江河無壩水流能發(fā)電技術(shù)研究

林 星 周宏偉

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

水電站技術(shù)

江河無壩水流能發(fā)電技術(shù)研究

林 星 周宏偉

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川 成都 610065)

環(huán)境保護(hù)已經(jīng)成為制約傳統(tǒng)水力發(fā)電的重要因素，開展江河無壩水流能發(fā)電技術(shù)研究將有效解決這一問題。本文通過水流能量利用分析，對比風(fēng)力發(fā)電，表明水流能發(fā)電獲取能量的潛力更大；選取黃河大柳樹河段某斷面進(jìn)行了水流能發(fā)電技術(shù)的概化模擬，河段內(nèi)多斷面布置發(fā)電裝置將使大規(guī)模發(fā)電成為可能；對比傳統(tǒng)水力發(fā)電，江河水流能發(fā)電技術(shù)具有顯著的環(huán)保優(yōu)勢；鑒于國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，對江河水流能技術(shù)研究的發(fā)展趨勢和前沿技術(shù)提出了見解。

無壩技術(shù)；水流能；發(fā)電；江河

傳統(tǒng)的水力發(fā)電是通過攔河筑壩抬高水位，利用水位落差，配合水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。這種傳統(tǒng)的筑壩式水力發(fā)電在發(fā)揮綜合效益的同時，將不可避免地造成一些生態(tài)環(huán)境問題，如土地淹沒、庫岸失穩(wěn)、上淤下沖、水質(zhì)惡化、生態(tài)流量不足等。這些都對水電開發(fā)項目的環(huán)境影響評價提出了更高的要求，生態(tài)環(huán)境問題已然成為制約水電開發(fā)的重要因素。

水流能發(fā)電是一種利用水流動能發(fā)電的無壩水力發(fā)電技術(shù)，這種發(fā)電方式不需要攔蓄筑壩，很好地解決了傳統(tǒng)筑壩式水力發(fā)電中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境問題。水流能發(fā)電在海流能發(fā)電領(lǐng)域已經(jīng)得到了較好的發(fā)展[1,2]，其發(fā)電裝置通過多年研究與改進(jìn)，已經(jīng)擁有了較高的工作效率。江河水流能與海流能發(fā)電的原理相同、裝置相似。國外對江河水流能發(fā)電的研究較早，但目前仍處于試驗階段[3]。在國內(nèi)，除了王云、范軍提出了簡易的江河水流能發(fā)電裝置構(gòu)想之外，這方面的研究幾乎為空白[4,5]。為此，本文將從水流能發(fā)電的工作原理、能量利用、發(fā)電方式等方面系統(tǒng)地分析此種新型水力發(fā)電方式的發(fā)電潛力及其優(yōu)勢，預(yù)測此項技術(shù)研究的發(fā)展趨勢，以期為國內(nèi)江河水流能發(fā)電研究提供參考，促進(jìn)水電及新能源發(fā)展，改善未來能源結(jié)構(gòu)。

1 水流能發(fā)電的工作原理及其能量利用分析

水流能的利用可以追溯至古代農(nóng)業(yè)及手工業(yè)生產(chǎn)，水車、水磨等機(jī)械依靠流動的河水做動力，實現(xiàn)了水流動能的轉(zhuǎn)換，替代了部分人畜力工作。水流能發(fā)電的原理與風(fēng)力發(fā)電相似，其工作原理為：水輪機(jī)葉片在水流的作用下產(chǎn)生升力和轉(zhuǎn)矩推動葉輪繞主軸旋轉(zhuǎn)，將水流動能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，然后通過輪轂、主軸和傳動系統(tǒng)驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，電能通過變頻器等電氣系統(tǒng)實現(xiàn)穩(wěn)頻穩(wěn)壓后并入電網(wǎng)[1]。典型的水流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 水流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)示意圖

水流能水輪機(jī)的能量利用公式類似風(fēng)力發(fā)電機(jī)，具體如下：

(1)

式中P——機(jī)組的功率；

ρ——流體的密度，水的密度為1000kg/m3，空氣的密度為1.223kg/m3；

A——葉輪掃掠面積；

v——流體的速度；

Cp——能量利用系數(shù)，貝茲理論表明：理想情況下風(fēng)能轉(zhuǎn)換成動能的極限比值為16/27，即59.3 %，稱為貝茲極限，這個理論同樣適用于同為流體發(fā)電的水流能水輪機(jī)[6]。

水流能水輪機(jī)的額定流速一般設(shè)定在2m/s左右，僅為常規(guī)風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速的1/6，但是水的密度是空氣的818倍左右。假定Cp值相同，相同功率下水輪機(jī)槳葉直徑只需為風(fēng)力機(jī)的0.51倍。假定Cp同為0.35，風(fēng)力機(jī)和水流能水輪機(jī)的功率密度曲線如圖2所示。由此表明，與風(fēng)力發(fā)電相比，水流能發(fā)電獲取能量的潛力更大。

圖2 水流能水輪機(jī)與風(fēng)力機(jī)的功率密度(Cp=0.35)

