基于风雨储的联合发电系统设计

郝中甲++唐范+何隆英+申路民+钟杰+江林恒

摘 要：开发和利用新能源是当前能源产业的发展趋势，通过分析风能、雨能、石墨烯、储能的特点，设计了适用于城市楼宇的风雨储联合发电系统，并对该系统包含的风力发电系统、雨水发电系统、石墨烯发电系统、储能装置进行了阐述。该系统不仅能解决能源短缺的问题，而且能有效净化与利用水资源。随着当前城镇化进程的加快，本系统具有广阔的应用前景。

关键词：风能；雨能；储能；联合发电；石墨烯

中图分类号：TK79 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）05-0109-03

Abstract： The development and utilization of new energy is the development trend of current energy industry. By analyzing the characteristics of wind energy， rain energy， graphene and energy storage， a wind and rain storage combined power generation system suitable for urban buildings is designed. The wind power generation system， rain power generation system， graphene power generation system and energy storage device are described. The system can not only solve the problem of energy shortage， but also effectively purify and utilize water resources. With the acceleration of the current urbanization process， the system has a broad application prospects.

Keywords： wind energy； rain energy； energy storage； combined power generation； graphene

引言

能源是人类赖以生存、发展的物质基础，是社会正常运转的血液。优质能源的出现和先进能源利用技术的使用对于一个国家或地区的社会经济发展具有重要作用[1]。随着世界化石能源剧烈消耗而引起的能源危机与低碳经济的兴起，寻找可替代能源和发展清洁能源更是迫在眉睫。目前，我国能源供需缺口在不断变大，使得对外依存度不断升高，已成为危及国家安全的因素[2]。在当前日益严峻的节能减排压力下，加快发展可再生能源已成为我国当务之急[3]。此外，我国水资源占全球总量的6%，人均占有量只有世界平均水平的25%，是全球人均水资源最贫乏的国家之一。与此同时，水污染严重，导致水生态明显退化，水质普遍恶化，各种突发性水污染事件频发，水资源短缺问题日益突出。

风是空气的水平运动，空气运动产生的动能即为风能。风能是一种巨大的、无污染的、永不枯竭的重要自然資源。风能的主要应用是风力发电。在我国可再生能源发电领域，风力发电一直是领跑者。风能资源丰富的地区一般都在比较偏远的地区，风电场场址多选在此处。雨水作为一种极有价值的水资源，早已被人们发觉。目前对雨水利用的研究主要用在解决作为水资源短缺地区的饮用水和农田灌溉问题上[4]。石墨烯作为一种新型纳米材料有着独有的特性，石墨烯与雨水作用时可产生电能。城市楼宇顶部具有丰富的风力资源，楼宇顶部可以汇集大量的雨水，可进行水力发电。目前未有将风能、雨能、石墨烯、储能作为一个发电系统进行研究，鉴于此，本文通过对风力发电技术、水力发电技术、储能技术和石墨烯发电技术进行研究，提出了一种适用于城市楼宇的高效的风雨储联合发电系统的方案，并对系统进行了设计。

1 风雨储联合发电系统结构

目前风力发电技术比较成熟，雨水发电多是采用雨水汇集后再进行水力发电的方法。雨水从高空落下具有一定的动能，为了充分地利用风能以及雨能，采取风力发电为主，在风力发电机风轮叶片上布置雨水收集槽以构成风雨联动发电机的风轮叶片，从而进行发电。经研究发现，雨水在石墨烯薄膜表面流过及通过含氧化石墨烯制备的三维结构时均能产生电能。

通过对风能、雨能、石墨烯各自的发电技术及储能技术进行深入研究，现将它们进行结合，提出风雨储联合发电系统，该系统结构框架图如图1所示。

由图1 可知，该系统主要由雨水汇集、过滤净化及收集装置、微型水力发电机、蓄水池、风雨联动发电机、石墨烯、整流滤波电路、蓄电池、用电设备等组成。其中微型水力发电机进行水力发电后的雨水进入蓄水池，可满足城市非饮用水的需求，比如绿化、空气除尘、喷泉等。风雨联动发电机将风能和雨水的动能与势能转换为电能。利用石墨烯材料可进行两级发电。转换成的电能经处理，可用蓄电池进行蓄能，满足用电设备的需求，或进行升压并网，输送到需要电力的地方，为人类提供永久的电力。

