風(fēng)雨儲的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計
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摘要：開發(fā)和利用新能源是當(dāng)前能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，通過分析風(fēng)能、雨能、石墨烯、儲能的特點，設(shè)計了適用于城市樓宇的風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，并對該系統(tǒng)包含的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雨水發(fā)電系統(tǒng)、石墨烯發(fā)電系統(tǒng)、儲能裝置進行了闡述。該系統(tǒng)不僅能解決能源短缺的問題，而且能有效凈化與利用水資源。隨著當(dāng)前城鎮(zhèn)化進程的加快，本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：風(fēng)能；雨能；儲能；聯(lián)合發(fā)電；石墨烯
引言
能源是人類賴以生存、發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會正常運轉(zhuǎn)的血液。優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進能源利用技術(shù)的使用對于一個國家或地區(qū)的社會經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用[1]。隨著世界化石能源劇烈消耗而引起的能源危機與低碳經(jīng)濟的興起，尋找可替代能源和發(fā)展清潔能源更是迫在眉睫。目前，我國能源供需缺口在不斷變大，使得對外依存度不斷升高，已成為危及國家安全的因素[2]。在當(dāng)前日益嚴(yán)峻的節(jié)能減排壓力下，加快發(fā)展可再生能源已成為我國當(dāng)務(wù)之急[3]。此外，我國水資源占全球總量的6%，人均占有量只有世界平均水平的25%，是全球人均水資源最貧乏的國家之一。與此同時，水污染嚴(yán)重，導(dǎo)致水生態(tài)明顯退化，水質(zhì)普遍惡化，各種突發(fā)性水污染事件頻發(fā)，水資源短缺問題日益突出。風(fēng)是空氣的水平運動，空氣運動產(chǎn)生的動能即為風(fēng)能。風(fēng)能是一種巨大的、無污染的、永不枯竭的重要自然資源。風(fēng)能的主要應(yīng)用是風(fēng)力發(fā)電。在我國可再生能源發(fā)電領(lǐng)域，風(fēng)力發(fā)電一直是領(lǐng)跑者。風(fēng)能資源豐富的地區(qū)一般都在比較偏遠(yuǎn)的地區(qū)，風(fēng)電場場址多選在此處。雨水作為一種極有價值的水資源，早已被人們發(fā)覺。目前對雨水利用的研究主要用在解決作為水資源短缺地區(qū)的飲用水和農(nóng)田灌溉問題上[4]。石墨烯作為一種新型納米材料有著獨有的特性，石墨烯與雨水作用時可產(chǎn)生電能。城市樓宇頂部具有豐富的風(fēng)力資源，樓宇頂部可以匯集大量的雨水，可進行水力發(fā)電。目前未有將風(fēng)能、雨能、石墨烯、儲能作為一個發(fā)電系統(tǒng)進行研究，鑒于此，本文通過對風(fēng)力發(fā)電技術(shù)、水力發(fā)電技術(shù)、儲能技術(shù)和石墨烯發(fā)電技術(shù)進行研究，提出了一種適用于城市樓宇的高效的風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的方案，并對系統(tǒng)進行了設(shè)計。
1風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
目前風(fēng)力發(fā)電技術(shù)比較成熟，雨水發(fā)電多是采用雨水匯集后再進行水力發(fā)電的方法。雨水從高空落下具有一定的動能，為了充分地利用風(fēng)能以及雨能，采取風(fēng)力發(fā)電為主，在風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片上布置雨水收集槽以構(gòu)成風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機的風(fēng)輪葉片，從而進行發(fā)電。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，雨水在石墨烯薄膜表面流過及通過含氧化石墨烯制備的三維結(jié)構(gòu)時均能產(chǎn)生電能。通過對風(fēng)能、雨能、石墨烯各自的發(fā)電技術(shù)及儲能技術(shù)進行深入研究，現(xiàn)將它們進行結(jié)合，提出風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要由雨水匯集、過濾凈化及收集裝置、微型水力發(fā)電機、蓄水池、風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機、石墨烯、整流濾波電路、蓄電池、用電設(shè)備等組成。其中微型水力發(fā)電機進行水力發(fā)電后的雨水進入蓄水池，可滿足城市非飲用水的需求，比如綠化、空氣除塵、噴泉等。風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機將風(fēng)能和雨水的動能與勢能轉(zhuǎn)換為電能。利用石墨烯材料可進行兩級發(fā)電。轉(zhuǎn)換成的電能經(jīng)處理，可用蓄電池進行蓄能，滿足用電設(shè)備的需求，或進行升壓并網(wǎng)，輸送到需要電力的地方，為人類提供永久的電力。
