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風(fēng)雨儲的聯(lián)合發(fā)電系統設計論文
摘要：開(kāi)發(fā)和利用新能源是當前能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，通過(guò)分析風(fēng)能、雨能、石墨烯、儲能的特點(diǎn)，設計了適用于城市樓宇的風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統，并對該系統包含的風(fēng)力發(fā)電系統、雨水發(fā)電系統、石墨烯發(fā)電系統、儲能裝置進(jìn)行了闡述。該系統不僅能解決能源短缺的問(wèn)題，而且能有效凈化與利用水資源。隨著(zhù)當前城鎮化進(jìn)程的加快，本系統具有廣闊的應用前景。
關(guān)鍵詞：風(fēng)能；雨能；儲能；聯(lián)合發(fā)電；石墨烯
引言
能源是人類(lèi)賴(lài)以生存、發(fā)展的物質(zhì)基礎，是社會(huì )正常運轉的血液。優(yōu)質(zhì)能源的出現和先進(jìn)能源利用技術(shù)的使用對于一個(gè)國家或地區的社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用[1]。隨著(zhù)世界化石能源劇烈消耗而引起的能源危機與低碳經(jīng)濟的興起，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]。在當前日益嚴峻的節能減排壓力下，加快發(fā)展可再生能源已成為我國當務(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(shí)，水污染嚴重，導致水生態(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(wèn)題日益突出。風(fēng)是空氣的水平運動(dòng)，空氣運動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)能即為風(fēng)能。風(fēng)能是一種巨大的、無(wú)污染的、永不枯竭的重要自然資源。風(fēng)能的主要應用是風(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)能資源豐富的地區一般都在比較偏遠的地區，風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)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(jué)。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的飲用水和農田灌溉問(wèn)題上[4]。石墨烯作為一種新型納米材料有著(zhù)獨有的特性，石墨烯與雨水作用時(shí)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(gè)發(fā)電系統進(jìn)行研究，鑒于此，本文通過(guò)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)電系統的方案，并對系統進(jìn)行了設計。
1風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統結構
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(dòng)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)電機風(fēng)輪葉片上布置雨水收集槽以構成風(fēng)雨聯(lián)動(dòng)發(fā)電機的風(fēng)輪葉片，從而進(jìn)行發(fā)電。經(jīng)研究發(fā)現，雨水在石墨烯薄膜表面流過(guò)及通過(guò)含氧化石墨烯制備的三維結構時(shí)均能產(chǎn)生電能。通過(guò)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，現將它們進(jìn)行結合，提出風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統，該系統結構框架圖如圖1所示。該系統主要由雨水匯集、過(guò)濾凈化及收集裝置、微型水力發(fā)電機、蓄水池、風(fēng)雨聯(lián)動(dòng)發(fā)電機、石墨烯、整流濾波電路、蓄電池、用電設備等組成。其中微型水力發(fā)電機進(jìn)行水力發(fā)電后的雨水進(jìn)入蓄水池，可滿(mǎn)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(dòng)發(fā)電機將風(fēng)能和雨水的動(dòng)能與勢能轉換為電能。利用石墨烯材料可進(jìn)行兩級發(fā)電。轉換成的電能經(jīng)處理，可用蓄電池進(jìn)行蓄能，滿(mǎn)足用電設備的需求，或進(jìn)行升壓并網(wǎng)，輸送到需要電力的地方，為人類(lèi)提供永久的電力。
2系統設計
2.1風(fēng)力發(fā)電系統設計
一般而言，三級風(fēng)到九級風(fēng)適合風(fēng)力發(fā)電。對應的風(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�(jiàn)城市樓宇的頂部有著(zhù)豐富的風(fēng)能資源。本系統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。根據風(fēng)力機軸的安裝形式，可分為水平軸風(fēng)力發(fā)電機和垂直軸風(fēng)力發(fā)電機。本系統使用的是目前技術(shù)最成熟、產(chǎn)量最大的水平軸風(fēng)力發(fā)電機，其數量可達風(fēng)力發(fā)電機數的98%以上。風(fēng)力發(fā)電機裝置的基本結構包括風(fēng)力機、主軸、增速齒輪箱、調向機構、發(fā)電機、支架、電纜、控制系統及附屬部件（機艙、機座、回轉體、制動(dòng)器）等組成。風(fēng)力機又稱(chēng)為風(fēng)輪，包括葉片和輪轂等，葉片安裝在輪轂上。風(fēng)力發(fā)電的原理是，風(fēng)以一定的速度吹風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片，產(chǎn)生的力驅動(dòng)風(fēng)輪低速轉動(dòng)，將風(fēng)能轉換為機械能，通過(guò)傳動(dòng)系統、增速齒輪箱增速，將動(dòng)力傳遞給發(fā)電機，發(fā)電機勻速運轉，從而把機械能轉換為電能。為捕獲最大的風(fēng)能，可通過(guò)調向機構使風(fēng)輪對準風(fēng)向。風(fēng)輪葉片數是風(fēng)輪最顯著(zhù)的外形特征，隨著(zhù)風(fēng)輪葉片數的增加，最大風(fēng)能利用系數增加，但增加率逐漸減少。此外，隨著(zhù)風(fēng)輪葉片數的增加，最佳葉尖速比減小。