水下风帆式水力发电装置研究

肖凯文

摘要：水下风帆式水力发电装置是一种将高强度化学材质作为主要原料生产出的具有自动张拉和关闭功能的伞状风帆。该装置充分结合了降落伞与风帆的基本构造与原理，并在此基础上，对其进行了适用性上的改造。将其放入水中以后，在水流的冲刷作用下该装置将类似于降落伞打开一般，进而持续的作用力带动电机转动，最终达到发电的目的。本文详细介绍了此类水帆型发电装置，并简单阐述了发电装置的各项基本性能，旨在为水力发电装置的改进与发展提供有利的参考。

关键词： 水下风帆；水力发电；发电装置

中图分类号： TM612 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

水下风帆式水力发电装置属于水帆技术范畴。水帆技术是指，使用一些强度较高的化学纤维制成风帆，然后充分使用降落伞的相关原理，将风帆与降落伞进行充分的融合，由于该结构在水下运作与风帆十分类似，因此得名水下风帆，也可简称为水帆。该装置具备发电及推动船舶的能力，如果将装置放置在存在一定落差的水中，在流水的作用下，该装置将全部张开，进而产生一定阻力，可带动电机转动，达到发电的作用；如果用通电的电动机带动该装置进行反向运转，那么该装置就会产生一定的推力，推力的大小取决于电机的带动力，因此该装置具有推动船舶的能力。本文主要对其水力发电功能进行分析与研究。

一、水帆型发电装置

该装置主要呈长方体，水帆一般安装在装置的内部。在使用时，需将其安放在存在一定落差的水中，只需确保有水真正从装置的上端流入即可，此时该装置将根据水流的大小及强度产生电流，从而完成发电。按照发电的原理与方式可将水下风帆式水力发电装置分为两种形式，即为引水式以及水坝式。

（一）引水式

引水明渠当中流出的水流进入进水口，在水槽中进行正常流动，最后由下端出口流出，此过程即可完成发电。与引水式的大型水电站相比，该方法具有较为简单的水工建筑（饮水明渠与进出水口），所以可节省大量的施工成本与周期。实际情况中，进出水口的宽度仅为1m左右，进出水口的宽度设置前提条件是槽内的水流速度必须达到3-5m/s。由于是明水发电，所以无需建设前池、水竹等基础设施，节省了大量的资源，统计得知，该方法可节省仅60%的造价成本，相比之下，具有极高的经济效益。

（二）水坝式

装置稍微倾斜的放入水中，水流会从坝顶的接触面流入装置内部，与当前正在投入使用的水坝式水力发电站相比，该方法至少从三个方面缩小了工程的费用和消耗，具体内容为：

（1）水工建筑方面，该方法无需使用渗水阀门、大型水轮机等建筑设施；

（2）设备方面，该方法无需借助大型水轮机、压力钢管等设备，节省了大量的安装与运行调试费用；

（3）水槽方面，在运用此方式发电时，坝体会与水槽形成一个整体，所以完全可以省略水槽的加工与安装工序。据统计计算，运用该方法进行发电时，可节省约50%的造价。

该发电装置的设置要求与常规小型水力发电站的建设要求基本相同，而且该装置具有更高的灵活性，适用范围较广，仅对水流的实际落差具有一定要求，凡是落差在2-3m范围内的水源即可修建该发电装置。

此外，该发电装置非常适合我国偏远地区的水利发电需求，由于这些地区资源相对匮乏，所以资源要求相对较低的水下风帆式水力发电装置具有较高的适应性。

二、水利发电装置的基本性能

（1）水下风帆式水力发电装置的实际输出功率为566.5w，其中电功率约占51%，即为260.0w。如果使用电机效率稍高的电机，其电功率将大幅上升。

（2）水下风帆式水力发电装置的水力机实际效率为81.8%，经过细致的改良可上升至90%左右。如果此时配备电机效率为87%的发电装置，则该装置的总有效效率可达75%。

（3）水下风帆式水力发电装置的制作成本为800元，其中包含进出水口等设施的建设费用，经过平均计算以后可得单价为：1.8元/w。

通过实验得知，该发电装置的单位造价显著低于常规的小型水利发电站，而且比某些中型和大型水利发电站还具有较高的性价比。由此可知，水下风帆式水力发电装置与太阳能、风电相比，不仅满足清洁能源的生产要求，其成本也是最低的。

在我国，水能的实际存储量达到了6.8亿千瓦，其中满足人工开发的水能约占总量的54%，即为3.7亿千瓦，储备量十分可观。因此，在实际情况中，只需要真正开发出可开发总量的20%或30%，就能够从根本上解决我国用电难的问题。然而，事实与理想往往存在很大的差距，由于受到技术层面和外界不可抗力等因素的综合影响，全国范围内水能资源的实际开发量仅为可开发总量的8%，其中水力发电并未得到足够的重视，仅占总量的20%，仍将火力发电作为主要的发电模式，出现这一情况的原因有许多种：

（1）水力发电相关建设需要大量的一次性投入，对于成本的需求较高。

（2）施工周期较长，投入资金很难在短时间内得到回报。

（3）水利发电的成品电造价较高，经济效益与传统发电方式相比较低。

由此可见，现阶段水力发电的首要任务就是尽可能的减少造价成本，使其被更多的人所认同，从而充分发挥出水能的重要作用。通过一系列的实验验证得知，水下风帆水力发电装置的应用，至少可以节省约50%的经济成本，因此值得大范围的推广与使用。

三、总结

新型高强度纤维材料的出现与应用，使水下风帆式水力发电装置的应用与发展进入了全新的阶段，由于天然纤维存在一定先天缺陷，所以在工业生产日益完善的今天，水下风帆式水力发电装置得到了更好的技术与材料支持。虽然水帆技术还处在发展的初级阶段，但相信经过多年的研究和实践，该技术将得到更为广泛的应用和发展。

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