新型獨立互補式風力發電與管道發電智能水塔系統

戴冰清　茅澤育

摘? 要：針對目前大部分地區水塔采用當地電網供能、電能消耗巨大的情況，結合水塔高處風資源與水重力勢能互補等優勢，介紹此種新型獨立互補式風力發電與管道發電智能水塔系統的工作原理和運行方式。該系統通過將不平穩可再生能源轉換成平穩持續能源以替代傳統化石能源供電、構建分布式電源，通過仿真分析及模型試驗得出其獨立性佳、穩定性好、經濟節約、節能減排等優點。最后結合具體數據和實驗分析證明了使用該系統能夠大幅度降低小型居民區和工業區日常能耗的結論，同時為我國偏遠地區、島礁、梯田以及軍區建設提供新思路。

關鍵詞：風力發電;管道發電;水塔;新型系統;節能減排

中圖分類號：TM61? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）23-0046-03

Abstract： In view of the fact that the water towers in most areas are supplied by the local power grid and the huge power consumption， combined with the advantages of complementary wind resources and water gravity potential energy at the top of the water tower， the working principle and operation mode of this new independent complementary intelligent water tower system for wind power generation and pipeline power generation are introduced. By converting unstable renewable energy into stable and sustainable energy to replace traditional fossil energy， the system constructs distributed power supply. Through simulation analysis and model tests， it is concluded that it has the advantages of good independence， good stability， economic saving， energy saving and emission reduction. Finally， based on specific data and experimental analysis， it is proved that the use of the system can greatly reduce the daily energy consumption of small residential and industrial areas， and provide new ideas for the construction of remote areas， islands and reefs， terraces and military regions in China.

Keywords： wind power generation; pipeline power generation; water tower; new system; energy saving and emission reduction

1 智能水塔系統選題背景及工作原理

隨著化石能源的日益枯竭，國家大力倡導建設能源節約型和環境友好型社會。資源和環境壓力是制約我國長期發展的重要瓶頸，需求側的節能降耗成為了重要的解決之道。

水塔作為重要的供水裝置，應用廣泛，高度較高，并且普遍使用電網進行供電。本系統針對目前部分地區采用水塔供水的現狀提出創新供能方案：結合水塔高處豐富的風資源，在指定地區的水塔上安裝合適數量及功率的風力發電機，直接帶動水泵抽水或將電能儲存進蓄電池進行抽水蓄能。同時在用戶用水時，利用通過安裝在用戶用水管道的分布式管道發電機或者水塔總管的水輪發電機進行直接照明用電或將電能儲存進蓄電池。這就利用該新型獨立互補式風力發電與管道發電智能水塔系統構建了分布式電源，將不平穩不持續的風能通過為水塔抽水裝置供電進行抽水蓄能，轉變為持續平穩的電能。智能水塔系統設計如圖1所示。

2 智能水塔系統創新之處

通過物聯網對該系統進行智能管理與控制。該系統通過物聯網，用中心計算機對各個獨立系統的機器、設備、人員進行集中管理。同時通過數據采集與分析，用以更新設計思路、確定更加節能減排的方案。

利用“風電-抽水儲能聯合運行系統”，將不平穩風能轉換為平穩持續清潔能源。該系統電能主要來源于架設在水塔頂端或者下端的風力發電機，直接帶動水泵抽水或將電能儲存進蓄電池。同時在用戶用水時，利用通過安裝在用戶用水管道的分布式管道發電機或者水塔總管的水輪發電機進行直接照明用電或將電能儲存進蓄電池。能量緩沖裝置成本較低，實現了由不穩定輸出向穩定能源輸出的過程。大功率風機在短時間內積累的能量能夠連續、均勻地釋放。

