風雨儲的聯合發電系統設計論文
風雨儲的聯合發電系統設計論文
摘要：開發和利用新能源是當前能源產業的發展趨勢，透過分析風能、雨能、石墨烯、儲能的特點，設計了適用於城市樓宇的風雨儲聯合發電系統，並對該系統包含的風力發電系統、雨水發電系統、石墨烯發電系統、儲能裝置進行了闡述。該系統不僅能解決能源短缺的問題，而且能有效淨化與利用水資源。隨著當前城鎮化程序的加快，本系統具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：風能；雨能；儲能；聯合發電；石墨烯
引言
能源是人類賴以生存、發展的物質基礎，是社會正常運轉的血液。優質能源的出現和先進能源利用技術的使用對於一個國家或地區的社會經濟發展具有重要作用[1]。隨著世界化石能源劇烈消耗而引起的能源危機與低碳經濟的興起，尋找可替代能源和發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，加快發展可再生能源已成為我國當務之急[3]。此外，我國水資源佔全球總量的6%，人均佔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，水汙染嚴重，導致水生態明顯退化，水質普遍惡化，各種突發性水汙染事件頻發，水資源短缺問題日益突出。風是空氣的水平運動，空氣運動產生的動能即為風能。風能是一種巨大的、無汙染的、永不枯竭的重要自然資源。風能的主要應用是風力發電。在我國可再生能源發電領域，風力發電一直是領跑者。風能資源豐富的地區一般都在比較偏遠的地區，風電場場址多選在此處。雨水作為一種極有價值的水資源，早已被人們發覺。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題上[4]。石墨烯作為一種新型奈米材料有著獨有的特性，石墨烯與雨水作用時可產生電能。城市樓宇頂部具有豐富的風力資源，樓宇頂部可以彙集大量的雨水，可進行水力發電。目前未有將風能、雨能、石墨烯、儲能作為一個發電系統進行研究，鑑於此，本文透過對風力發電技術、水力發電技術、儲能技術和石墨烯發電技術進行研究，提出了一種適用於城市樓宇的高效的風雨儲聯合發電系統的方案，並對系統進行了設計。
1風雨儲聯合發電系統結構
目前風力發電技術比較成熟，雨水發電多是採用雨水彙集後再進行水力發電的方法。雨水從高空落下具有一定的動能，為了充分地利用風能以及雨能，採取風力發電為主，在風力發電機風輪葉片上佈置雨水收集槽以構成風雨聯動發電機的風輪葉片，從而進行發電。經研究發現，雨水在石墨烯薄膜表面流過及透過含氧化石墨烯製備的三維結構時均能產生電能。透過對風能、雨能、石墨烯各自的發電技術及儲能技術進行深入研究，現將它們進行結合，提出風雨儲聯合發電系統，該系統結構框架圖如圖1所示。該系統主要由雨水彙集、過濾淨化及收集裝置、微型水力發電機、蓄水池、風雨聯動發電機、石墨烯、整流濾波電路、蓄電池、用電裝置等組成。其中微型水力發電機進行水力發電後的雨水進入蓄水池，可滿足城市非飲用水的需求，比如綠化、空氣除塵、噴泉等。風雨聯動發電機將風能和雨水的動能與勢能轉換為電能。利用石墨烯材料可進行兩級發電。轉換成的電能經處理，可用蓄電池進行蓄能，滿足用電裝置的需求，或進行升壓併網，輸送到需要電力的地方，為人類提供永久的電力。
2系統設計
2.1風力發電系統設計
一般而言，三級風到九級風適合風力發電。對應的風速範圍為3.4m/s～24.5m/s。經實測，建築高度為492m的上海環球金融中心，其頂部最大風速為21.77m/s[5]。可見城市樓宇的'頂部有著豐富的風能資源。本系統是利用城市樓宇頂部的空間，在其上建立小型風力發電裝置。根據風力機軸的安裝形式，可分為水平軸風力發電機和垂直軸風力發電機。本系統使用的是目前技術最成熟、產量最大的水平軸風力發電機，其數量可達風力發電機數的98%以上。風力發電機裝置的基本結構包括風力機、主軸、增速齒輪箱、調向機構、發電機、支架、電纜、控制系統及附屬部件（機艙、機座、迴轉體、制動器）等組成。風力機又稱為風輪，包括葉片和輪轂等，葉片安裝在輪轂上。風力發電的原理是，風以一定的速度吹風力發電機風輪葉片，產生的力驅動風輪低速轉動，將風能轉換為機械能，透過傳動系統、增速齒輪箱增速，將動力傳遞給發電機，發電機勻速運轉，從而把機械能轉換為電能。為捕獲最大的風能，可透過調向機構使風輪對準風向。風輪葉片數是風輪最顯著的外形特徵，隨著風輪葉片數的增加，最大風能利用係數增加，但增加率逐漸減少。此外，隨著風輪葉片數的增加，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，其葉片成120°夾角，轉子的動平衡比較簡單。在現代水平軸風力機上，3個葉片時，風能轉換率峰值為50%。基於風力發電的原理，為將風能和雨水下落的勢能與動能同時利用，需對已有的風力發電裝置進行改進。考慮到雨水的充分利用及發電裝置的自重、結構穩定性、製造安裝成本及維護費用，本發電裝置採用3個葉片。在風力發電機風輪葉片的單面上佈置若干雨水收集槽，使其分佈滿該面，另一面仍為光滑面，構成風雨聯動發電機風輪葉片，使之可以單面收集沖刷的雨水，將雨水的勢能與動能作用於風輪葉片，使風輪葉片轉動，從而轉換為風輪葉片的機械能。調整調向機構，使得風輪葉片在雨水作用時轉動方向與風力單獨作用時的轉動方向一致。這樣，風能和雨水的動能、勢能一起轉換為風輪葉片的機械能，進而轉換為電能[6]。
