大。如釣魚(yú)島、黃巖島等地區(qū)往往缺少或者不便于構(gòu)建電網(wǎng)，在不需配備變頻器、且減少電機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)連續(xù)、平穩(wěn)供電很有意義。

3 智能水塔系統(tǒng)運(yùn)行方案

智能抽水裝置（含控制及顯示部分）：采用繼電器進(jìn)行電源控制[1]。水位上升到上限水位，水與探頭接觸，水位控制器自動(dòng)關(guān)泵;水位下降到下限水位，水與探頭脫離接觸，水位控制器自動(dòng)開(kāi)泵，水池充水。

風(fēng)力發(fā)電裝置（含控制及顯示部分）：理論上采用垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)（考慮到實(shí)驗(yàn)條件限制模型采用水平軸）。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它的發(fā)電功率上升速度也相應(yīng)變快，發(fā)電曲線飽滿。利用風(fēng)力發(fā)電為水塔系統(tǒng)供電，并利用蓄電池儲(chǔ)能;進(jìn)行充電檢測(cè)與電池保護(hù)。

管道發(fā)電裝置：緊急情況時(shí)利用水塔高處蓄積的水重力勢(shì)能發(fā)電，該發(fā)電機(jī)利用水的動(dòng)能帶動(dòng)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)。上游管路中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。發(fā)電機(jī)將發(fā)電電能儲(chǔ)存在蓄電池。蓄電池和發(fā)電機(jī)之間安裝二極管防止蓄電池的電能帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。

其他模塊：與控制芯片連接的顯示模塊，用于顯示溫度傳感器檢測(cè)到的溫度值。通過(guò)顯示模塊還可以顯示水箱中的液位、蓄電池的電量、水泵的工作狀態(tài)等等信息，使工作人員可以及時(shí)的了解到水塔的工作信息。通過(guò)模型示用戶用電情況，進(jìn)一步的減少工作人員的維護(hù)壓力。該水塔還包括與所述控制芯片連接的通信模塊，用于將所述溫度傳感器檢測(cè)到的溫度信息發(fā)送至外部網(wǎng)絡(luò)。工作人員可以使用各種電子設(shè)備遠(yuǎn)程了解水塔的工作狀態(tài)。

獨(dú)立互補(bǔ)系統(tǒng)：獨(dú)立互補(bǔ)式風(fēng)力發(fā)電與管道發(fā)電智能水塔系統(tǒng)構(gòu)建分布式電源。風(fēng)能充沛時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，利用其電能將下游水抽到水塔高處蓄有勢(shì)能;風(fēng)力不充沛時(shí)，將水勢(shì)能通過(guò)管道發(fā)電轉(zhuǎn)化為電能以供需?？梢詼p少水塔內(nèi)設(shè)備對(duì)外部電網(wǎng)的用電依賴，在水塔建設(shè)過(guò)程中，不必為水塔單獨(dú)鋪設(shè)供電線路，降低建設(shè)成本，使外部電網(wǎng)的電力波動(dòng)不會(huì)對(duì)水塔內(nèi)的設(shè)備造成影響，提高了水塔建設(shè)的靈活性，保證外部電網(wǎng)的安全性。

4 智能水塔系統(tǒng)可行性分析及仿真試驗(yàn)

4.1 可行性分析

4.1.1 風(fēng)能公式

風(fēng)能主要與風(fēng)速、風(fēng)所流經(jīng)的面積、空氣密度三個(gè)因素有關(guān)[2]，其關(guān)系為：E=ρsu3t。式中：ρ-空氣密度（kg/m2），u-風(fēng)速（m/s）;t-時(shí)間（s）;s-截面面積（m2）

4.1.2 風(fēng)速

本水塔模型建立于多風(fēng)丘陵地區(qū)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)在4-5級(jí)風(fēng)時(shí)能夠良好運(yùn)行[3]，平均風(fēng)速約為10m/s，風(fēng)速與高度的關(guān)系式為V=V0（）n。式中：V-高度H處風(fēng)速;V0-高度H0處風(fēng)速（H0為10m，n為摩擦系數(shù)，取0.4）。水塔疊加風(fēng)機(jī)底座后的高度約為30m，由此可知風(fēng)力發(fā)電機(jī)工作風(fēng)速約為15.5m/s。

4.1.3 風(fēng)力發(fā)電量計(jì)算

假設(shè)一天能保證8小時(shí)的良好運(yùn)行，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以提供電能為E=ρsu3t·Cp·ηe。其中ρ=1.293kg/m2，s=10m2，u=15.5m/s，t=8h，Cp=0.4（風(fēng)能利用系數(shù)），ηe=0.95（蓄電池效率）。經(jīng)計(jì)算得一天發(fā)電量約為74kWh。

