淺析高層建筑清潔能源發電系統的設計

武漢職業技術學院 夏光蔚

淺析高層建筑清潔能源發電系統的設計

武漢職業技術學院 夏光蔚

隨著傳統能源的高速消耗，使用清潔能源成為了時代的主題。為達到節能減排的目的，本文淺析設計一套下水道微型水流發電系統，將高層建筑污水（包括雨水）排下時的動能轉換為電能，用于高樓的一些公共小型電氣設施，如LED照明、電鈴等。

清潔能源；水流發電系統；設計

1 引言

近年來，隨著傳統能源的高速消耗，并伴隨著傳統能源帶來環境污染，各國都在積極開發利用可再生新能源。目前，風能，水能，太陽能成為新興能源的三大主力。隨著城市高樓的迅速增加，我們想到設計一套下水道微型水流發電系統，將高層建筑污水（包括雨水）排下時的動能轉換為電能，用于高樓的一些公共小型電氣設施，如LED照明、電鈴等，達到節能減排的目的。

2 設計與實施方案

目前，世界范圍內已經有微型水流發電機和針對下水道水流發電機，屬于專利項目[1]。但并未發現利用高層建筑水管水流發電的項目。本設計構思意在結合兩項專利優點，在新的實施場合進行新的應用。

2.1 設計時考慮的主要問題

（1）發電機的選擇，要選擇與水管水量和水速匹配，發電效率最高的發電機。

（2）變電與蓄電電路的設計。

（3）水箱液位傳感器安裝以及控制電路的設計。

2.2 高層水管水流發電系統的設計

對于整個系統包括兩大方面：其一，發電機系統應包含以下基本元件：水箱，水輪機、發電機及主軸。其二，控制系統包括：水速傳感器，液位傳感器，控制電路，蓄電池及輸電線路。下水道微型水流發電系統框圖如圖1所示。

2.2.1 發電機選用

貫流式水輪發電機組由貫流式水輪機驅動。貫流式水輪機是一種帶有固定或可調轉輪葉片的軸流式水輪機的特殊型式。它的主要特征是轉輪軸線采取水平或傾斜布置，并與水輪機進水管和出水管水流方向一致。貫流式水輪發電機具有結構緊湊,重量輕的優點，廣泛用于低水頭的電站中。因此，我們可以選擇異步貫流式交流發電機[2]。

圖1 下水道微型水流發電系統框圖

2.2.2 蓄電池選用

為了一個既定應用場合進行蓄電池的設計，必須系統考慮下蓄電池的電壓和電流、C/D和耐久性、CD過程中的運行溫度、按CD循環計算的壽命和成本、尺寸及重量等條件。這里我們可采用單充電速率的蓄電池[3]。

2.2.3 控制電路

水力發電系統原理圖和電網接口控制原理圖如圖2、圖3所示。

圖2 水力發電系統原理圖

圖3 電網接口控制框圖

2.2.4 液位傳感控制

液位傳感器多種多樣，有靜壓式液位傳感器，電容式液位傳感器等等，到時可以選擇性價比適合的。當最低層水箱水到達一定程度時，控制電路產生一個信號，控制水箱的排水開關依次從下自上打開，將水拍下即可。從而最小化的減少重力勢能的損失，最大化的將高層水的重力勢能轉化為流水對渦輪電機的推力。液位傳感控制框圖如圖4所示。

圖4 液位傳感控制框圖

2.3 系統安裝

由于水力發電需要一定的水量和流速，所以需要水箱來蓄水，在這里，考慮到成本，水箱暫時可以選擇容量為2噸，當然容量越大，發電的效率越高。材料可以選擇塑料。每一層需要一個水箱，安裝在每一層建筑物的某一端，一棟大樓的所有的水箱應該在一條垂直線上，再通過一跟水管連接匯總。每一層的污水（馬桶的水除外，由于雜質太多，過濾成本過高）直接排到每一層的水箱，雨水直接收集到最高層水。發電機可以安裝在大樓的最底層和地下室，具體要視大樓的結構而定，越低越好。

3 成本及效益計算

本系統的成本主要包括：發電機及組件，蓄電池及電路設備，水箱及液位傳感器，初始安裝費用，設備維護等。而對于效益產能，我們以一棟20層的樓，每層十戶人家，每月用6噸水為例，其總用水的重力勢能約為7.5×109。若我們以5%的效率來算的話，每個月能產能100度電左右，電費按0.5元每度來計算，那么每月能效益50元錢，一年為600元。若本系統的關鍵器件壽命為10年的話，那么10年的總效益為6000元，這只是以一棟樓為例，若能把全國所有大樓加在一起絕對是一筆可觀的節能收益。

能夠將生活污水用于發電，充分利用了生活中存在的能源，并且是潔凈無污染能源。我們可以考慮通過向城市小區居民用戶宣傳，為他們分析投資收益比，然后讓居民自己集資進行安裝，所產生的電能也許不能滿足所有居民的用電量，但可以滿足居民大樓的一些公共設施的需求，可以為他們節約公共電費。

4 總結

該系統創意之處主要瞄準了“節能”，依據能量轉換原理，結合目前已有的微型水流發電機和針對下水道水流發電機兩項專利在新的實施場合進行新的應用，符合當前社會“節能減排”的主題。本文對 “水力發電工作原理、變電與蓄電電路設計、控制電路的設計、樓宇中水箱以及排水管的安裝設計”等方面進行了分析和設計，做了初步可行性驗證，計算了成本投資預算和節能收益。若能實現，將為使用清潔能源提供一個新的實施方案。

[1]王樹杰等.柔性葉片水流發電模型實驗研究[J].太陽能學報,2010(3):10-12.

[2]段自豪,陳正壽.潮流發電現狀分析及未來展望[J].中國水運(下半月),2012(2):21-22.

[3]Mukund R.Patel著.姜齊榮,張春朋,李虹譯.風能與太陽能發電系統—設計、分析與運行[M].北京:機械工業出版社,2009.

夏光蔚（1980—），男，碩士，講師，工程師，研究領域：計算機、電子技術應用。