構建分布式電源，實現獨立式系統，電能自產自用。減少水塔內設備對外部電網的用電依賴，在水塔建設過程中，不必為水塔單獨鋪設供電線路，降低建設成本，使外部電網的電力波動不會對系統內的設備造成影響，提高了系統建設的靈活性，保證外部電網的安全性。該系統在眾多海島、河岸等（有風、有水源和建設條件）地區，可因地制宜地進行建設，且海島等地區在用電需求方面有特殊性，規模不需很大。如釣魚島、黃巖島等地區往往缺少或者不便于構建電網，在不需配備變頻器、且減少電機的情況下實現連續、平穩供電很有意義。

3 智能水塔系統運行方案

智能抽水裝置（含控制及顯示部分）：采用繼電器進行電源控制[1]。水位上升到上限水位，水與探頭接觸，水位控制器自動關泵;水位下降到下限水位，水與探頭脫離接觸，水位控制器自動開泵，水池充水。

風力發電裝置（含控制及顯示部分）：理論上采用垂直軸風力發電機（考慮到實驗條件限制模型采用水平軸）。風輪的轉速上升速度提高較快（力矩上升速度快），它的發電功率上升速度也相應變快，發電曲線飽滿。利用風力發電為水塔系統供電，并利用蓄電池儲能;進行充電檢測與電池保護。

管道發電裝置：緊急情況時利用水塔高處蓄積的水重力勢能發電，該發電機利用水的動能帶動葉輪轉動。上游管路中的水經引水管引向水輪機，推動水輪機轉輪旋轉，帶動發電機發電。發電機將發電電能儲存在蓄電池。蓄電池和發電機之間安裝二極管防止蓄電池的電能帶動發電機轉動。

其他模塊：與控制芯片連接的顯示模塊，用于顯示溫度傳感器檢測到的溫度值。通過顯示模塊還可以顯示水箱中的液位、蓄電池的電量、水泵的工作狀態等等信息，使工作人員可以及時的了解到水塔的工作信息。通過模型示用戶用電情況，進一步的減少工作人員的維護壓力。該水塔還包括與所述控制芯片連接的通信模塊，用于將所述溫度傳感器檢測到的溫度信息發送至外部網絡。工作人員可以使用各種電子設備遠程了解水塔的工作狀態。

獨立互補系統：獨立互補式風力發電與管道發電智能水塔系統構建分布式電源。風能充沛時，風力發電機將電能儲存在蓄電池中，利用其電能將下游水抽到水塔高處蓄有勢能;風力不充沛時，將水勢能通過管道發電轉化為電能以供需。可以減少水塔內設備對外部電網的用電依賴，在水塔建設過程中，不必為水塔單獨鋪設供電線路，降低建設成本，使外部電網的電力波動不會對水塔內的設備造成影響，提高了水塔建設的靈活性，保證外部電網的安全性。

4 智能水塔系統可行性分析及仿真試驗

4.1 可行性分析

4.1.1 風能公式

風能主要與風速、風所流經的面積、空氣密度三個因素有關[2]，其關系為：E=ρsu3t。式中：ρ-空氣密度（kg/m2），u-風速（m/s）;t-時間（s）;s-截面面積（m2）

4.1.2 風速

本水塔模型建立于多風丘陵地區，風力發電機在4-5級風時能夠良好運行[3]，平均風速約為10m/s，風速與高度的關系式為V=V0（）n。式中：V-高度H處風速;V0-高度H0處風速（H0為10m，n為摩擦系數，取0.4）。水塔疊加風機底座后的高度約為30m，由此可知風力發電機工作風速約為15.5m/s。

4.1.3 風力發電量計算

假設一天能保證8小時的良好運行，該風力發電機可以提供電能為E=ρsu3t·Cp·ηe。其中ρ=1.293kg/m2，s=10m2，u=15.5m/s，t=8h，Cp=0.4（風能利用系數），ηe=0.95（蓄電池效率）。經計算得一天發電量約為74kWh。

4.1.4 管道發電部分理論計算

水塔高度約為30m，儲水落到地面的速度約為24m/s，若水箱與水輪發電機之間的流通管道的管徑為150mm，則根據流量公式可算得水輪發電機處的水流量為0.4m3/s。這種水流的特點是水頭較高，流量小，建議選用混流式水輪發電機。該系統的總發電量可以表示為Ep=ρqvhη1ηe·t。其中，ρ：水的密度，取1000kg/m3;qv：體積流量，取0.4m3/s;h：水塔高度，取30m;η1：水輪機效率，取0.7;ηe：蓄電池效率，取0.95;t：發電時間，取5h。

