基于風(fēng)雨儲的聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝中甲++唐范+何隆英+申路民+鐘杰+江林恒

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(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jìn)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(jìn)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

中圖分類號：TK79 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）05-0109-03

Abstract： The development and utilization of new energy is the development trend of current energy industry. By analyzing the characteristics of wind energy， rain energy， graphene and energy storage， a wind and rain storage combined power generation system suitable for urban buildings is designed. The wind power generation system， rain power generation system， graphene power generation system and energy storage device are described. The system can not only solve the problem of energy shortage， but also effectively purify and utilize water resources. With the acceleration of the current urbanization process， the system has a broad application prospects.

Keywords： wind energy； rain energy； energy storage； combined power generation； graphene

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(yùn)轉(zhuǎn)的血液。優(yōu)質(zhì)能源的出現(xiàn)和先進(jìn)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(jì)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(jī)與低碳經(jīng)濟(jì)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(yùn)動，空氣運(yùn)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(jià)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(dú)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了設(shè)計(jì)。

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(jìn)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(jī)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(jī)的風(fēng)輪葉片，從而進(jìn)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(jìn)行深入研究，現(xiàn)將它們進(jìn)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。

由圖1 可知，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(jī)、蓄水池、風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機(jī)、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(jī)進(jìn)行水力發(fā)電后的雨水進(jìn)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(jī)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(jìn)行兩級發(fā)電。轉(zhuǎn)換成的電能經(jīng)處理，可用蓄電池進(jìn)行蓄能，滿足用電設(shè)備的需求，或進(jìn)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 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(shí)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]?？梢姵鞘袠怯畹捻敳坑兄S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(jī)軸的安裝形式，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)。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(jī)，其數(shù)量可達(dá)風(fēng)力發(fā)電機(jī)數(shù)的98%以上。風(fēng)力發(fā)電機(jī)裝置的基本結(jié)構(gòu)包括風(fēng)力機(jī)、主軸、增速齒輪箱、調(diào)向機(jī)構(gòu)、發(fā)電機(jī)、支架、電纜、控制系統(tǒng)及附屬部件（機(jī)艙、機(jī)座、回轉(zhuǎn)體、制動器）等組成。風(fēng)力機(jī)又稱為風(fēng)輪，包括葉片和輪轂等，葉片安裝在輪轂上。水平軸風(fēng)力發(fā)電機(jī)模型如圖2所示。endprint

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(jī)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(jī)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(jī)，發(fā)電機(jī)勻速運(yùn)轉(zhuǎn)，從而把機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。為捕獲最大的風(fēng)能，可通過調(diào)向機(jī)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(jī)上，3個葉片時，風(fēng)能轉(zhuǎn)換率峰值為50%。

基于風(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(jìn)行改進(jìn)。考慮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(hù)費(fèi)用，本發(fā)電裝置采用3個葉片。在風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jī)風(fēng)輪葉片，如圖3所示。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(jī)械能。調(diào)整調(diào)向機(jī)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(dú)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(jī)械能，進(jìn)而轉(zhuǎn)換為電能[6]。

2.2 雨水發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(qiáng)北賽格廣場為例，賽格廣場總高度355.8m，實(shí)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(bào)可知，2016年深圳市年累計(jì)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(jìn)行雨水匯集，再進(jìn)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(jī)開始旋轉(zhuǎn)，將水的勢能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，與此同時，水輪機(jī)帶動同軸相連的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而水力發(fā)電機(jī)將發(fā)出電力，實(shí)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)裝置[7]。在貫流式水力發(fā)電機(jī)中，水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)直接連接，水流沿軸向流進(jìn)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。燈泡貫流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

在城市樓宇底部設(shè)置蓄水池，存儲經(jīng)水力發(fā)電機(jī)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(jì)

雨水是混合物，分析其成分可知，其中的鹽分能夠進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(tuán)發(fā)生反應(yīng)，分離形成氫離子，剩下的氧基團(tuán)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(jìn)行兩級發(fā)電。第一級發(fā)電中，在風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機(jī)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)，如圖5所示。此圓形三明治層狀結(jié)構(gòu)根據(jù)排水管道的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。

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(jì)

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(jì)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(hù)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(jìn)行升壓，并入電網(wǎng)，輸送到有需要的地方，創(chuàng)造社會價(jià)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(jì)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(jī)風(fēng)輪葉片的研究，設(shè)計(jì)了風(fēng)雨聯(lián)動發(fā)電機(jī)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(jī)，設(shè)計(jì)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(diǎn)，設(shè)計(jì)了含氧化石墨烯薄片的圓形三明治層狀結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)了雨水從下落到進(jìn)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(jià)值，有廣闊的應(yīng)用前景。

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