黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹峻博

(蘭州文理學(xué)院美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，甘肅 蘭州 730010)

在城市濕地景觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域，生態(tài)凈化水生成、再生清潔電能利用等方面的自循環(huán)清潔能源再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的提出，是一個(gè)創(chuàng)新之舉，它將濕地自循環(huán)生態(tài)系統(tǒng)與閉合自循環(huán)能源生成結(jié)合在一起[1]，屬于國內(nèi)首創(chuàng)，該領(lǐng)域研究國內(nèi)尚無先例。

20世紀(jì)70年代起，歐美、日本等國家和地區(qū)開始將城市河流濕地逐漸修復(fù)到原生狀態(tài)[2]，這些城市化程度較高的國家對已破壞的城市河流濕地進(jìn)行生態(tài)恢復(fù)，并試圖擴(kuò)大河岸空間，構(gòu)筑生態(tài)水岸，建設(shè)濱河濕地景觀。國內(nèi)城市濱河濕地景觀設(shè)計(jì)在國內(nèi)起步較晚，其首要任務(wù)是在保護(hù)和恢復(fù)濕地生態(tài)系統(tǒng)的前提下[3]，促進(jìn)城市建設(shè)發(fā)展，尤其是已經(jīng)發(fā)生退化的城市區(qū)域內(nèi)濕地?？偠灾?，國內(nèi)外都以恢復(fù)河流濕地的生物多樣性的特性、自然生態(tài)和環(huán)境功能，利用自然地形地貌，建立起自然生態(tài)要素與城市景觀要素和諧共存的城市河流生態(tài)，把河流堤岸盡量恢復(fù)成接近于自然的形態(tài)，努力創(chuàng)造出豐富自然的水邊環(huán)境[4]。

在濕地能源利用方面，國內(nèi)外研究大多將視線聚集在濕地生物質(zhì)能源、工業(yè)原料等方面[5]，通過生物質(zhì)固體成型燃料技術(shù)、沼氣技術(shù)等加以利用，進(jìn)而建立濕地生物質(zhì)能源化利用模式[6]。但是，在濕地生態(tài)凈化水生成、再生清潔電能利用等方面的自循環(huán)清潔能源再生系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究方面，經(jīng)過資料文獻(xiàn)等查閱，國內(nèi)外暫無研究成果。

為填補(bǔ)國內(nèi)對于該領(lǐng)域研究的空白，設(shè)計(jì)黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)，希望通過該系統(tǒng)將濕地生態(tài)系統(tǒng)納入城市生態(tài)景觀建設(shè)的整體環(huán)境背景中，使之成為更為系統(tǒng)的自然與人文共生環(huán)境下社會(huì)再生資源，盡量減少社會(huì)公共資源的浪費(fèi)，并避免建設(shè)過程中對河西地區(qū)旅游景觀廊道濕地生態(tài)系統(tǒng)造成二次破壞，實(shí)現(xiàn)河蘭州段濕地景觀電能使用的供需平衡，以此產(chǎn)生更為廣泛的社會(huì)溢價(jià)價(jià)值。

1 濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 黃河蘭州段濕地分布情況

依照濕地公約中的描述，黃河蘭州段內(nèi)的河流、島嶼以及河道兩側(cè)的河灘、草地、沼澤、農(nóng)田以及林地層均為濕地[7]。

依照基本屬性的差異性可將黃河蘭州段濕地景觀劃分為自然景觀與人為景觀[8]。自然景觀主要包括地文景觀、水域景觀與生物景觀、人文景觀主要為建筑、科普娛樂等。黃河蘭州段濕地景觀劃分如圖1所示。

圖1 黃河蘭州段濕地景觀劃分Fig.1 Wetland landscape division of Lanzhou section of the Yellow River