2 系统设计

2.1 风力发电系统设计

一般而言，三级风到九级风适合风力发电。对应的风速范围为3.4m/s～24.5m/s。经实测，建筑高度为492m的上海环球金融中心，其顶部最大风速为21.77m/s[5]。可见城市楼宇的顶部有着丰富的风能资源。

本系统是利用城市楼宇顶部的空间，在其上建立小型风力发电装置。根据风力机轴的安装形式，可分为水平轴风力发电机和垂直轴风力发电机。本系统使用的是目前技术最成熟、产量最大的水平轴风力发电机，其数量可达风力发电机数的98%以上。风力发电机装置的基本结构包括风力机、主轴、增速齿轮箱、调向机构、发电机、支架、电缆、控制系统及附属部件（机舱、机座、回转体、制动器）等组成。风力机又称为风轮，包括叶片和轮毂等，叶片安装在轮毂上。水平轴风力发电机模型如图2所示。endprint

风力发电的原理是，风以一定的速度吹风力发电机风轮叶片，产生的力驱动风轮低速转动，将风能转换为机械能，通过传动系统、增速齿轮箱增速，将动力传递给发电机，发电机匀速运转，从而把机械能转换为电能。为捕获最大的风能，可通过调向机构使风轮对准风向。风轮叶片数是风轮最显著的外形特征，随着风轮叶片数的增加，最大风能利用系数增加，但增加率逐渐减少。此外，随着风轮叶片数的增加，最佳叶尖速比减小。叶片一般为1～4片，常用的为2～3片。叶片数为3时，其叶片成120°夹角，转子的动平衡比较简单。在现代水平轴风力机上，3个叶片时，风能转换率峰值为50%。

基于风力发电的原理，为将风能和雨水下落的势能与动能同时利用，需对已有的风力发电装置进行改进。考虑到雨水的充分利用及发电装置的自重、结构稳定性、制造安装成本及维护费用，本发电装置采用3个叶片。在风力发电机风轮叶片的单面上布置若干雨水收集槽，使其分布满该面，另一面仍为光滑面，构成风雨联动发电机风轮叶片，如图3所示。使之可以单面收集冲刷的雨水，将雨水的势能与动能作用于风轮叶片，使风轮叶片转动，从而转换为风轮叶片的机械能。调整调向机构，使得风轮叶片在雨水作用时转动方向与风力单独作用时的转动方向一致。这样，风能和雨水的动能、势能一起转换为风轮叶片的机械能，进而转换为电能[6]。

2.2 雨水发电系统设计

城市楼宇顶部有着面积巨大的平台，可以作为一个雨水汇集平台。以深圳华强北赛格广场为例，赛格广场总高度355.8m，实高291.6m，塔楼采用正八边形分布，总面积达1380.6m2。由2016年度深圳市水资源公报可知，2016年深圳市年累计雨量为2721.33mm，则能够汇集的雨水量为3757.068198m3，城市居民人均生活用水量为165.59L/日，则该装置汇集的雨水能够满足约62人的年用水量。可见城市楼宇顶部汇集的雨水不仅有着丰富的势能而且是一种丰富的水资源。

本系统是利用城市楼宇顶部平台进行雨水汇集，再进行水力发电。水力发电的原理就是在水流的冲击作用下，水轮机开始旋转，将水的势能转换为机械能，与此同时，水轮机带动同轴相连的发电机旋转，进而水力发电机将发出电力，实现能量的转换。

具体而言，雨水沿着城市楼宇顶部具有一定坡度的地面汇流到流通管道，流通管道中的雨水经过雨水过滤净化装置除去泥沙等杂质，进入含氧化石墨烯制备的三维结构，流出的雨水可被雨水收集装置收集。在雨水收集装置内安装浮球阀，以保证发电机正常工作时所需的水流状态。当雨水收集装置内的水位达到一定值时，阀门开启。雨水进入排水管道，在排水管道内分级布置灯泡贯流式发电机装置[7]。在贯流式水力发电机中，水轮机与发电机直接连接，水流沿轴向流进导叶和转轮，这样将排水管道中雨水的压力能与动能转换为电能。灯泡贯流式水轮机结构如图4所示。