2.2雨水發電系統設計
城市樓宇頂部有著面積巨大的平臺，可以作為一個雨水彙集平臺。以深圳華強北賽格廣場為例，賽格廣場總高度355.8m，實高291.6m，塔樓採用正八邊形分佈，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，則能夠彙集的雨水量為3757.068198m3，城市居民人均生活用水量為165.59L/日，則該裝置彙集的雨水能夠滿足約62人的年用水量。可見城市樓宇頂部彙集的雨水不僅有著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行雨水彙集，再進行水力發電。水力發電的原理就是在水流的衝擊作用下，水輪機開始旋轉，將水的勢能轉換為機械能，與此同時，水輪機帶動同軸相連的發電機旋轉，進而水力發電機將發出電力，實現能量的轉換。具體而言，雨水沿著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過雨水過濾淨化裝置除去泥沙等雜質，進入含氧化石墨烯製備的三維結構，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，以保證發電機正常工作時所需的水流狀態。當雨水收集裝置內的水位達到一定值時，閥門開啟。雨水進入排水管道，在排水管道內分級佈置燈泡貫流式發電機裝置[7]。在貫流式水力發電機中，水輪機與發電機直接連線，水流沿軸向流進導葉和轉輪，這樣將排水管道中雨水的壓力能與動能轉換為電能。在城市樓宇底部設定蓄水池，儲存經水力發電機之後的雨水，此部分雨水可用作城市非飲用水的來源，比如洗車、消防儲備水等。此外，雨水經過濾淨化處理可吸除雨水中的部分硫化合物，有助於綠色環保。
2.3石墨烯發電系統設計
雨水是混合物，分析其成分可知，其中的鹽分能夠進行電離，產生正離子（Na+、Ca2+、Al3+等）與負離子。經過一系列的理論和實驗研究發現，水或其他極性液體透過一維結構（如碳奈米管）時，可以在液體流動方向產生一定的淨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的電子，因此具有優異的導電效能，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，稱為贗電容器，它能夠像電容那樣儲存電能。由含氧化石墨烯製備的三維結構具有足夠大的孔洞，可允許水分子自由透過。當水從這種結構的頂部流淌到底部的時候，水分子將和氧化石墨烯中的含氧基團發生反應，分離形成氫離子，剩下的氧基團則非均一的分佈在結構中，這將產生足夠多的離子，從而產生電能，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行兩級發電。第一級發電中，在風雨聯動發電機風輪葉片光滑面鍍上石墨烯薄膜，以形成贗電容器，儲存電能。第二級發電中，雨水經過濾淨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，此結構可滿足水分子正常透過，並利用氧化石墨烯產生電能。
2.4儲能裝置設計
受限於環境的影響，風力發電系統、雨水發電系統、石墨烯發電系統產生的電能不穩定，波動較大，因此需要設計電路，將零散的電能用蓄電池儲存起來。考慮成本、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儲存的電轉換為市電，滿足普通用電裝置的要求。富餘的電力可進行升壓，併入電網，輸送到有需要的地方，創造社會價值。
3結束語
（1）基於風電、水電、石墨烯、儲能的工作原理，設計了適用於城市樓宇的風雨儲聯合發電系統，在原理上可行。（2）透過對風力發電機風輪葉片的研究，設計了風雨聯動發電機風輪葉片，可滿足對風能與雨能的同時利用。（3）透過對水力發電的研究，在城市樓宇的雨水排水管道中佈置貫流式水力發電機，設計了雨水在排水管道內流通時的多級利用發電系統。（4）利用石墨烯的特點，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入雨水收集裝置過程中的兩級利用發電系統。（5）該聯合發電系統充分利用了雨水，從綠色節能的角度來看有著重大意義。隨著城鎮化的加劇，使用者用電要求的提高及生態環保、資源短缺壓力的增大，本系統具有一定的市場推廣價值，有廣闊的應用前景。
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