(1)地文景觀。黃河蘭州段濕地公園地處黃河與北濱河路之間，黃河岸灘兩側(cè)綠草如茵，具備良好的投資環(huán)境與旅游環(huán)境。

(2)生物景觀。黃河蘭州段濕地內(nèi)棲息了大量的鳥類，并且還有多種候鳥在飛行途中在此停留。同時(shí)該濕地區(qū)域內(nèi)還包含大量魚類，其中還包含較為珍貴的北方銅魚與赤眼鱒魚等。而植被種類也十分豐富，如甘蒙錦雞兒、琵琶柴、西伯利亞白刺、紫萼石頭花、木本鐵線蓮等。

(3)水域景觀。黃河蘭州段中河面寬度在達(dá)到1 350 m，是黃河流域中河面最為寬闊的區(qū)域，且該區(qū)域內(nèi)河流較為緩慢，兩岸綠植豐富且形成一定規(guī)模，具有獨(dú)特的水域風(fēng)光。

(4)建筑物。蘭州段內(nèi)黃河穿城而過，成為該區(qū)域內(nèi)獨(dú)特的旅游景觀資源。黃河蘭州段沿線具有多處雕塑、廣場與主題公園等景觀，游客不僅能夠欣賞濕地，還可觀覽建筑景觀。

(5)漂流。在蘭州段內(nèi)黃河進(jìn)行漂流，不僅能夠感受黃河的急流險(xiǎn)灘，同時(shí)還能欣賞濕地景觀與城市建筑，令游客目不暇接。

(6)科普娛樂。設(shè)定主題公園，根據(jù)蘭州區(qū)域歷史文化信息與自然生態(tài)環(huán)境，綜合考慮生態(tài)功能與娛樂休閑功能，結(jié)合科普展示與生態(tài)體驗(yàn)功能，構(gòu)建自組織與自循環(huán)的濕地公園。

1.2 清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以黃河蘭州段濕地空間內(nèi)存在的能源為基礎(chǔ)，從清潔角度出發(fā)，采用風(fēng)能、光能、水能以及人體踩踏能等方式作為清潔電能的原材料，結(jié)合不同類型的發(fā)電子系統(tǒng)，構(gòu)建清潔電能產(chǎn)生— 存儲—使用的應(yīng)用模式，由此實(shí)現(xiàn)清潔電能的自循環(huán)，為黃河蘭州段濕地景觀提供電能。黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Overall structure design of system

黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)中所使用的發(fā)電子系統(tǒng)具有不同類型。其中，所使用的水力發(fā)電包括兩種類型子系統(tǒng)，分別是波浪狀滾筒式水力發(fā)電子系統(tǒng)和滾動(dòng)流體式水力發(fā)電子系統(tǒng)；風(fēng)力發(fā)電也分為2種子系統(tǒng)，分別是8渦輪垂直軸風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)和同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)；光伏發(fā)電為折疊式太陽能自動(dòng)追蹤光伏發(fā)電子系統(tǒng)；人體踩踏發(fā)電所采用的是踩踏發(fā)電地磚子系統(tǒng)。

黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)中，各類發(fā)電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用至關(guān)重要。

1.3 同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)中風(fēng)能發(fā)電所使用的同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structural block diagram of synchronous wind generator electronic system

該子系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)負(fù)責(zé)提供電能，在電能驅(qū)動(dòng)下調(diào)速模塊負(fù)責(zé)電能的恒速輸出[9]，通過齒輪箱控制風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)風(fēng)力發(fā)電。

調(diào)速模塊是同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)中的核心模塊，其采用永磁雙轉(zhuǎn)子調(diào)速電機(jī)，依照電磁力的作用力和反作用力以及電機(jī)磁場作用實(shí)現(xiàn)恒速輸出目的[10]。