2 江河水流能發(fā)電概化模擬

黃河大柳樹河段水多沙少，水資源開發(fā)條件優(yōu)越。本文選此河段某典型斷面作為模擬水流能發(fā)電系統(tǒng)的地址，斷面流場等值線如圖3所示，該斷面平均水深4.65m，平均流速1.76m/s[7]。水輪機(jī)擬采用Gorlov Helical Turbine(Gorlov螺旋水輪機(jī))，該水輪機(jī)具有能量利用效率高(可達(dá)35%[8])、自啟動、安裝靈活等優(yōu)點。由于兩岸及河床附近水流流速相對較低，且水面漂浮物及河床泥沙可能對發(fā)電裝置產(chǎn)生影響，同時為了保障一定的航運(yùn)需求，決定在斷面約2m×76m區(qū)域(圖3矩形框區(qū)域)內(nèi)布置水輪機(jī)。水輪機(jī)在該區(qū)域內(nèi)橫向成串布置，由鋼架和底座固定于河床底部基巖上(見圖4)。

圖3 黃河大柳樹河段某典型斷面流場等值線[7]

圖4 Gorlov螺旋水輪機(jī)布置示意

對此斷面內(nèi)布置的水輪機(jī)的總功率進(jìn)行估算。矩形區(qū)域面積為A=152m2，矩形區(qū)域內(nèi)的平均流速取為v=2m/s，水輪機(jī)的效率取為Cp=35%，考慮到水輪機(jī)的間距，在此對功率乘以一個系數(shù)C′=0.90。利用式(1)計算的功率為

此計算結(jié)果為該河道其中一個斷面內(nèi)的水輪機(jī)功率，在一個河段內(nèi)可以布置多組水輪機(jī)并通過電網(wǎng)連接，便可形成MW級的電站群進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電。水輪機(jī)的功率與水流流速的3次方成正比，流速的提升帶來的效益巨大，因此在實際應(yīng)用中，在水流流速更大的河段布置水流能發(fā)電裝置能夠得到更加可觀的能量收益。

3 江河水流能發(fā)電的優(yōu)勢

傳統(tǒng)水力發(fā)電面臨水庫淹沒及移民、生態(tài)環(huán)境保護(hù)兩大制約因素。傳統(tǒng)筑壩式水力發(fā)電盡管仍屬于綠色能源，但其建造過程中和建成后對生態(tài)環(huán)境的影響是不可忽視的。與傳統(tǒng)水電相比，江河水流能發(fā)電最大的不同就是不需要攔蓄筑壩，而是利用天然河道中的水流動能發(fā)電，其發(fā)電裝置可固定于河床底部，系泊于水中或漂浮于水面。江河水流能發(fā)電避免了由于水庫蓄水帶來的土地淹沒、地下水升高和庫區(qū)地質(zhì)環(huán)境影響等問題。它不會改變天然河道的河流特性，河流在空間上保持連續(xù)，不會因攔截泥沙而加劇河流淤積和沖刷，并且保證了下游的生態(tài)流量，水生生物能在相似的河流生態(tài)環(huán)境中得以生存。另一方面，傳統(tǒng)的水電站開發(fā)要修筑水庫及其它水工建筑物，將占用大面積土地，需要大量采石取土，其施工過程消耗了大量的自然資源并對周圍自然環(huán)境和社會環(huán)境產(chǎn)生一定的影響。水流能發(fā)電除設(shè)備本身制造消耗的能源外，所需的土建工程規(guī)模也極小，建設(shè)過程中對周邊的影響是極其有限的。由此可以看出，江河水流能發(fā)電作為水力發(fā)電的新形式有著明顯的環(huán)保優(yōu)勢。

此外，江河水流能發(fā)電還具有顯著的優(yōu)勢，如：能以一種經(jīng)濟(jì)有效的方式滲透到傳統(tǒng)能源難以覆蓋的地區(qū)，解決部分地區(qū)的能源問題；與潮汐能和風(fēng)能相比，具有較強(qiáng)的可預(yù)測性和持續(xù)性；易于實現(xiàn)模塊化設(shè)計，通過適當(dāng)?shù)娜谫Y機(jī)制，有利于技術(shù)推廣；建設(shè)周期短，投資少，投資回收期較短；其發(fā)電裝置可以隱沒于水下，不會改變自然景觀。

4 江河水流能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢

4.1 高效率葉輪及其葉片設(shè)計

水流能水輪機(jī)以水平軸式和垂直軸式水輪機(jī)為代表。水平軸式水輪機(jī)借鑒于風(fēng)力發(fā)電裝置，技術(shù)相對成熟，能量轉(zhuǎn)化效率較高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。垂直軸式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，對水流流向變化適應(yīng)性高，但效率較低。

水輪機(jī)葉片的流體動力學(xué)性能及其結(jié)構(gòu)設(shè)計是影響整個水輪機(jī)獲能和載荷的最重要因素。高效的葉片翼型，合理的安裝角，科學(xué)的尖速比、密實度和扭角等，都是衡量葉片設(shè)計成功與否的關(guān)鍵因素。

