小型水下渦輪發(fā)電機在偏遠地區(qū)的應(yīng)用

閆鑫

摘 要：隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的穩(wěn)步發(fā)展，對于偏遠地區(qū)的基礎(chǔ)建設(shè)也日益被人們重視。對于偏遠地區(qū)用電難的問題，雖然國家電網(wǎng)的建設(shè)正在逐步向偏遠山區(qū)延伸，但是偏遠地區(qū)地形較為復(fù)雜，建設(shè)難度高，投資成本大，設(shè)備的維護也比較困難，所以在短期內(nèi)依靠國家電網(wǎng)的建設(shè)解決偏遠山區(qū)人民用電難問題還是比較困難的。文章提出一種設(shè)想：可以在偏遠地區(qū)的河床上安裝水下渦輪機組，利用河流的動能進行發(fā)電。本研究將對這種發(fā)電方法的優(yōu)點進行闡述，并對可能出現(xiàn)的問題提出可行的解決方法。

關(guān)鍵詞：偏遠地區(qū)；水下渦輪發(fā)電機；河流水力發(fā)電

中圖分類號：TM31 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0162-02

Abstract： With the steady development of our country's economic construction， people pay more and more attention to the infrastructure construction in remote areas. With regard to the problem of power shortage in remote areas， although the construction of the State Grid is gradually extending to remote mountainous areas， the terrain in remote areas is relatively complex， the construction is difficult， the investment cost is high， and the maintenance of equipment is also relatively difficult. Therefore， in the short term， it is difficult to rely on the construction of the State Grid to solve the problem of the people in remote mountain areas. This paper presents an idea that underwater turbine units can be installed on the riverbed in remote areas to generate electricity using the kinetic energy of the river. This study will describe the advantages of this method and put forward feasible solutions to the possible problems.

Keywords： remote area； underwater turbine generator； river hydropower

1 研究背景

近些年來隨著經(jīng)濟水平的日益發(fā)展，我國各項建設(shè)項目正穩(wěn)定快速的發(fā)展。然而對于偏遠山區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，是我們國家進行脫貧攻堅戰(zhàn)，實現(xiàn)全面建設(shè)小康社會的關(guān)鍵而又不可或缺的重要一步。

中國農(nóng)村面積廣大，人口6714.5萬人，占全國總?cè)丝诘?0.32%。作為農(nóng)村最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，電力與中國農(nóng)村居民的基本生活需求，生活水平和經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)[1]?！熬盼濉逼陂g，中國在農(nóng)村電網(wǎng)改造上投入2000多億元，解決了農(nóng)民用電超過80%的問題，為改善我國農(nóng)村形象發(fā)揮了重要作用。但是，許多農(nóng)村地理位置偏遠，自然環(huán)境相對較差，電力消費問題尚未解決，全民電力服務(wù)的重點和難點在西部農(nóng)村地區(qū)[2]。雖然國家電網(wǎng)的建設(shè)正在逐步向偏遠山區(qū)延伸，但是偏遠地區(qū)地形較為復(fù)雜，建設(shè)難度高，投資成本大，設(shè)備的維護也比較困難。根據(jù)相關(guān)資料調(diào)查顯示，我國對偏遠地區(qū)農(nóng)村電網(wǎng)投資相對較小，所以在短期內(nèi)依靠國家電網(wǎng)的建設(shè)解決偏遠山區(qū)人民用電難問題還是比較困難的。以云南元江地區(qū)為例，元江哈尼族彝族自治縣是經(jīng)濟發(fā)展落后的農(nóng)業(yè)縣，少數(shù)民族社區(qū)，農(nóng)村電氣化發(fā)展還有許多問題需要解決。