葉片一般為1～4片，常用的為2～3片。葉片數為3時(shí)，其葉片成120°夾角，轉子的動(dòng)平衡比較簡(jiǎn)單。在現代水平軸風(fēng)力機上，3個(gè)葉片時(shí)，風(fēng)能轉換率峰值為50%�；陲L(fēng)力發(fā)電的原理，為將風(fēng)能和雨水下落的勢能與動(dòng)能同時(shí)利用，需對已有的風(fēng)力發(fā)電裝置進(jìn)行改進(jìn)�？紤]到雨水的充分利用及發(fā)電裝置的自重、結構穩定性、制造安裝成本及維護費用，本發(fā)電裝置采用3個(gè)葉片。在風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片的單面上布置若干雨水收集槽，使其分布滿(mǎn)該面，另一面仍為光滑面，構成風(fēng)雨聯(lián)動(dòng)發(fā)電機風(fēng)輪葉片，使之可以單面收集沖刷的雨水，將雨水的勢能與動(dòng)能作用于風(fēng)輪葉片，使風(fēng)輪葉片轉動(dòng)，從而轉換為風(fēng)輪葉片的機械能。調整調向機構，使得風(fēng)輪葉片在雨水作用時(shí)轉動(dòng)方向與風(fēng)力單獨作用時(shí)的轉動(dòng)方向一致。這樣，風(fēng)能和雨水的動(dòng)能、勢能一起轉換為風(fēng)輪葉片的機械能，進(jìn)而轉換為電能[6]。
2.2雨水發(fā)電系統設計
城市樓宇頂部有著(zhù)面積巨大的平臺，可以作為一個(gè)雨水匯集平臺。以深圳華強北賽格廣場(chǎng)為例，賽格廣場(chǎng)總高度355.8m，實(shí)高291.6m，塔樓采用正八邊形分布，總面積達1380.6m2。由2016年度深圳市水資源公報可知，2016年深圳市年累計雨量為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(mǎn)足約62人的年用水量�？梢�(jiàn)城市樓宇頂部匯集的雨水不僅有著(zhù)豐富的勢能而且是一種豐富的水資源。本系統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，水輪機開(kāi)始旋轉，將水的勢能轉換為機械能，與此同時(shí)，水輪機帶動(dòng)同軸相連的發(fā)電機旋轉，進(jìn)而水力發(fā)電機將發(fā)出電力，實(shí)現能量的轉換。具體而言，雨水沿著(zhù)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(guò)雨水過(guò)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構，流出的雨水可被雨水收集裝置收集。在雨水收集裝置內安裝浮球閥，以保證發(fā)電機正常工作時(shí)所需的水流狀態(tài)。當雨水收集裝置內的水位達到一定值時(shí)，閥門(mén)開(kāi)啟。雨水進(jìn)入排水管道，在排水管道內分級布置燈泡貫流式發(fā)電機裝置[7]。在貫流式水力發(fā)電機中，水輪機與發(fā)電機直接連接，水流沿軸向流進(jìn)導葉和轉輪，這樣將排水管道中雨水的壓力能與動(dòng)能轉換為電能。在城市樓宇底部設置蓄水池，存儲經(jīng)水力發(fā)電機之后的雨水，此部分雨水可用作城市非飲用水的來(lái)源，比如洗車(chē)、消防儲備水等。此外，雨水經(jīng)過(guò)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)電系統設計
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）與負離子。經(jīng)過(guò)一系列的理論和實(shí)驗研究發(fā)現，水或其他極性液體通過(guò)一維結構（如碳納米管）時(shí)，可以在液體流動(dòng)方向產(chǎn)生一定的凈勢能差和相應的電流。而石墨烯富含可在二維平面上自由移動(dòng)的電子，因此具有優(yōu)異的導電性能，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電容特性的雙層結構，稱(chēng)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構具有足夠大的孔洞，可允許水分子自由通過(guò)。當水從這種結構的頂部流淌到底部的時(shí)候，水分子將和氧化石墨烯中的含氧基團發(fā)生反應，分離形成氫離子，剩下的氧基團則非均一的分布在結構中，這將產(chǎn)生足夠多的離子，從而產(chǎn)生電能，這種能量轉換方式的效率高達62%[8-10]。本系統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(dòng)發(fā)電機風(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(guò)濾凈化裝置流至含氧化石墨烯薄片的圓形三明治層狀結構.此圓形三明治層狀結構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，此結構可滿(mǎn)足水分子正常通過(guò)，并利用氧化石墨烯產(chǎn)生電能。
2.4儲能裝置設計
受限于環(huán)境的影響，風(fēng)力發(fā)電系統、雨水發(fā)電系統、石墨烯發(fā)電系統產(chǎn)生的電能不穩定，波動(dòng)較大，因此需要設計電路，將零散的電能用蓄電池存儲起來(lái)�？紤]成本、安裝、壽命、維護等綜合因素，選擇鉛酸蓄電池。利用逆變電路將電池中存儲的電轉換為市電，滿(mǎn)足普通用電設備的要求。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(huì )價(jià)值。
3結束語(yǔ)
�。�1）基于風(fēng)電、水電、石墨烯、儲能的工作原理，設計了適用于城市樓宇的風(fēng)雨儲聯(lián)合發(fā)電系統，在原理上可行。（2）通過(guò)對風(fēng)力發(fā)電機風(fēng)輪葉片的研究，設計了風(fēng)雨聯(lián)動(dòng)發(fā)電機風(fēng)輪葉片，可滿(mǎn)足對風(fēng)能與雨能的同時(shí)利用。（3）通過(guò)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，設計了雨水在排水管道內流通時(shí)的多級利用發(fā)電系統。（4）利用石墨烯的特點(diǎn)，設計了含氧化石墨烯薄片的圓形三明治層狀結構。設計了雨水從下落到進(jìn)入雨水收集裝置過(guò)程中的兩級利用發(fā)電系統。（5）該聯(lián)合發(fā)電系統充分利用了雨水，從綠色節能的角度來(lái)看有著(zhù)重大意義。隨著(zhù)城鎮化的加劇，用戶(hù)用電要求的提高及生態(tài)環(huán)保、資源短缺壓力的增大，本系統具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值，有廣闊的應用前景。
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