4.2 導(dǎo)流裝置設(shè)計

水流流速普遍處于較低水平，這就直接導(dǎo)致水流能水輪機(jī)發(fā)電功率較小。而導(dǎo)流罩能使能量集中起來，提高發(fā)電系統(tǒng)獲能效率。美國UEK公司研制的水輪機(jī)即加裝了導(dǎo)流罩。因此，開發(fā)加裝導(dǎo)流聚能裝置的水流能水輪機(jī)系統(tǒng)，是未來一段時間內(nèi)的技術(shù)發(fā)展趨勢。

4.3 水輪機(jī)尾流場特性研究

為了提高經(jīng)濟(jì)效益和電力用戶的保障度，目前水流能發(fā)電技術(shù)必將向著規(guī)模開發(fā)利用的方向發(fā)展。相關(guān)研究方向有：阻塞率對機(jī)組的影響，不同陣列布置對水輪機(jī)組獲能大小的影響等。這些研究都涉及到水輪機(jī)尾流場特性的研究，深度、流速等環(huán)境因素都將對水輪機(jī)尾流場特性產(chǎn)生影響。

4.4 江河水流能資源評估

水流能資源的勘探研究估算直接關(guān)系到資源的可開發(fā)性和經(jīng)濟(jì)性。水流能資源的評估應(yīng)從宏觀和微觀兩方面進(jìn)行，微觀方面主要為河流特性的收集及分析上。河流特性包括河流水深、流速、斷面形狀、交匯情況、航運(yùn)、水生生物等在時間及空間維度上的信息。河流特性數(shù)據(jù)庫的建立為水流能發(fā)電裝置的設(shè)計和大規(guī)模發(fā)電場的建立做準(zhǔn)備。

4.5 發(fā)電可靠性研究

天然河道存在洪水、泥沙、水生生物等，這些因素可能導(dǎo)致水流能發(fā)電裝置葉片受損、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)等問題，對水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。河流狀況的復(fù)雜性勢必要求對發(fā)電裝置載體的選擇、基礎(chǔ)的設(shè)計、保護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和施工進(jìn)行系統(tǒng)的研究。在這個過程中要綜合考慮效率、可靠性、維護(hù)及造價等問題。

4.6 成套發(fā)電系統(tǒng)研制

水流能發(fā)電系統(tǒng)包括許多組件，如轉(zhuǎn)子、導(dǎo)流裝置、固定裝置、動力傳動裝置、發(fā)電機(jī)、控制儀器和保護(hù)裝置等。系統(tǒng)設(shè)計其實就是系統(tǒng)優(yōu)化的過程，即根據(jù)各組件的特性，選擇最佳的配置，使系統(tǒng)各組件有機(jī)結(jié)合，得到更高的能量獲取效率。這個優(yōu)化過程包括成本控制過程，故系統(tǒng)設(shè)計是建立在對各組件性能和成本深入了解的基礎(chǔ)上的。綜合這些部分，去研制一個完整的性能優(yōu)越、結(jié)構(gòu)可靠、經(jīng)濟(jì)實用的系統(tǒng)。

5 結(jié) 語

本文介紹了水流能發(fā)電的工作原理，并通過能量利用分析，對比風(fēng)力發(fā)電，說明了其優(yōu)秀的獲能潛力。通過與傳統(tǒng)筑壩式水力發(fā)電對比，闡述了水流能發(fā)電的環(huán)保優(yōu)勢，并總結(jié)出還具有可預(yù)測性、可持續(xù)性、經(jīng)濟(jì)性、易于模塊化、投資回收期短、對自然景觀影響小、能有效解決無電區(qū)問題等顯著優(yōu)勢。

選取黃河大柳樹河段某斷面進(jìn)行了水流能發(fā)電技術(shù)的概化模擬，提出了實際應(yīng)用中進(jìn)行大規(guī)模發(fā)電的可行方式。高效率葉輪及其葉片設(shè)計、導(dǎo)流裝置設(shè)計、水輪機(jī)尾流場特性研究、江河水流能資源評估、發(fā)電可靠性研究和成套發(fā)電系統(tǒng)研制將是未來江河水流能技術(shù)研究的發(fā)展趨勢。

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Research on Water Flow Energy Power Generation Technology of Rivers without Dams

LIN Xing, ZHOU Hongwei

(SichuanUniversityWaterConservancyandHydropowerInstitute,Chengdu610065,China)

Environmental protection has become an important factor to restrict traditional hydropower generation. Water flow energy power generation technology of rivers without dams is studied for solving the problem effectively. In the paper, water flow energy utilization is analyzed, which is compared with wind power generation. It is obvious that water flow energy power generation has higher potential to obtain energy. One cross section in Yellow River Daliushu River Reach is selected for generalized simulation of water flow energy power generation technology. Large-scale power generation is possible by multi-section layout power generation devices in the river reach. River water flow energy power generation technology has prominent environmental protection advantage compared with traditional hydropower generation. Understanding is proposed for the development trend and frontier technology of studying river water flow energy according to domestic and foreign research status.

no-dam; water flow energy; power generation; river

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.008

TV72

A

1673-8241(2017)06- 0032- 04