元江縣可開發(fā)36座電站，但由于經(jīng)濟的限制只開發(fā)了18座，占可開發(fā)電站數(shù)的50%。還有16.229×104kW（約占蘊藏量的72%）沒有開發(fā)，造成了水力資源極大的浪費。由于水力資源豐富的河段交通不便，人口稀少，開發(fā)難度大而開發(fā)率低，電網(wǎng)覆蓋面窄。目前還有6個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的21個自然村498戶人家共2211人還沒有用上電[3]。因此，需要一種投資成本低，便于安裝的簡易發(fā)電設(shè)施來解決這個問題。國際上微水電也是在本世紀(jì)初才開始被研究，發(fā)展時間還不長，屬于一種新型的技術(shù)，具有很大的發(fā)展前景。

2 設(shè)計思路

2.1 基本原理

水下渦輪發(fā)電機與風(fēng)力發(fā)電機十分相似，但它不是通過空氣分子，而是通過河水流動的動能推動渦輪機葉片的旋轉(zhuǎn)，從而帶動發(fā)電機，把水流能量最終轉(zhuǎn)換為電能。相對于風(fēng)力條件來說，水流既穩(wěn)定又高效，最重要的是水比空氣更密集，這意味著水下渦輪機可以在緩慢的水流中就達到發(fā)電必要的旋轉(zhuǎn)速度。水下渦輪發(fā)電機組輸出功率的計算公式為：

式中：P-功率，W；ρ-水密度，1025kg/m3；A-渦輪機機轉(zhuǎn)子掃掠面積，m2；V-水流速度，m/s；η-效率。

從上述可以看出，水下渦輪機機組的輸出功率很大程度決定于水流速度。

一般來說，水流速度大于1m/s的河流即有開發(fā)價值。

2.2 具體方案

（1）建造條件

偏遠地區(qū)所處的地帶，大多數(shù)為大江大河的中上游，河水流速快，河水中攜帶的泥沙含量較少，且不易沉積到河床底部。所以河底的泥沙淤積較少，河床地基相對來說比較穩(wěn)固，便于水下渦輪機組基礎(chǔ)的安裝。

（2）安裝建造方法

這種小型水電設(shè)備只需在河流底部建立固定基座。將渦輪發(fā)電機放入河中，在渦輪機底部安裝三角支座作為基礎(chǔ)，于河床相連，固定于河底。底座結(jié)構(gòu)設(shè)計為三腳架，在河底占據(jù)最小的占地面積，并通過重力和附加的穩(wěn)定裝置進行穩(wěn)定。

3 能量的轉(zhuǎn)換

3.1 能量捕獲系統(tǒng)

該水下渦輪發(fā)電機組類似于潮流能發(fā)電系統(tǒng)中的水平軸式系統(tǒng)，其工作原理與風(fēng)力發(fā)電機的工作原理相同。河水動能捕集裝置受到水流的作用并圍繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，將水流的動能轉(zhuǎn)換為捕集裝置的旋轉(zhuǎn)機械能。能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將機械能直接或轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換到電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)輸出的電能經(jīng)電能轉(zhuǎn)換處理系統(tǒng)處理后送入系統(tǒng)終端。中央控制系統(tǒng)負責(zé)控制和管理整個發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。結(jié)構(gòu)支撐系統(tǒng)承載并固定發(fā)電系統(tǒng)的機械部件，以確保發(fā)電系統(tǒng)在不同的河底環(huán)境下穩(wěn)定運行[4]。

3.2 渦輪的變轉(zhuǎn)速控制

渦輪的變轉(zhuǎn)速控制可以借鑒風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的變速恒頻技術(shù)。變速變頻技術(shù)通過電力電子技術(shù)實現(xiàn)葉輪的變速運行，控制風(fēng)力發(fā)電機[5]。對于變速風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，其電子控制系統(tǒng)主要包括變速發(fā)電機，整流器，逆變器和中央控制器。目前廣泛使用的變速發(fā)電機包括雙饋異步發(fā)電機和低速永磁同步發(fā)電機[6]。在額定風(fēng)速以下，整流器和逆變器用于調(diào)整發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩，然后改變發(fā)電機作用于風(fēng)輪機轉(zhuǎn)子的阻力矩以實現(xiàn)風(fēng)輪機的轉(zhuǎn)速控制[7]。