2.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計
一般而言，三級風(fēng)到九級風(fēng)適合風(fēng)力發(fā)電。對應(yīng)的風(fēng)速范圍為3.4m/s～24.5m/s。經(jīng)實測，建筑高度為492m的上海環(huán)球金融中心，其頂部最大風(fēng)速為21.77m/s[5]。可見城市樓宇的頂部有著豐富的風(fēng)能資源。本系統(tǒng)是利用城市樓宇頂部的空間，在其上建立小型風(fēng)力發(fā)電裝置。根據(jù)風(fēng)力機軸的安裝形式，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。本系統(tǒng)使用的是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的水平軸風(fēng)力發(fā)電機，其數(shù)量可達(dá)風(fēng)力發(fā)電機數(shù)的98%以上。風(fēng)力發(fā)電機裝置的基本結(jié)構(gòu)包括風(fēng)力機、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機構(gòu)、發(fā)電機、支架、電纜、控制系統(tǒng)及附屬部件（機艙、機座、回轉(zhuǎn)體、制動器）等組成。風(fēng)力機又稱為風(fēng)輪，包括葉片和輪轂等，葉片安裝在輪轂上。風(fēng)力發(fā)電的原理是，風(fēng)以一定的速度吹風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片，產(chǎn)生的力驅(qū)動風(fēng)輪低速轉(zhuǎn)動，將風(fēng)能轉(zhuǎn)換為機械能，通過傳動系統(tǒng)、增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機勻速運轉(zhuǎn)，從而把機械能轉(zhuǎn)換為電能。為捕獲最大的風(fēng)能，可通過調(diào)向機構(gòu)使風(fēng)輪對準(zhǔn)風(fēng)向。風(fēng)輪葉片數(shù)是風(fēng)輪最顯著的外形特征，隨著風(fēng)輪葉片數(shù)的增加，最大風(fēng)能利用系數(shù)增加，但增加率逐漸減少。此外，隨著風(fēng)輪葉片數(shù)的增加，最佳葉尖速比減小。葉片一般為1～4片，常用的為2～3片。葉片數(shù)為3時，其葉片成120°夾角，轉(zhuǎn)子的動平衡比較簡單。在現(xiàn)代水平軸風(fēng)力機上，3個葉片時，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率峰值為50%?；陲L(fēng)力發(fā)電的原理，為將風(fēng)能和雨水下落的勢能與動能同時利用，需對已有的風(fēng)力發(fā)電裝置進行改進?？紤]到雨水的充分利用及發(fā)電裝置的自重、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、制造安裝成本及維護費用，本發(fā)電裝置采用3個葉片。在風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片的單面上布置若干雨水收集槽，使其分布滿該面，另一面仍為光滑面，構(gòu)成風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機風(fēng)輪葉片，使之可以單面收集沖刷的雨水，將雨水的勢能與動能作用于風(fēng)輪葉片，使風(fēng)輪葉片轉(zhuǎn)動，從而轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪葉片的機械能。調(diào)整調(diào)向機構(gòu)，使得風(fēng)輪葉片在雨水作用時轉(zhuǎn)動方向與風(fēng)力單獨作用時的轉(zhuǎn)動方向一致。這樣，風(fēng)能和雨水的動能、勢能一起轉(zhuǎn)換為風(fēng)輪葉片的機械能，進而轉(zhuǎn)換為電能[6]。
2.2雨水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計
城市樓宇頂部有著面積巨大的平臺，可以作為一個雨水匯集平臺。以深圳華強北賽格廣場為例，賽格廣場總高度355.8m，實高291.6m，塔樓采用正八邊形分布，總面積達(dá)1380.6m2。由2016年度深圳市水資源公報可知，2016年深圳市年累計雨量為2721.33mm，則能夠匯集的雨水量為3757.068198m3，城市居民人均生活用水量為165.59L/日，則該裝置匯集的雨水能夠滿足約62人的年用水量?？梢姵鞘袠怯铐敳繀R集的雨水不僅有著豐富的勢能而且是一種豐富的水資源。本系統(tǒng)是利用城市樓宇頂部平臺進行雨水匯集，再進行水力發(fā)電。水力發(fā)電的原理就是在水流的沖擊作用下，水輪機開始旋轉(zhuǎn)，將水的勢能轉(zhuǎn)換為機械能，與此同時，水輪機帶動同軸相連的發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，進而水力發(fā)電機將發(fā)出電力，實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。