水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置研究

肖凱文

摘要：水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置是一種將高強(qiáng)度化學(xué)材質(zhì)作為主要原料生產(chǎn)出的具有自動(dòng)張拉和關(guān)閉功能的傘狀風(fēng)帆。該裝置充分結(jié)合了降落傘與風(fēng)帆的基本構(gòu)造與原理，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行了適用性上的改造。將其放入水中以后，在水流的沖刷作用下該裝置將類似于降落傘打開一般，進(jìn)而持續(xù)的作用力帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，最終達(dá)到發(fā)電的目的。本文詳細(xì)介紹了此類水帆型發(fā)電裝置，并簡單闡述了發(fā)電裝置的各項(xiàng)基本性能，旨在為水力發(fā)電裝置的改進(jìn)與發(fā)展提供有利的參考。

關(guān)鍵詞： 水下風(fēng)帆；水力發(fā)電；發(fā)電裝置

中圖分類號(hào)： TM612 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置屬于水帆技術(shù)范疇。水帆技術(shù)是指，使用一些強(qiáng)度較高的化學(xué)纖維制成風(fēng)帆，然后充分使用降落傘的相關(guān)原理，將風(fēng)帆與降落傘進(jìn)行充分的融合，由于該結(jié)構(gòu)在水下運(yùn)作與風(fēng)帆十分類似，因此得名水下風(fēng)帆，也可簡稱為水帆。該裝置具備發(fā)電及推動(dòng)船舶的能力，如果將裝置放置在存在一定落差的水中，在流水的作用下，該裝置將全部張開，進(jìn)而產(chǎn)生一定阻力，可帶動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到發(fā)電的作用；如果用通電的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)該裝置進(jìn)行反向運(yùn)轉(zhuǎn)，那么該裝置就會(huì)產(chǎn)生一定的推力，推力的大小取決于電機(jī)的帶動(dòng)力，因此該裝置具有推動(dòng)船舶的能力。本文主要對(duì)其水力發(fā)電功能進(jìn)行分析與研究。

一、水帆型發(fā)電裝置

該裝置主要呈長方體，水帆一般安裝在裝置的內(nèi)部。在使用時(shí)，需將其安放在存在一定落差的水中，只需確保有水真正從裝置的上端流入即可，此時(shí)該裝置將根據(jù)水流的大小及強(qiáng)度產(chǎn)生電流，從而完成發(fā)電。按照發(fā)電的原理與方式可將水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置分為兩種形式，即為引水式以及水壩式。

（一）引水式

引水明渠當(dāng)中流出的水流進(jìn)入進(jìn)水口，在水槽中進(jìn)行正常流動(dòng)，最后由下端出口流出，此過程即可完成發(fā)電。與引水式的大型水電站相比，該方法具有較為簡單的水工建筑（飲水明渠與進(jìn)出水口），所以可節(jié)省大量的施工成本與周期。實(shí)際情況中，進(jìn)出水口的寬度僅為1m左右，進(jìn)出水口的寬度設(shè)置前提條件是槽內(nèi)的水流速度必須達(dá)到3-5m/s。由于是明水發(fā)電，所以無需建設(shè)前池、水竹等基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)省了大量的資源，統(tǒng)計(jì)得知，該方法可節(jié)省僅60%的造價(jià)成本，相比之下，具有極高的經(jīng)濟(jì)效益。

（二）水壩式

裝置稍微傾斜的放入水中，水流會(huì)從壩頂?shù)慕佑|面流入裝置內(nèi)部，與當(dāng)前正在投入使用的水壩式水力發(fā)電站相比，該方法至少從三個(gè)方面縮小了工程的費(fèi)用和消耗，具體內(nèi)容為：

（1）水工建筑方面，該方法無需使用滲水閥門、大型水輪機(jī)等建筑設(shè)施；

（2）設(shè)備方面，該方法無需借助大型水輪機(jī)、壓力鋼管等設(shè)備，節(jié)省了大量的安裝與運(yùn)行調(diào)試費(fèi)用；

（3）水槽方面，在運(yùn)用此方式發(fā)電時(shí)，壩體會(huì)與水槽形成一個(gè)整體，所以完全可以省略水槽的加工與安裝工序。據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，運(yùn)用該方法進(jìn)行發(fā)電時(shí)，可節(jié)省約50%的造價(jià)。

