武汉职业技术学院 夏光蔚

浅析高层建筑清洁能源发电系统的设计

武汉职业技术学院 夏光蔚

随着传统能源的高速消耗，使用清洁能源成为了时代的主题。为达到节能减排的目的，本文浅析设计一套下水道微型水流发电系统，将高层建筑污水（包括雨水）排下时的动能转换为电能，用于高楼的一些公共小型电气设施，如LED照明、电铃等。

清洁能源；水流发电系统；设计

1 引言

近年来，随着传统能源的高速消耗，并伴随着传统能源带来环境污染，各国都在积极开发利用可再生新能源。目前，风能，水能，太阳能成为新兴能源的三大主力。随着城市高楼的迅速增加，我们想到设计一套下水道微型水流发电系统，将高层建筑污水（包括雨水）排下时的动能转换为电能，用于高楼的一些公共小型电气设施，如LED照明、电铃等，达到节能减排的目的。

2 设计与实施方案

目前，世界范围内已经有微型水流发电机和针对下水道水流发电机，属于专利项目[1]。但并未发现利用高层建筑水管水流发电的项目。本设计构思意在结合两项专利优点，在新的实施场合进行新的应用。

2.1 设计时考虑的主要问题

（1）发电机的选择，要选择与水管水量和水速匹配，发电效率最高的发电机。

（2）变电与蓄电电路的设计。

（3）水箱液位传感器安装以及控制电路的设计。

2.2 高层水管水流发电系统的设计

对于整个系统包括两大方面：其一，发电机系统应包含以下基本元件：水箱，水轮机、发电机及主轴。其二，控制系统包括：水速传感器，液位传感器，控制电路，蓄电池及输电线路。下水道微型水流发电系统框图如图1所示。

2.2.1 发电机选用

贯流式水轮发电机组由贯流式水轮机驱动。贯流式水轮机是一种带有固定或可调转轮叶片的轴流式水轮机的特殊型式。它的主要特征是转轮轴线采取水平或倾斜布置，并与水轮机进水管和出水管水流方向一致。贯流式水轮发电机具有结构紧凑,重量轻的优点，广泛用于低水头的电站中。因此，我们可以选择异步贯流式交流发电机[2]。

图1 下水道微型水流发电系统框图

2.2.2 蓄电池选用

为了一个既定应用场合进行蓄电池的设计，必须系统考虑下蓄电池的电压和电流、C/D和耐久性、CD过程中的运行温度、按CD循环计算的寿命和成本、尺寸及重量等条件。这里我们可采用单充电速率的蓄电池[3]。

2.2.3 控制电路

水力发电系统原理图和电网接口控制原理图如图2、图3所示。

图2 水力发电系统原理图

图3 电网接口控制框图

2.2.4 液位传感控制

液位传感器多种多样，有静压式液位传感器，电容式液位传感器等等，到时可以选择性价比适合的。当最低层水箱水到达一定程度时，控制电路产生一个信号，控制水箱的排水开关依次从下自上打开，将水拍下即可。从而最小化的减少重力势能的损失，最大化的将高层水的重力势能转化为流水对涡轮电机的推力。液位传感控制框图如图4所示。

图4 液位传感控制框图

2.3 系统安装

由于水力发电需要一定的水量和流速，所以需要水箱来蓄水，在这里，考虑到成本，水箱暂时可以选择容量为2吨，当然容量越大，发电的效率越高。材料可以选择塑料。每一层需要一个水箱，安装在每一层建筑物的某一端，一栋大楼的所有的水箱应该在一条垂直线上，再通过一跟水管连接汇总。每一层的污水（马桶的水除外，由于杂质太多，过滤成本过高）直接排到每一层的水箱，雨水直接收集到最高层水。发电机可以安装在大楼的最底层和地下室，具体要视大楼的结构而定，越低越好。

3 成本及效益计算

本系统的成本主要包括：发电机及组件，蓄电池及电路设备，水箱及液位传感器，初始安装费用，设备维护等。而对于效益产能，我们以一栋20层的楼，每层十户人家，每月用6吨水为例，其总用水的重力势能约为7.5×109。若我们以5%的效率来算的话，每个月能产能100度电左右，电费按0.5元每度来计算，那么每月能效益50元钱，一年为600元。若本系统的关键器件寿命为10年的话，那么10年的总效益为6000元，这只是以一栋楼为例，若能把全国所有大楼加在一起绝对是一笔可观的节能收益。

能够将生活污水用于发电，充分利用了生活中存在的能源，并且是洁净无污染能源。我们可以考虑通过向城市小区居民用户宣传，为他们分析投资收益比，然后让居民自己集资进行安装，所产生的电能也许不能满足所有居民的用电量，但可以满足居民大楼的一些公共设施的需求，可以为他们节约公共电费。

4 总结

该系统创意之处主要瞄准了“节能”，依据能量转换原理，结合目前已有的微型水流发电机和针对下水道水流发电机两项专利在新的实施场合进行新的应用，符合当前社会“节能减排”的主题。本文对 “水力发电工作原理、变电与蓄电电路设计、控制电路的设计、楼宇中水箱以及排水管的安装设计”等方面进行了分析和设计，做了初步可行性验证，计算了成本投资预算和节能收益。若能实现，将为使用清洁能源提供一个新的实施方案。

[1]王树杰等.柔性叶片水流发电模型实验研究[J].太阳能学报,2010(3):10-12.

[2]段自豪,陈正寿.潮流发电现状分析及未来展望[J].中国水运(下半月),2012(2):21-22.

[3]Mukund R.Patel著.姜齐荣,张春朋,李虹译.风能与太阳能发电系统—设计、分析与运行[M].北京:机械工业出版社,2009.

夏光蔚（1980—），男，硕士，讲师，工程师，研究领域：计算机、电子技术应用。