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千瓦厚能源与生态实验室 ... http://www.sciencenets.com/?239 [收藏] [复制] [分享] [RSS] 太阳文火炖地球,洒遍人间光和热。新鲜的能量随手可汲,何必舍近求远挖地球?自由能源万岁!

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已有 84 次阅读2017-6-3 00:00 |系统分类:论文交流| 流体力学, 水电开发, 百叶窗, 水资源, 电功率

百叶窗式透平机在浅滩河流的小水电应用

为便于理解,阅读本文需要一些预备知识:创新发明--百叶窗式低水头河流小水电装置,该文链接指向我的上一篇博文。

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:

river-coss-section.png

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m3/s,水压 Pa,也就是 N/m2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–〉105Pa,或104Pa/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:

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/s2,为方便起见,近似为10m/s2

当负载重得几乎带不动时,可得极限水头V2/(2g)

所以极限功率 = V*S* V2/(2g)*10= 500SV3S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 = 500V3,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*23*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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