該發(fā)電裝置的設(shè)置要求與常規(guī)小型水力發(fā)電站的建設(shè)要求基本相同，而且該裝置具有更高的靈活性，適用范圍較廣，僅對(duì)水流的實(shí)際落差具有一定要求，凡是落差在2-3m范圍內(nèi)的水源即可修建該發(fā)電裝置。

此外，該發(fā)電裝置非常適合我國偏遠(yuǎn)地區(qū)的水利發(fā)電需求，由于這些地區(qū)資源相對(duì)匱乏，所以資源要求相對(duì)較低的水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置具有較高的適應(yīng)性。

二、水利發(fā)電裝置的基本性能

（1）水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置的實(shí)際輸出功率為566.5w，其中電功率約占51%，即為260.0w。如果使用電機(jī)效率稍高的電機(jī)，其電功率將大幅上升。

（2）水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置的水力機(jī)實(shí)際效率為81.8%，經(jīng)過細(xì)致的改良可上升至90%左右。如果此時(shí)配備電機(jī)效率為87%的發(fā)電裝置，則該裝置的總有效效率可達(dá)75%。

（3）水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置的制作成本為800元，其中包含進(jìn)出水口等設(shè)施的建設(shè)費(fèi)用，經(jīng)過平均計(jì)算以后可得單價(jià)為：1.8元/w。

通過實(shí)驗(yàn)得知，該發(fā)電裝置的單位造價(jià)顯著低于常規(guī)的小型水利發(fā)電站，而且比某些中型和大型水利發(fā)電站還具有較高的性價(jià)比。由此可知，水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置與太陽能、風(fēng)電相比，不僅滿足清潔能源的生產(chǎn)要求，其成本也是最低的。

在我國，水能的實(shí)際存儲(chǔ)量達(dá)到了6.8億千瓦，其中滿足人工開發(fā)的水能約占總量的54%，即為3.7億千瓦，儲(chǔ)備量十分可觀。因此，在實(shí)際情況中，只需要真正開發(fā)出可開發(fā)總量的20%或30%，就能夠從根本上解決我國用電難的問題。然而，事實(shí)與理想往往存在很大的差距，由于受到技術(shù)層面和外界不可抗力等因素的綜合影響，全國范圍內(nèi)水能資源的實(shí)際開發(fā)量僅為可開發(fā)總量的8%，其中水力發(fā)電并未得到足夠的重視，僅占總量的20%，仍將火力發(fā)電作為主要的發(fā)電模式，出現(xiàn)這一情況的原因有許多種：

（1）水力發(fā)電相關(guān)建設(shè)需要大量的一次性投入，對(duì)于成本的需求較高。

（2）施工周期較長，投入資金很難在短時(shí)間內(nèi)得到回報(bào)。

（3）水利發(fā)電的成品電造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)效益與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比較低。

由此可見，現(xiàn)階段水力發(fā)電的首要任務(wù)就是盡可能的減少造價(jià)成本，使其被更多的人所認(rèn)同，從而充分發(fā)揮出水能的重要作用。通過一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得知，水下風(fēng)帆水力發(fā)電裝置的應(yīng)用，至少可以節(jié)省約50%的經(jīng)濟(jì)成本，因此值得大范圍的推廣與使用。

三、總結(jié)

新型高強(qiáng)度纖維材料的出現(xiàn)與應(yīng)用，使水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)入了全新的階段，由于天然纖維存在一定先天缺陷，所以在工業(yè)生產(chǎn)日益完善的今天，水下風(fēng)帆式水力發(fā)電裝置得到了更好的技術(shù)與材料支持。雖然水帆技術(shù)還處在發(fā)展的初級(jí)階段，但相信經(jīng)過多年的研究和實(shí)踐，該技術(shù)將得到更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

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