具體而言，雨水沿著城市樓宇頂部具有一定坡度的地面匯流到流通管道，流通管道中的雨水經(jīng)過雨水過濾凈化裝置除去泥沙等雜質(zhì)，進入含氧化石墨烯制備的三維結(jié)構(gòu)，流出的雨水可被雨水收集裝置收集。在雨水收集裝置內(nèi)安裝浮球閥，以保證發(fā)電機正常工作時所需的水流狀態(tài)。當(dāng)雨水收集裝置內(nèi)的水位達(dá)到一定值時，閥門開啟。雨水進入排水管道，在排水管道內(nèi)分級布置燈泡貫流式發(fā)電機裝置[7]。在貫流式水力發(fā)電機中，水輪機與發(fā)電機直接連接，水流沿軸向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪，這樣將排水管道中雨水的壓力能與動能轉(zhuǎn)換為電能。在城市樓宇底部設(shè)置蓄水池，存儲經(jīng)水力發(fā)電機之后的雨水，此部分雨水可用作城市非飲用水的來源，比如洗車、消防儲備水等。此外，雨水經(jīng)過濾凈化處理可吸除雨水中的部分硫化合物，有助于綠色環(huán)保。
2.3石墨烯發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計
雨水是混合物，分析其成分可知，其中的鹽分能夠進行電離，產(chǎn)生正離子（Na+、Ca2+、Al3+等）與負(fù)離子。經(jīng)過一系列的理論和實驗研究發(fā)現(xiàn)，水或其他極性液體通過一維結(jié)構(gòu)（如碳納米管）時，可以在液體流動方向產(chǎn)生一定的凈勢能差和相應(yīng)的電流。而石墨烯富含可在二維平面上自由移動的電子，因此具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，這些雨水中的正離子可吸附在石墨烯表面。在雨水和石墨烯之間的接觸處，水中富含的正離子和石墨烯富含的電子形成具有法拉第準(zhǔn)電容特性的雙層結(jié)構(gòu)，稱為贗電容器，它能夠像電容那樣存儲電能。由含氧化石墨烯制備的三維結(jié)構(gòu)具有足夠大的孔洞，可允許水分子自由通過。當(dāng)水從這種結(jié)構(gòu)的頂部流淌到底部的時候，水分子將和氧化石墨烯中的含氧基團發(fā)生反應(yīng)，分離形成氫離子，剩下的氧基團則非均一的分布在結(jié)構(gòu)中，這將產(chǎn)生足夠多的離子，從而產(chǎn)生電能，這種能量轉(zhuǎn)換方式的效率高達(dá)62%[8-10]。本系統(tǒng)是利用石墨烯材料與雨水進行兩級發(fā)電。第一級發(fā)電中，在風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機風(fēng)輪葉片光滑面鍍上石墨烯薄膜，以形成贗電容器，存儲電能。第二級發(fā)電中，雨水經(jīng)過濾凈化裝置流至含氧化石墨烯薄片的圓形三明治層狀結(jié)構(gòu).此圓形三明治層狀結(jié)構(gòu)由兩片多孔鋁電極組成上下兩極板。氧化石墨烯薄片夾在兩極板中間，石墨烯薄片邊緣用絕緣膠絕緣。這樣，此結(jié)構(gòu)可滿足水分子正常通過，并利用氧化石墨烯產(chǎn)生電能。
2.4儲能裝置設(shè)計
受限于環(huán)境的影響，風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、雨水發(fā)電系統(tǒng)、石墨烯發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不穩(wěn)定，波動較大，因此需要設(shè)計電路，將零散的電能用蓄電池存儲起來?？紤]成本、安裝、壽命、維護等綜合因素，選擇鉛酸蓄電池。利用逆變電路將電池中存儲的電轉(zhuǎn)換為市電，滿足普通用電設(shè)備的要求。富余的電力可進行升壓，并入電網(wǎng)，輸送到有需要的地方，創(chuàng)造社會價值。
3結(jié)束語
（1）基于風(fēng)電、水電、石墨烯、儲能的工作原理，設(shè)計了適用于城市樓宇的風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，在原理上可行。（2）通過對風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片的研究，設(shè)計了風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機風(fēng)輪葉片，可滿足對風(fēng)能與雨能的同時利用。（3）通過對水力發(fā)電的研究，在城市樓宇的雨水排水管道中布置貫流式水力發(fā)電機，設(shè)計了雨水在排水管道內(nèi)流通時的多級利用發(fā)電系統(tǒng)。（4）利用石墨烯的特點，設(shè)計了含氧化石墨烯薄片的圓形三明治層狀結(jié)構(gòu)。設(shè)計了雨水從下落到進入雨水收集裝置過程中的兩級利用發(fā)電系統(tǒng)。（5）該聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)充分利用了雨水，從綠色節(jié)能的角度來看有著重大意義。隨著城鎮(zhèn)化的加劇，用戶用電要求的提高及生態(tài)環(huán)保、資源短缺壓力的增大，本系統(tǒng)具有一定的市場推廣價值，有廣闊的應(yīng)用前景。
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作者:郝中甲 唐范 何隆英 申路民 鐘杰 江林恒 單位:湖南工學(xué)院機械工程學(xué)院 湖南工學(xué)院安全與環(huán)境工程學(xué)院
