新型独立互补式风力发电与管道发电智能水塔系统

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　　摘  要：针对目前大部分地区水塔采用当地电网供能、电能消耗巨大的情况，结合水塔高处风资源与水重力势能互补等优势，介绍此种新型独立互补式风力发电与管道发电智能水塔系统的工作原理和运行方式。该系统通过将不平稳可再生能源转换成平稳持续能源以替代传统化石能源供电、构建分布式电源，通过仿真分析及模型试验得出其独立性佳、稳定性好、经济节约、节能减排等优点。最后结合具体数据和实验分析证明了使用该系统能够大幅度降低小型居民区和工业区日常能耗的结论，同时为我国偏远地区、岛礁、梯田以及军区建设提供新思路。
　　关键词：风力发电;管道发电;水塔;新型系统;节能减排
　　中图分类号：TM61         文献标志码：A         文章编号：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 智能水塔系統选题背景及工作原理
　　随着化石能源的日益枯竭，国家大力倡导建设能源节约型和环境友好型社会。资源和环境压力是制约我国长期发展的重要瓶颈，需求侧的节能降耗成为了重要的解决之道。
　　水塔作为重要的供水装置，应用广泛，高度较高，并且普遍使用电网进行供电。本系统针对目前部分地区采用水塔供水的现状提出创新供能方案：结合水塔高处丰富的风资源，在指定地区的水塔上安装合适数量及功率的风力发电机，直接带动水泵抽水或将电能储存进蓄电池进行抽水蓄能。同时在用户用水时，利用通过安装在用户用水管道的分布式管道发电机或者水塔总管的水轮发电机进行直接照明用电或将电能储存进蓄电池。这就利用该新型独立互补式风力发电与管道发电智能水塔系统构建了分布式电源，将不平稳不持续的风能通过为水塔抽水装置供电进行抽水蓄能，转变为持续平稳的电能。智能水塔系统设计如图1所示。
　　2 智能水塔系统创新之处
　　通过物联网对该系统进行智能管理与控制。该系统通过物联网，用中心计算机对各个独立系统的机器、设备、人员进行集中管理。同时通过数据采集与分析，用以更新设计思路、确定更加节能减排的方案。
　　利用“风电-抽水储能联合运行系统”，将不平稳风能转换为平稳持续清洁能源。该系统电能主要来源于架设在水塔顶端或者下端的风力发电机，直接带动水泵抽水或将电能储存进蓄电池。同时在用户用水时，利用通过安装在用户用水管道的分布式管道发电机或者水塔总管的水轮发电机进行直接照明用电或将电能储存进蓄电池。能量缓冲装置成本较低，实现了由不稳定输出向稳定能源输出的过程。大功率风机在短时间内积累的能量能够连续、均匀地释放。
　　构建分布式电源，实现独立式系统，电能自产自用。减少水塔内设备对外部电网的用电依赖，在水塔建设过程中，不必为水塔单独铺设供电线路，降低建设成本，使外部电网的电力波动不会对系统内的设备造成影响，提高了系统建设的灵活性，保证外部电网的安全性。该系统在众多海岛、河岸等（有风、有水源和建设条件）地区，可因地制宜地进行建设，且海岛等地区在用电需求方面有特殊性，规模不需很大。如钓鱼岛、黄岩岛等地区往往缺少或者不便于构建电网，在不需配备变频器、且减少电机的情况下实现连续、平稳供电很有意义。 　　3 智能水塔系统运行方案
　　智能抽水装置（含控制及显示部分）：采用继电器进行电源控制[1]。水位上升到上限水位，水与探头接触，水位控制器自动关泵;水位下降到下限水位，水与探头脱离接触，水位控制器自动开泵，水池充水。
　　风力发电装置（含控制及显示部分）：理论上采用垂直轴风力发电机（考虑到实验条件限制模型采用水平轴）。风轮的转速上升速度提高较快（力矩上升速度快），它的发电功率上升速度也相应变快，发电曲线饱满。利用风力发电为水塔系统供电，并利用蓄电池储能;进行充电检测与电池保护。
　　管道发电装置：紧急情况时利用水塔高处蓄积的水重力势能发电，该发电机利用水的动能带动叶轮转动。上游管路中的水经引水管引向水轮机，推动水轮机转轮旋转，带动发电机发电。发电机将发电电能储存在蓄电池。蓄电池和发电机之间安装二极管防止蓄电池的电能带动发电机转动。
　　其他模块：与控制芯片连接的显示模块，用于显示温度传感器检测到的温度值。通过显示模块还可以显示水箱中的液位、蓄电池的电量、水泵的工作状态等等信息，使工作人员可以及时的了解到水塔的工作信息。通过模型示用户用电情况，进一步的减少工作人员的维护压力。该水塔还包括与所述控制芯片连接的通信模块，用于将所述温度传感器检测到的温度信息发送至外部网络。工作人员可以使用各种电子设备远程了解水塔的工作状态。
　　独立互补系统：独立互补式风力发电与管道发电智能水塔系统构建分布式电源。风能充沛时，风力发电机将电能储存在蓄电池中，利用其电能将下游水抽到水塔高处蓄有势能;风力不充沛时，将水势能通过管道发电转化为电能以供需。可以减少水塔内设备对外部电网的用电依赖，在水塔建设过程中，不必为水塔单独铺设供电线路，降低建设成本，使外部电网的电力波动不会对水塔内的设备造成影响，提高了水塔建设的灵活性，保证外部电网的安全性。