在城市楼宇底部设置蓄水池，存储经水力发电机之后的雨水，此部分雨水可用作城市非饮用水的来源，比如洗车、消防储备水等。此外，雨水经过滤净化处理可吸除雨水中的部分硫化合物，有助于绿色环保。

2.3 石墨烯发电系统设计

雨水是混合物，分析其成分可知，其中的盐分能够进行电离，产生正离子（Na+、Ca2+、Al3+等）与负离子。经过一系列的理论和实验研究发现，水或其他极性液体通过一维结构（如碳纳米管）时，可以在液体流动方向产生一定的净势能差和相应的电流。而石墨烯富含可在二维平面上自由移动的电子，因此具有优异的导电性能，这些雨水中的正离子可吸附在石墨烯表面。在雨水和石墨烯之间的接触处，水中富含的正离子和石墨烯富含的电子形成具有法拉第准电容特性的双层结构，称为赝电容器，它能够像电容那样存储电能。由含氧化石墨烯制备的三维结构具有足够大的孔洞，可允许水分子自由通过。当水从这种结构的顶部流淌到底部的时候，水分子将和氧化石墨烯中的含氧基团发生反应，分离形成氢离子，剩下的氧基团则非均一的分布在结构中，这将产生足够多的离子，从而产生电能，这种能量转换方式的效率高达62%[8-10]。

本系统是利用石墨烯材料与雨水进行两级发电。第一级发电中，在风雨联动发电机风轮叶片光滑面镀上石墨烯薄膜，以形成赝电容器，存储电能。第二级发电中，雨水经过滤净化装置流至含氧化石墨烯薄片的圆形三明治层状结构，如图5所示。此圆形三明治层状结构根据排水管道的尺寸进行设计。

此圓形三明治层状结构由两片多孔铝电极组成上下两极板。氧化石墨烯薄片夹在两极板中间，石墨烯薄片边缘用绝缘胶绝缘。这样，此结构可满足水分子正常通过，并利用氧化石墨烯产生电能。

2.4 储能装置设计

受限于环境的影响，风力发电系统、雨水发电系统、石墨烯发电系统产生的电能不稳定，波动较大，因此需要设计电路，将零散的电能用蓄电池存储起来。考虑成本、安装、寿命、维护等综合因素，选择铅酸蓄电池。利用逆变电路将电池中存储的电转换为市电，满足普通用电设备的要求。富余的电力可进行升压，并入电网，输送到有需要的地方，创造社会价值。

3 结束语

（1）基于风电、水电、石墨烯、储能的工作原理，设计了适用于城市楼宇的风雨储联合发电系统，在原理上可行。（2）通过对风力发电机风轮叶片的研究，设计了风雨联动发电机风轮叶片，可满足对风能与雨能的同时利用。（3）通过对水力发电的研究，在城市楼宇的雨水排水管道中布置贯流式水力发电机，设计了雨水在排水管道内流通时的多级利用发电系统。（4）利用石墨烯的特点，设计了含氧化石墨烯薄片的圆形三明治层状结构。设计了雨水从下落到进入雨水收集装置过程中的两级利用发电系统。（5）该联合发电系统充分利用了雨水，从绿色节能的角度来看有着重大意义。随着城镇化的加剧，用户用电要求的提高及生态环保、资源短缺压力的增大，本系统具有一定的市场推广价值，有广阔的应用前景。

参考文献：

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[3]徐娟，孙大伟.智能电网——大规模风、光电并网瓶颈问题的解决方案[J].宁夏电力，2012，01：11-14+26.

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[10]Zhao F， Liang Y， Cheng H， et al. Highly efficient moisture-enabled electricity generation from graphene oxide frameworks[J].Energy & Environmental Science， 2016，9（3）：912-916.endprint