小型水下渦輪發電機在偏遠地區的應用

閆鑫

摘 要：隨著我國經濟建設的穩步發展，對于偏遠地區的基礎建設也日益被人們重視。對于偏遠地區用電難的問題，雖然國家電網的建設正在逐步向偏遠山區延伸，但是偏遠地區地形較為復雜，建設難度高，投資成本大，設備的維護也比較困難，所以在短期內依靠國家電網的建設解決偏遠山區人民用電難問題還是比較困難的。文章提出一種設想：可以在偏遠地區的河床上安裝水下渦輪機組，利用河流的動能進行發電。本研究將對這種發電方法的優點進行闡述，并對可能出現的問題提出可行的解決方法。

關鍵詞：偏遠地區；水下渦輪發電機；河流水力發電

中圖分類號：TM31 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）20-0162-02

Abstract： With the steady development of our country's economic construction， people pay more and more attention to the infrastructure construction in remote areas. With regard to the problem of power shortage in remote areas， although the construction of the State Grid is gradually extending to remote mountainous areas， the terrain in remote areas is relatively complex， the construction is difficult， the investment cost is high， and the maintenance of equipment is also relatively difficult. Therefore， in the short term， it is difficult to rely on the construction of the State Grid to solve the problem of the people in remote mountain areas. This paper presents an idea that underwater turbine units can be installed on the riverbed in remote areas to generate electricity using the kinetic energy of the river. This study will describe the advantages of this method and put forward feasible solutions to the possible problems.

Keywords： remote area； underwater turbine generator； river hydropower

1 研究背景

近些年來隨著經濟水平的日益發展，我國各項建設項目正穩定快速的發展。然而對于偏遠山區的基礎設施建設，是我們國家進行脫貧攻堅戰，實現全面建設小康社會的關鍵而又不可或缺的重要一步。

中國農村面積廣大，人口6714.5萬人，占全國總人口的50.32%。作為農村最重要的基礎設施之一，電力與中國農村居民的基本生活需求，生活水平和經濟可持續發展密切相關[1]?！熬盼濉逼陂g，中國在農村電網改造上投入2000多億元，解決了農民用電超過80%的問題，為改善我國農村形象發揮了重要作用。但是，許多農村地理位置偏遠，自然環境相對較差，電力消費問題尚未解決，全民電力服務的重點和難點在西部農村地區[2]。雖然國家電網的建設正在逐步向偏遠山區延伸，但是偏遠地區地形較為復雜，建設難度高，投資成本大，設備的維護也比較困難。根據相關資料調查顯示，我國對偏遠地區農村電網投資相對較小，所以在短期內依靠國家電網的建設解決偏遠山區人民用電難問題還是比較困難的。以云南元江地區為例，元江哈尼族彝族自治縣是經濟發展落后的農業縣，少數民族社區，農村電氣化發展還有許多問題需要解決。

元江縣可開發36座電站，但由于經濟的限制只開發了18座，占可開發電站數的50%。還有16.229×104kW（約占蘊藏量的72%）沒有開發，造成了水力資源極大的浪費。由于水力資源豐富的河段交通不便，人口稀少，開發難度大而開發率低，電網覆蓋面窄。目前還有6個鄉鎮的21個自然村498戶人家共2211人還沒有用上電[3]。因此，需要一種投資成本低，便于安裝的簡易發電設施來解決這個問題。國際上微水電也是在本世紀初才開始被研究，發展時間還不長，屬于一種新型的技術，具有很大的發展前景。

2 設計思路

2.1 基本原理

水下渦輪發電機與風力發電機十分相似，但它不是通過空氣分子，而是通過河水流動的動能推動渦輪機葉片的旋轉，從而帶動發電機，把水流能量最終轉換為電能。相對于風力條件來說，水流既穩定又高效，最重要的是水比空氣更密集，這意味著水下渦輪機可以在緩慢的水流中就達到發電必要的旋轉速度。水下渦輪發電機組輸出功率的計算公式為：

式中：P-功率，W；ρ-水密度，1025kg/m3；A-渦輪機機轉子掃掠面積，m2；V-水流速度，m/s；η-效率。

從上述可以看出，水下渦輪機機組的輸出功率很大程度決定于水流速度。

一般來說，水流速度大于1m/s的河流即有開發價值。

2.2 具體方案

（1）建造條件

偏遠地區所處的地帶，大多數為大江大河的中上游，河水流速快，河水中攜帶的泥沙含量較少，且不易沉積到河床底部。所以河底的泥沙淤積較少，河床地基相對來說比較穩固，便于水下渦輪機組基礎的安裝。

（2）安裝建造方法

這種小型水電設備只需在河流底部建立固定基座。將渦輪發電機放入河中，在渦輪機底部安裝三角支座作為基礎，于河床相連，固定于河底。底座結構設計為三腳架，在河底占據最小的占地面積，并通過重力和附加的穩定裝置進行穩定。

