基于貫流式發(fā)電理念的高樓雨水發(fā)電新工藝

徐東偉 寧厚飛 張永斌 韓星星 鄭耀強(qiáng)

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

基于貫流式發(fā)電理念的高樓雨水發(fā)電新工藝

徐東偉 寧厚飛 張永斌 韓星星 鄭耀強(qiáng)

(武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北 武漢 430065)

介紹了高樓雨水發(fā)電的工作原理，通過模型設(shè)計及理論計算分析，建立了一套高樓雨水發(fā)電工藝體系，并對該體系包含的雨水收集、貫流式發(fā)電、儲電和智能控制供電三個部分進(jìn)行了闡述，分析了該工藝的創(chuàng)新點和可行性，以促進(jìn)其推廣應(yīng)用。

高樓雨水，發(fā)電，節(jié)能，資源

0 引言

高樓雨水本身由大面積屋頂作為天然收集平臺；蘊(yùn)藏著豐富的勢能,建立高樓雨水發(fā)電工藝體系能緩解大城市供電不足的壓力，減少環(huán)境污染，同時也是響應(yīng)國家綠色建筑的政策導(dǎo)向，國內(nèi)很多人提出高樓雨水發(fā)電模型，但因沒有緊密結(jié)合工程實際，難以與工程實際掛鉤。本工藝體系直接將發(fā)電機(jī)安置于排水管道中，直接利用雨水從管道流下過程發(fā)電，中間不需經(jīng)過其他工序影響勢能的損失。

1 工作原理及流程

高樓雨水經(jīng)屋面回流后經(jīng)雨水斗粗過濾，在雨水管接口處設(shè)計一個小型蓄水池，并在出水口處設(shè)有一個浮球閥，當(dāng)蓄水池內(nèi)的水位達(dá)到一定值時，閥門自動打開，發(fā)電機(jī)安裝在排水管內(nèi)，雨水流下管道的過程中帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電(見圖1)。通過逆變電路和整流濾波電路將電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，用蓄電池將零散的電能收集起來以用于路燈等公共基礎(chǔ)設(shè)施。

本工藝包含三個部分：雨水收集、貫流式發(fā)電、儲電和智能控制供電。

1)雨水收集。

因選用的為燈泡貫流式水力發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)裝置直徑略大于排水管直徑，選用水塞流對保護(hù)發(fā)電機(jī)的使用壽命和保證發(fā)電效率比較有利。同時因為只有當(dāng)水箱的水位達(dá)到一定值后，浮球閥門才會打開，雨水才會下流，此時摻氣量較少并且具有水壓，因此可以保證水塞流狀態(tài)下水流的順暢。并且我們選用的稀土永磁發(fā)電機(jī)對應(yīng)流量范圍0.021 m3/s～0.127 m3/s，在屋面的四角設(shè)計四個水箱，雨水沿一定坡度的屋面經(jīng)水箱側(cè)面的濾網(wǎng)截留較大的一些懸浮雜質(zhì)后匯入水箱，并用一個浮球閥控制蓄水量，保證發(fā)電機(jī)能在相對穩(wěn)定的水塞流狀態(tài)下工作。

2)貫流式發(fā)電。

本系統(tǒng)采用燈泡貫流式發(fā)電機(jī)組，將發(fā)電機(jī)等比例縮小至接口與建筑雨水排水管直徑相當(dāng)?shù)某叽?，見圖1。

下面以武漢地區(qū)60棟的小區(qū)住宅為例進(jìn)行理論計算與分析。一棟20層，層高3 m，每層2梯4戶，屋頂面積800 m2，漢口地區(qū)采用的暴雨強(qiáng)度公式為：

q=983×(1+0.65lgP)/(t+4)0.56。

其中，q為暴雨強(qiáng)度，(L/s)/hm2;t為降雨歷時，min;P為重現(xiàn)期，年。取t=5 min,P=1年得q=287.49 (L/s)/hm2。

一棟建筑屋面在一次降雨中接受的雨量：

V=φqFt。

其中，φ為屋面徑流系數(shù)，取0.9；F為匯水面積，m2。

V=0.9×287.49×0.08×1 800=38 m3。

排水管應(yīng)選阻力系數(shù)小的，以減少阻力，提高雨水勢能的利用率，推薦選用UPVC管?？紤]到單根排水管的長度為4 m，所選發(fā)電機(jī)的適用水頭為5 m～8 m，為充分利用雨水下落的勢能并方便于施工(將發(fā)電機(jī)安裝于排水管接頭處,選用每一級發(fā)電的水頭高度為8 m，用變徑接頭連接)，對這棟60 m的建筑采用7級發(fā)電，有效發(fā)電長度為56 m。初步估計發(fā)電機(jī)效率η1=70%，后續(xù)電路效率η2=70%。發(fā)電功率:

P=η1η2QHg=0.7×0.7×0.05×56×10=14 kW。

一棟建筑一次降雨發(fā)電量W=14×(38/0.05×3 600)=3 kWh。假設(shè)該小區(qū)有60棟，一個月降雨8次(一次30 min)，則一年的發(fā)電量W=60×8×12×3=18 000 kWh。可以用于小區(qū)路燈照明等。為防止暴雨期間，排水不暢現(xiàn)象出現(xiàn)，連接處設(shè)有旁通管。