4 創(chuàng)新特色及優(yōu)點

4.1 建造簡易

裝置簡易，方便安裝，特別適合安置于山區(qū)，以及滿足零散戶的用電需求。只需要對河床進行簡單的開挖和基礎(chǔ)處理，直接利用吊船將渦輪發(fā)電機放入河底，再由施工技術(shù)人員到河底進行安裝固定。施工不復(fù)雜，施工簡單，施工周期短，基礎(chǔ)設(shè)施投資小。

4.2 保護生態(tài)環(huán)境

由于葉輪轉(zhuǎn)動緩慢，不會傷害魚類并且水下渦輪機組不會釋放二氧化碳，把對生態(tài)的影響降到最低。與建造大壩不同，這種發(fā)電設(shè)施不會造成水庫誘發(fā)地震，對原有的自然地質(zhì)條件不會造成影響。

4.3 建造成本低

由前文可知，施工方便，不需要重型機器，也節(jié)約了施工成本，降低了工程的總造價。電站靠近用戶，輸變電設(shè)備和輸電線路成本低，機組運行采用微電腦控制裝置控制上電，下電，并網(wǎng)，斷網(wǎng)，自動檢測水位節(jié)制機組輸出功率，無需人工操作開機、關(guān)機，因為使用無人值守，節(jié)約人工運行費用。

4.4 與其他發(fā)電設(shè)施的對比

雖然水下渦輪發(fā)電機的原理來自于風(fēng)力發(fā)電機，但是相對風(fēng)力發(fā)電機其優(yōu)勢更為明顯。風(fēng)力發(fā)電機最明顯的缺點就是沒風(fēng)就斷電，而水下渦輪發(fā)電機位于河流的中上游，河流斷水的概率不大。相對于風(fēng)力條件來說，水流既穩(wěn)定又高效，最重要的是水比空氣更密集，這意味著水下渦輪機可以在緩慢的水流中就達到發(fā)電必要的旋轉(zhuǎn)速度。

相對于火力發(fā)電，水下渦輪發(fā)電更加環(huán)保，不需要燃燒煤等燃料，不會產(chǎn)生有害氣體。而且因為幾乎不需要煤等原料，所以發(fā)電成本低廉，非常適于貧困偏遠山區(qū)。

5 工程實例

國內(nèi)暫時還沒有此類水下渦輪機組發(fā)電的工程實例，但是在國外已經(jīng)有了此類工程項目。國外主要是利用海洋的潮汐能推動水下渦輪機組進行發(fā)電。目前，蘇格蘭MeyGen公司計劃投資8200萬美元建造水下渦輪發(fā)電機，估計本世紀(jì)20年代能夠完全對蘇格蘭三分之一家庭提供電能。

這些項目主要由英國電力可再生能源部門監(jiān)管，該部門聲稱，水下渦輪機工作良好，已經(jīng)開始為埃代島提供能源。介紹稱，水下渦輪機主要是利用潮汐以及水的力量來進行工作。另外，科學(xué)家們專門選擇在暴風(fēng)雨來臨時，將渦輪機放入水中，以證明它能承受惡劣的天氣環(huán)境。

6 應(yīng)用前景

（1）該裝置的出現(xiàn)可以大幅的解決偏遠貧困山區(qū)發(fā)電問題，對于偏遠地區(qū)的農(nóng)戶（西藏，云南乃至世界欠發(fā)達地區(qū)例如尼泊爾）可以一次安裝，多年內(nèi)用電無憂。

（2）對于長江等大型河流上的橋梁、碼頭等，均可在河流底部安裝該設(shè)備，提供電能，該裝置在河底不會對航運產(chǎn)生影響。

（3）對于帶有河流的景區(qū)，也可在次要的地帶安裝該簡易設(shè)備，提供電能，達到自給自足。且該裝置又不會對景區(qū)的美觀造成破壞。

（4）水下渦輪發(fā)電機不僅僅可以往微水電方向發(fā)展，

還可以將其批量生產(chǎn)作為大型的發(fā)電機組。

參考文獻：

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