3 能量的轉換

3.1 能量捕獲系統

該水下渦輪發電機組類似于潮流能發電系統中的水平軸式系統，其工作原理與風力發電機的工作原理相同。河水動能捕集裝置受到水流的作用并圍繞旋轉軸旋轉，將水流的動能轉換為捕集裝置的旋轉機械能。能量轉換系統將機械能直接或轉換后轉換到電能轉換系統，電能轉換系統輸出的電能經電能轉換處理系統處理后送入系統終端。中央控制系統負責控制和管理整個發電系統的穩定運行。結構支撐系統承載并固定發電系統的機械部件，以確保發電系統在不同的河底環境下穩定運行[4]。

3.2 渦輪的變轉速控制

渦輪的變轉速控制可以借鑒風力發電系統的變速恒頻技術。變速變頻技術通過電力電子技術實現葉輪的變速運行，控制風力發電機[5]。對于變速風力發電系統，其電子控制系統主要包括變速發電機，整流器，逆變器和中央控制器。目前廣泛使用的變速發電機包括雙饋異步發電機和低速永磁同步發電機[6]。在額定風速以下，整流器和逆變器用于調整發電機的電磁轉矩，然后改變發電機作用于風輪機轉子的阻力矩以實現風輪機的轉速控制[7]。

4 創新特色及優點

4.1 建造簡易

裝置簡易，方便安裝，特別適合安置于山區，以及滿足零散戶的用電需求。只需要對河床進行簡單的開挖和基礎處理，直接利用吊船將渦輪發電機放入河底，再由施工技術人員到河底進行安裝固定。施工不復雜，施工簡單，施工周期短，基礎設施投資小。

4.2 保護生態環境

由于葉輪轉動緩慢，不會傷害魚類并且水下渦輪機組不會釋放二氧化碳，把對生態的影響降到最低。與建造大壩不同，這種發電設施不會造成水庫誘發地震，對原有的自然地質條件不會造成影響。

4.3 建造成本低

由前文可知，施工方便，不需要重型機器，也節約了施工成本，降低了工程的總造價。電站靠近用戶，輸變電設備和輸電線路成本低，機組運行采用微電腦控制裝置控制上電，下電，并網，斷網，自動檢測水位節制機組輸出功率，無需人工操作開機、關機，因為使用無人值守，節約人工運行費用。

4.4 與其他發電設施的對比

雖然水下渦輪發電機的原理來自于風力發電機，但是相對風力發電機其優勢更為明顯。風力發電機最明顯的缺點就是沒風就斷電，而水下渦輪發電機位于河流的中上游，河流斷水的概率不大。相對于風力條件來說，水流既穩定又高效，最重要的是水比空氣更密集，這意味著水下渦輪機可以在緩慢的水流中就達到發電必要的旋轉速度。

相對于火力發電，水下渦輪發電更加環保，不需要燃燒煤等燃料，不會產生有害氣體。而且因為幾乎不需要煤等原料，所以發電成本低廉，非常適于貧困偏遠山區。

5 工程實例

國內暫時還沒有此類水下渦輪機組發電的工程實例，但是在國外已經有了此類工程項目。國外主要是利用海洋的潮汐能推動水下渦輪機組進行發電。目前，蘇格蘭MeyGen公司計劃投資8200萬美元建造水下渦輪發電機，估計本世紀20年代能夠完全對蘇格蘭三分之一家庭提供電能。

這些項目主要由英國電力可再生能源部門監管，該部門聲稱，水下渦輪機工作良好，已經開始為埃代島提供能源。介紹稱，水下渦輪機主要是利用潮汐以及水的力量來進行工作。另外，科學家們專門選擇在暴風雨來臨時，將渦輪機放入水中，以證明它能承受惡劣的天氣環境。

6 應用前景

（1）該裝置的出現可以大幅的解決偏遠貧困山區發電問題，對于偏遠地區的農戶（西藏，云南乃至世界欠發達地區例如尼泊爾）可以一次安裝，多年內用電無憂。

（2）對于長江等大型河流上的橋梁、碼頭等，均可在河流底部安裝該設備，提供電能，該裝置在河底不會對航運產生影響。

（3）對于帶有河流的景區，也可在次要的地帶安裝該簡易設備，提供電能，達到自給自足。且該裝置又不會對景區的美觀造成破壞。

（4）水下渦輪發電機不僅僅可以往微水電方向發展，

還可以將其批量生產作為大型的發電機組。

參考文獻：

[1]時景麗，都志杰，任東明，等.中國無電地區可再生能源電力建設[M].化學工業出版社，2009：52-109.

[2]國務院發展研究中心課題組.我國可再生能源發展現狀及政策取向[R].2009：7-12.

[3]李松林.元江水電農村電氣化初探[J].云南地理環境研究，2001（S1）：37-40.

[4]池清海.10kW潮流發電電控系統設計[D].哈爾濱工程大學，

2013.

[5]李建林，許洪華，等.風力發電中的電力電子變流技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[6]葉航冶.風力發電機組的控制技術[M].北京：機械工業出版社，2007.

[7]劉其輝，賀益康，等.變速恒頻風力發電系統最大風能追蹤控制[J].電力系統自動化，2003，27（20）：63-66.