由上式可得，水輪機一天工作5小時，發電量約為40kWh。

4.1.5 理論總發電量

在系統一天總共工作13小時的情況下，可用發電量約為114kWh，可供功率15kW的水泵工作將近8小時。若水泵工作同時，為家用電為10kW的用戶供電，可以使用5小時左右，足夠應對停電等緊急事件。

4.2 仿真試驗

4.2.1 數值模擬

實驗測試時，小型風力發電機運行良好，可穩定充電。在此基礎上，課題組利用相似性原理及軟件進行模擬，并且利用MATLAB進行管道發電量的相關數值計算，得到如表1所示結果。

4.2.2 結果分析

繪制總發電量和總耗電量對比圖，如圖3所示。由圖可見，總發電量約為總耗電量的兩倍左右，大量的剩余電量可以儲存在蓄電池里，供給民居、營房、工地在緊急停電時使用，也可以為路燈、報警器等小型設備供電。根據相關數據，對于風力發電機輸出能量與風能可利用小時數繪制折線圖，如圖4所示。累計時數越高，投產后風力機發電量越大，但是風能可利用小時數和風力機能量呈遞增的關系不明顯，主要是因為維持風力機恒定功率的風速可利用小時數占的比重不同發生了影響。不過，整個系統還是達到了充分利用風能資源的目的。

提高風力發電機發電功率的重點在于選址，在風速大、開闊的平原地區，設置該智能水塔可以儲存更多的電能，節能減排的效果更明顯。盡管用水量的上升會導致抽水電耗增加，但是與此同時管道發電量也會上升，對于抽水電耗進行一定程度的補充，如圖5所示。該獨立互補式智能水塔系統充分回收了輸水管道的能量，節能減排效果顯著。

5 項目前景展望

本系統使用到了風力發電機以及管道發電機，而風力發電機需要安裝在水塔頂端，同時管道發電機的工作參數需要與特定地區的用戶系統匹配，這無疑會增加安裝難度和安裝成本，一定程度上限制其應用和市場的推廣。在電力系統中增加儲能系統可以平抑波動，目前國內外已采用該方式減少棄風[5]，在偏遠島礁地區、軍區和山區梯田建設中，該智能水塔系統的應用具有更大的意義。越獨立于大型電網和水網的地區越需要水塔來穩定水壓，同時期望水塔耗電對于電網的影響越來越小。該智能水塔系統還可以進行延伸設計，在“風力抽水蓄能”思想的基礎上，將水塔變化為高位灌溉機、樓頂消防儲水箱、山頂蓄水池等，借鑒風力發電與管道發電互補的思路，形成獨立系統，用電不受地理位置的局限。新型獨立互補式風力發電與管道發電智能水塔系統具有獨立系統性高、穩定性好、經濟節約、節能減排等優點，將在以后的工程實踐中得以進一步發展和完善，為我國建設能源節約型和環境友好型社會做出一定的貢獻。

參考文獻：

[1]馬浩，高小濤，韓珊珊，等.立式長軸泵在河南省某供水泵站工程中的應用[J].科技創新與應用，2020（14）：183-184.

[2]張照煌，Muhammad Aqeel，劉青.提高風電葉片風能利用和轉化率的新理論和新方法——風力發電葉片出流角計算公式的建立及應用[J].應用基礎與工程科學學報，2017，25（05）：1040-1047.

[3]張石強.風力機專用翼型及葉片關鍵設計理論研究[D].重慶：重慶大學，2010.

[4]李爭，齊偉強，于瀟雪.分布式能源用垂直軸風力機的結構優化設計[J].機械設計與制造，2020（04）：36-40.

[5]李強.混合儲能平抑綜合電力推進系統功率波動研究[D].哈爾濱工程大學，2016.