4.1.4 管道發(fā)電部分理論計(jì)算

水塔高度約為30m，儲(chǔ)水落到地面的速度約為24m/s，若水箱與水輪發(fā)電機(jī)之間的流通管道的管徑為150mm，則根據(jù)流量公式可算得水輪發(fā)電機(jī)處的水流量為0.4m3/s。這種水流的特點(diǎn)是水頭較高，流量小，建議選用混流式水輪發(fā)電機(jī)。該系統(tǒng)的總發(fā)電量可以表示為Ep=ρqvhη1ηe·t。其中，ρ：水的密度，取1000kg/m3;qv：體積流量，取0.4m3/s;h：水塔高度，取30m;η1：水輪機(jī)效率，取0.7;ηe：蓄電池效率，取0.95;t：發(fā)電時(shí)間，取5h。

由上式可得，水輪機(jī)一天工作5小時(shí)，發(fā)電量約為40kWh。

4.1.5 理論總發(fā)電量

在系統(tǒng)一天總共工作13小時(shí)的情況下，可用發(fā)電量約為114kWh，可供功率15kW的水泵工作將近8小時(shí)。若水泵工作同時(shí)，為家用電為10kW的用戶供電，可以使用5小時(shí)左右，足夠應(yīng)對(duì)停電等緊急事件。

4.2 仿真試驗(yàn)

4.2.1 數(shù)值模擬

實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行良好，可穩(wěn)定充電。在此基礎(chǔ)上，課題組利用相似性原理及軟件進(jìn)行模擬，并且利用MATLAB進(jìn)行管道發(fā)電量的相關(guān)數(shù)值計(jì)算，得到如表1所示結(jié)果。

4.2.2 結(jié)果分析

繪制總發(fā)電量和總耗電量對(duì)比圖，如圖3所示。由圖可見(jiàn)，總發(fā)電量約為總耗電量的兩倍左右，大量的剩余電量可以儲(chǔ)存在蓄電池里，供給民居、營(yíng)房、工地在緊急停電時(shí)使用，也可以為路燈、報(bào)警器等小型設(shè)備供電。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出能量與風(fēng)能可利用小時(shí)數(shù)繪制折線圖，如圖4所示。累計(jì)時(shí)數(shù)越高，投產(chǎn)后風(fēng)力機(jī)發(fā)電量越大，但是風(fēng)能可利用小時(shí)數(shù)和風(fēng)力機(jī)能量呈遞增的關(guān)系不明顯，主要是因?yàn)榫S持風(fēng)力機(jī)恒定功率的風(fēng)速可利用小時(shí)數(shù)占的比重不同發(fā)生了影響。不過(guò)，整個(gè)系統(tǒng)還是達(dá)到了充分利用風(fēng)能資源的目的。

提高風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)電功率的重點(diǎn)在于選址，在風(fēng)速大、開(kāi)闊的平原地區(qū)，設(shè)置該智能水塔可以儲(chǔ)存更多的電能，節(jié)能減排的效果更明顯。盡管用水量的上升會(huì)導(dǎo)致抽水電耗增加，但是與此同時(shí)管道發(fā)電量也會(huì)上升，對(duì)于抽水電耗進(jìn)行一定程度的補(bǔ)充，如圖5所示。該獨(dú)立互補(bǔ)式智能水塔系統(tǒng)充分回收了輸水管道的能量，節(jié)能減排效果顯著。

5 項(xiàng)目前景展望

本系統(tǒng)使用到了風(fēng)力發(fā)電機(jī)以及管道發(fā)電機(jī)，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要安裝在水塔頂端，同時(shí)管道發(fā)電機(jī)的工作參數(shù)需要與特定地區(qū)的用戶系統(tǒng)匹配，這無(wú)疑會(huì)增加安裝難度和安裝成本，一定程度上限制其應(yīng)用和市場(chǎng)的推廣。在電力系統(tǒng)中增加儲(chǔ)能系統(tǒng)可以平抑波動(dòng)，目前國(guó)內(nèi)外已采用該方式減少棄風(fēng)[5]，在偏遠(yuǎn)島礁地區(qū)、軍區(qū)和山區(qū)梯田建設(shè)中，該智能水塔系統(tǒng)的應(yīng)用具有更大的意義。越獨(dú)立于大型電網(wǎng)和水網(wǎng)的地區(qū)越需要水塔來(lái)穩(wěn)定水壓，同時(shí)期望水塔耗電對(duì)于電網(wǎng)的影響越來(lái)越小。該智能水塔系統(tǒng)還可以進(jìn)行延伸設(shè)計(jì)，在“風(fēng)力抽水蓄能”思想的基礎(chǔ)上，將水塔變化為高位灌溉機(jī)、樓頂消防儲(chǔ)水箱、山頂蓄水池等，借鑒風(fēng)力發(fā)電與管道發(fā)電互補(bǔ)的思路，形成獨(dú)立系統(tǒng)，用電不受地理位置的局限。新型獨(dú)立互補(bǔ)式風(fēng)力發(fā)電與管道發(fā)電智能水塔系統(tǒng)具有獨(dú)立系統(tǒng)性高、穩(wěn)定性好、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、節(jié)能減排等優(yōu)點(diǎn)，將在以后的工程實(shí)踐中得以進(jìn)一步發(fā)展和完善，為我國(guó)建設(shè)能源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)做出一定的貢獻(xiàn)。

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