以往所使用的同步電機(jī)定子處于非自由狀態(tài)，在接通三相交通點(diǎn)后形成旋轉(zhuǎn)磁場，其同永磁轉(zhuǎn)子磁場之間相互作用[11]，形成電磁力令電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)電機(jī)定子也受到這種電磁力的反作用力影響，若定子處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，那么受反作用力影響后將形成反向轉(zhuǎn)動(dòng)。對以往所使用的同步電機(jī)進(jìn)行改良后，令其定子處于自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，則電子內(nèi)的能動(dòng)元件數(shù)量則在原有一個(gè)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上再添加一個(gè)定子，在此條件下，通過各自所承擔(dān)的負(fù)載確定轉(zhuǎn)速[12]。在外力影響定子的電磁力令定子處于固定狀態(tài)的條件下，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)受轉(zhuǎn)動(dòng)磁場影響；在外力電磁力與定子的旋轉(zhuǎn)阻力均產(chǎn)生影響的條件下，即可構(gòu)成機(jī)電混合雙輸入的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)。電磁場的能量交互需在相對靜止條件下完成，因此同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)中電機(jī)的轉(zhuǎn)速可通過繞組受外力影響后自身的旋轉(zhuǎn)速度與其上電流所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場速度相加得到[13]。

在繞組受外力影響后自身的旋轉(zhuǎn)速度受到風(fēng)速等外界原因影響而發(fā)生變化的條件下，經(jīng)由變化輸入電流的頻率，令初始定子線圈形成旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，由此能夠控制輸出軸轉(zhuǎn)速，令其持續(xù)處于恒定狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)組恒速輸出的目的。

根據(jù)貝茲理論[14]，風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，由風(fēng)中獲取的功率為風(fēng)能次數(shù)與掃風(fēng)面積、空氣密度、風(fēng)速立方值間的乘積的0.5倍。

1.4 光伏發(fā)電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)中光伏發(fā)電采用折疊式太陽能自動(dòng)追蹤光伏發(fā)電子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)包括機(jī)械本體與電控模塊兩個(gè)主要部分[15-16]。

機(jī)械本體的主要功能為控制太陽能電池板的回轉(zhuǎn)折疊，并對太陽進(jìn)行追蹤，其中主要包括折疊與開展單元、俯仰單元與回轉(zhuǎn)單元。折疊與開展單元主要控制太陽能電池板，在發(fā)電時(shí)刻將12塊太陽能電池板展開為一個(gè)準(zhǔn)圓形，在不發(fā)電時(shí)將太陽能電池板折疊收齊，降低空間占用率。俯仰單元利用減速電機(jī)控制鏈輪舉升電池板，實(shí)現(xiàn)不同俯仰角度的變化控制[17-19]?；剞D(zhuǎn)單元也在減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)下由回轉(zhuǎn)支承軸帶動(dòng)平臺轉(zhuǎn)動(dòng)，朝向太陽。

電控模塊以可編程邏輯控制器(PLC)為核心[20-21]，主要功能為采集外界環(huán)境傳感器(光照傳感器、風(fēng)速傳感器與雨雪傳感器)所獲取的環(huán)境數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)實(shí)施處理與分析；實(shí)時(shí)確定太陽角度，將其轉(zhuǎn)換為裝置相應(yīng)的俯仰角度與回轉(zhuǎn)角度[22-23]；依照不同單元當(dāng)前角度，實(shí)現(xiàn)不同單元不同角度動(dòng)作的控制。

折疊式太陽能自動(dòng)追蹤光伏發(fā)電子系統(tǒng)中電控模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電子系統(tǒng)電控模塊設(shè)計(jì)Fig.4 Design of electronic control module of photovoltaic generator system

電控模塊以PLC為核心，基于各類傳感器與限位開關(guān)的開關(guān)量與模擬量信號，經(jīng)由程序采集環(huán)境信息、執(zhí)行單元位置信息、電池信息以及故障信息等[24-25]。在此基礎(chǔ)上通過相應(yīng)程序確定太陽能電池板是否展開、是否向蓄電池供電等后續(xù)運(yùn)行，并發(fā)送運(yùn)行命令，通過繼電器的通斷完成命令。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的使用性能，在黃河蘭州段區(qū)域內(nèi)搭建本文系統(tǒng)，基于黃河蘭州段區(qū)域內(nèi)各項(xiàng)資源產(chǎn)生電能，并將所產(chǎn)生電能存儲至蓄電池內(nèi)，供濕地景觀所使用，系統(tǒng)測試結(jié)果與分析如下。