3)儲電和智能控制供電系統(tǒng)。

蓄電池的蓄電與供電的研究雨水發(fā)電產(chǎn)生的電流波動范圍廣，極不穩(wěn)定。所以需要設(shè)計電路將電流轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，采用蓄電池將零散的電能儲存起來。選擇固定型閥控密封式鉛酸蓄電池，所需維護(hù)工作量極小，便于安裝，使用壽命5年～8年。蓄電池的儲藏電能是有限的，為了不影響用戶的正常生活和可以充分的利用蓄電池的電能，同時為了很好地將蓄電池的直流電變成交流電，本系統(tǒng)通過圖2所示整流濾波電路后將電流轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的直流電進(jìn)行蓄電池充電，然后通過一個逆變電路將其轉(zhuǎn)換為220 V交流電供給用電器正常使用。

2 創(chuàng)新點

本工藝體系充分利用高樓雨水自身蘊(yùn)含豐富勢能這一特點，充分利用自然資源，在節(jié)能減排方面應(yīng)用前景廣泛，符合現(xiàn)代綠色建筑的設(shè)計理念，與當(dāng)前建筑發(fā)展的趨勢相吻合，可實施性強(qiáng)，有以下兩點創(chuàng)新點：1)利用建筑物屋頂?shù)钠露绕矫婕氨旧硭接械挠晁潘艿?，使雨水沿管道流下的過程帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電，積少成多，化零為整。產(chǎn)生的電能將用于高樓的公共設(shè)施如樓道應(yīng)急照明燈、路燈等，發(fā)電、用電過程均具有創(chuàng)新性。2)本系統(tǒng)選用的發(fā)電機(jī)組依照排水管的布置和規(guī)格而定，與建筑物原有排水管道設(shè)計比較吻合，尺寸相當(dāng)，與工程實際結(jié)合緊密，在不改變原有建筑物排水結(jié)構(gòu)上安裝，相對于其他發(fā)電方式實際安裝簡便，投資相對小。

3 可行性分析

1)設(shè)計與工程實際緊密結(jié)合，可操作性強(qiáng)。本系統(tǒng)的設(shè)計遵循了建筑的相關(guān)法律法規(guī)，并利用了建筑原有的排水管道，與工程實際結(jié)合緊密，可操作性強(qiáng)，便于施工建設(shè)與實施?？梢哉f本系統(tǒng)的設(shè)計是為城市中的高樓量身定做的系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的設(shè)計更具有優(yōu)越性。2)豐富的降雨量與龐大的高樓群蘊(yùn)藏著巨大的經(jīng)濟(jì)效益，便于項目的實施與推廣。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國有600多個城市，每個城市的高樓數(shù)量眾多，而在東部沿海大部分城市及部分中西部城市每年降雨量超過1 000 mm的城市有很多，福建、海南等省份降雨量甚至有時超過2 000 mm，所以如若高樓雨水發(fā)電及回收利用一體化系統(tǒng)設(shè)施建立成功并全面推廣，其發(fā)電量和節(jié)約的水資源是巨大的，創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)效益也是非常可觀的。3)項目實施后有一定的經(jīng)濟(jì)效益，為項目可行性奠定了基礎(chǔ)。這里對高樓雨水發(fā)電工藝體系做一個投資預(yù)算，每棟樓項目實施成本預(yù)算(以20層為標(biāo)準(zhǔn))見表1。

表1 項目實施成本預(yù)算表

前面已經(jīng)估算年發(fā)電量為18 000 kWh,根據(jù)民用交流電單價為1元/kWh，合計4年可收回成本，若考慮投資動態(tài)收益率，5年可以收回成本，從經(jīng)濟(jì)可行性角度上來說是可行的。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的高樓雨水發(fā)電工藝在經(jīng)濟(jì)上可行，從環(huán)保和節(jié)能的角度來說具有重要意義，但是它的實行和推廣及優(yōu)化過程還有待于各界人士的共同努力，可以從以下兩點出發(fā)：1)本系統(tǒng)所采用的貫流式發(fā)電機(jī)組是按照原有發(fā)電機(jī)組的原理以一定比例縮小做成的，現(xiàn)行的市場上微型發(fā)電機(jī)也是按照大型發(fā)電機(jī)以一定比例制成的，若能設(shè)計并制造出針對排水管量身定做能最高效發(fā)電的發(fā)電機(jī)，將能極大提高高樓雨水發(fā)電效率，促進(jìn)并推廣高樓雨水發(fā)電的應(yīng)用。2)由于本體系建立使甲方投入建設(shè)成本增大，與不加此工藝體系相比，施工方施工也會簡便很多，會導(dǎo)致很少有甲方愿意在小區(qū)住宅內(nèi)建立相應(yīng)的發(fā)電設(shè)施。相關(guān)政府部門可以出臺一系列政策來引導(dǎo)和鼓勵甲方建造配有高樓雨水發(fā)電設(shè)施的項目。

[1] 車 伍，李俊奇.城市雨水利用與技術(shù)管理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] 王增長.建筑給水排水工程[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] 《中國氣象年鑒》編輯部.中國氣象年鑒2011[M].北京：氣象出版社，2011.

The building rainwater power generationnew process based on tubular power generation ideas

XU Dong-wei NING Hou-fei ZHANG Yong-bin HAN Xing-xing ZHENG Yao-qiang

(Urban Construction College, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China)

This paper introduced the working principle of building rainwater power generation, through the model design and theoretical computation and analysis, established a set of building rainwater power generation technology system, and elaborated the system included rainwater collection, tubular power generation, electricity storage and intelligent control three parts, analyzed the innovation and feasibility of this technology, in order to promote its popularization and application.

building rainwater, power generation, energy saving, resource

1009-6825(2014)31-0216-03

2014-08-25

徐東偉(1992- )，男，在讀本科生; 寧厚飛(1992- )，女，在讀本科生; 張永斌(1992- )，男，在讀本科生

TU201.5

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