　　4 智能水塔系统可行性分析及仿真试验
　　4.1 可行性分析
　　4.1.1 风能公式
　　风能主要与风速、风所流经的面积、空气密度三个因素有关[2]，其关系为：E=ρsu3t。式中：ρ-空气密度（kg/m2），u-风速（m/s）;t-时间（s）;s-截面面积（m2）
　　4.1.2 风速
　　本水塔模型建立于多风丘陵地区，风力发电机在4-5级风时能够良好运行[3]，平均风速约为10m/s，风速与高度的关系式为V=V0（）n。式中：V-高度H处风速;V0-高度H0处风速（H0为10m，n为摩擦系数，取0.4）。水塔叠加风机底座后的高度约为30m，由此可知风力发电机工作风速约为15.5m/s。
　　4.1.3 风力发电量计算
　　假设一天能保证8小时的良好运行，该风力发电机可以提供电能为E=ρsu3t·Cp·ηe。其中ρ=1.293kg/m2，s=10m2，u=15.5m/s，t=8h，Cp=0.4（风能利用系数），ηe=0.95（蓄电池效率）。经计算得一天发电量约为74kWh。
　　4.1.4 管道发电部分理论计算
　　水塔高度约为30m，储水落到地面的速度约为24m/s，若水箱与水轮发电机之间的流通管道的管径为150mm，则根据流量公式可算得水轮发电机处的水流量为0.4m3/s。这种水流的特点是水头較高，流量小，建议选用混流式水轮发电机。该系统的总发电量可以表示为Ep=ρqvhη1ηe·t。其中，ρ：水的密度，取1000kg/m3;qv：体积流量，取0.4m3/s;h：水塔高度，取30m;η1：水轮机效率，取0.7;ηe：蓄电池效率，取0.95;t：发电时间，取5h。
　　由上式可得，水轮机一天工作5小时，发电量约为40kWh。
　　4.1.5 理论总发电量
　　在系统一天总共工作13小时的情况下，可用发电量约为114kWh，可供功率15kW的水泵工作将近8小时。若水泵工作同时，为家用电为10kW的用户供电，可以使用5小时左右，足够应对停电等紧急事件。
　　4.2 仿真试验
　　4.2.1 数值模拟
　　实验测试时，小型风力发电机运行良好，可稳定充电。在此基础上，课题组利用相似性原理及软件进行模拟，并且利用MATLAB进行管道发电量的相关数值计算，得到如表1所示结果。
　　4.2.2 结果分析
　　绘制总发电量和总耗电量对比图，如图3所示。由图可见，总发电量约为总耗电量的两倍左右，大量的剩余电量可以储存在蓄电池里，供给民居、营房、工地在紧急停电时使用，也可以为路灯、报警器等小型设备供电。根据相关数据，对于风力发电机输出能量与风能可利用小时数绘制折线图，如图4所示。累计时数越高，投产后风力机发电量越大，但是风能可利用小时数和风力机能量呈递增的关系不明显，主要是因为维持风力机恒定功率的风速可利用小时数占的比重不同发生了影响。不过，整个系统还是达到了充分利用风能资源的目的。
　　提高风力发电机发电功率的重点在于选址，在风速大、开阔的平原地区，设置该智能水塔可以储存更多的电能，节能减排的效果更明显。尽管用水量的上升会导致抽水电耗增加，但是与此同时管道发电量也会上升，对于抽水电耗进行一定程度的补充，如图5所示。该独立互补式智能水塔系统充分回收了输水管道的能量，节能减排效果显著。
　　5 项目前景展望
　　本系统使用到了风力发电机以及管道发电机，而风力发电机需要安装在水塔顶端，同时管道发电机的工作参数需要与特定地区的用户系统匹配，这无疑会增加安装难度和安装成本，一定程度上限制其应用和市场的推广。在电力系统中增加储能系统可以平抑波动，目前国内外已采用该方式减少弃风[5]，在偏远岛礁地区、军区和山区梯田建设中，该智能水塔系统的应用具有更大的意义。越独立于大型电网和水网的地区越需要水塔来稳定水压，同时期望水塔耗电对于电网的影响越来越小。该智能水塔系统还可以进行延伸设计，在“风力抽水蓄能”思想的基础上，将水塔变化为高位灌溉机、楼顶消防储水箱、山顶蓄水池等，借鉴风力发电与管道发电互补的思路，形成独立系统，用电不受地理位置的局限。新型独立互补式风力发电与管道发电智能水塔系统具有独立系统性高、稳定性好、经济节约、节能减排等优点，将在以后的工程实践中得以进一步发展和完善，为我国建设能源节约型和环境友好型社会做出一定的贡献。
　　参考文献：
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　　[2]张照煌，Muhammad Aqeel，刘青.提高风电叶片风能利用和转化率的新理论和新方法——风力发电叶片出流角计算公式的建立及应用[J].应用基础与工程科学学报，2017，25（05）：1040-1047.
　　[3]张石强.风力机专用翼型及叶片关键设计理论研究[D].重庆：重庆大学，2010.
　　[4]李争，齐伟强，于潇雪.分布式能源用垂直轴风力机的结构优化设计[J].机械设计与制造，2020（04）：36-40.
　　[5]李强.混合储能平抑综合电力推进系统功率波动研究[D].哈尔滨工程大学，2016.
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