2.1 自循環(huán)系統(tǒng)的供需平衡性能

在黃河蘭州段區(qū)域內(nèi)搭建本文系統(tǒng)，現(xiàn)場應(yīng)用如圖5所示。

本文系統(tǒng)不同時(shí)間段內(nèi)參與發(fā)電的子系統(tǒng)、整體發(fā)電量以及實(shí)際用電量的對比情況見表1，其中的數(shù)值均為年均數(shù)值。

圖5 現(xiàn)場應(yīng)用Fig.5 Field application

表1 本文系統(tǒng)電能自循環(huán)供需分析Tab.1 This paper analyzes the supply and demand of power self circulation in the system

分析表1得到，本文系統(tǒng)中不同發(fā)電子系統(tǒng)的電能最終都存儲在蓄電池內(nèi)，供濕地景觀使用。在黃河蘭州段區(qū)域內(nèi)日發(fā)電量均值約為105 608 kWh，而該區(qū)域濕地景觀日用電量均值約為1 055 918 kWh。由此可知，利用本文系統(tǒng)能夠有效滿足黃河蘭州段濕地景觀用電量需求。

這主要是因?yàn)楸疚姆椒▌澐贮S河蘭州段濕地景觀，結(jié)合不同類型的發(fā)電子系統(tǒng)，構(gòu)建清潔電能產(chǎn)生—— 存儲——使用的應(yīng)用模式，使得發(fā)電子系統(tǒng)的電能供濕地景觀使用。

2.2 同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)運(yùn)行分析

本文系統(tǒng)中同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)輸出軸轉(zhuǎn)速如圖6所示，對其進(jìn)行分析能夠得到，在額定轉(zhuǎn)速周邊隨機(jī)風(fēng)的機(jī)組運(yùn)行結(jié)果，同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)既利用電磁轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)風(fēng)能的傳遞，同時(shí)還經(jīng)由電能輸出速度的控制達(dá)到了恒速輸出的目的。

圖6 同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)輸入軸與輸出軸轉(zhuǎn)速Fig.6 Speed of input shaft and output shaft of synchronous wind generator electronic system

本文系統(tǒng)中同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)風(fēng)力機(jī)不同轉(zhuǎn)速條件下，輸入電功率、輸出有功功率和風(fēng)力機(jī)輸出機(jī)械功率的變化情況如圖7所示。對其進(jìn)行分析能夠得到，在同步電機(jī)原有一個(gè)轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上再添加一個(gè)定子，構(gòu)成機(jī)電混合雙輸入的雙轉(zhuǎn)子電機(jī)，控制輸出軸轉(zhuǎn)速，風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能經(jīng)由子系統(tǒng)內(nèi)電機(jī)電能的變換達(dá)到了同步轉(zhuǎn)速變速，同時(shí)利用電機(jī)達(dá)到了大功率風(fēng)力機(jī)的風(fēng)能控制傳輸目的。這主要是因?yàn)樵邳S河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)不同發(fā)電子系統(tǒng)，使各子系統(tǒng)承擔(dān)不同模塊的任務(wù)，進(jìn)而為黃河蘭州段濕地景觀提供電能。

圖7 同步風(fēng)力發(fā)電子系統(tǒng)內(nèi)部功率Fig.7 Internal power of synchronous wind generator system

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)黃河蘭州段濕地景觀清潔電能自循環(huán)系統(tǒng)，劃分黃河蘭州段濕地景觀，結(jié)合不同類型的發(fā)電子系統(tǒng)，構(gòu)建清潔電能產(chǎn)生—存儲—使用的應(yīng)用模式，結(jié)合各類發(fā)電裝置產(chǎn)生電能并存儲電能，利用濕地自身生態(tài)自循環(huán)系統(tǒng)模式獲得景觀所需基礎(chǔ)能源。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測試得知，在黃河蘭州段區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)日發(fā)電量約105 608 kWh，能夠有效滿足黃河蘭州段濕地景觀用電量需求。但由于條件所限，本文系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還存在一定局限性，因此在后續(xù)過程中將主要以提升本文系統(tǒng)使用性能為目的優(yōu)化本文系統(tǒng)。