小型水下涡轮发电机在偏远地区的应用

闫鑫

摘 要：随着我国经济建设的稳步发展，对于偏远地区的基础建设也日益被人们重视。对于偏远地区用电难的问题，虽然国家电网的建设正在逐步向偏远山区延伸，但是偏远地区地形较为复杂，建设难度高，投资成本大，设备的维护也比较困难，所以在短期内依靠国家电网的建设解决偏远山区人民用电难问题还是比较困难的。文章提出一种设想：可以在偏远地区的河床上安装水下涡轮机组，利用河流的动能进行发电。本研究将对这种发电方法的优点进行阐述，并对可能出现的问题提出可行的解决方法。

关键词：偏远地区；水下涡轮发电机；河流水力发电

中图分类号：TM31 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）20-0162-02

Abstract： With the steady development of our country's economic construction， people pay more and more attention to the infrastructure construction in remote areas. With regard to the problem of power shortage in remote areas， although the construction of the State Grid is gradually extending to remote mountainous areas， the terrain in remote areas is relatively complex， the construction is difficult， the investment cost is high， and the maintenance of equipment is also relatively difficult. Therefore， in the short term， it is difficult to rely on the construction of the State Grid to solve the problem of the people in remote mountain areas. This paper presents an idea that underwater turbine units can be installed on the riverbed in remote areas to generate electricity using the kinetic energy of the river. This study will describe the advantages of this method and put forward feasible solutions to the possible problems.

Keywords： remote area； underwater turbine generator； river hydropower

1 研究背景

近些年來随着经济水平的日益发展，我国各项建设项目正稳定快速的发展。然而对于偏远山区的基础设施建设，是我们国家进行脱贫攻坚战，实现全面建设小康社会的关键而又不可或缺的重要一步。

中国农村面积广大，人口6714.5万人，占全国总人口的50.32%。作为农村最重要的基础设施之一，电力与中国农村居民的基本生活需求，生活水平和经济可持续发展密切相关[1]。“九五”期间，中国在农村电网改造上投入2000多亿元，解决了农民用电超过80%的问题，为改善我国农村形象发挥了重要作用。但是，许多农村地理位置偏远，自然环境相对较差，电力消费问题尚未解决，全民电力服务的重点和难点在西部农村地区[2]。虽然国家电网的建设正在逐步向偏远山区延伸，但是偏远地区地形较为复杂，建设难度高，投资成本大，设备的维护也比较困难。根据相关资料调查显示，我国对偏远地区农村电网投资相对较小，所以在短期内依靠国家电网的建设解决偏远山区人民用电难问题还是比较困难的。以云南元江地区为例，元江哈尼族彝族自治县是经济发展落后的农业县，少数民族社区，农村电气化发展还有许多问题需要解决。

元江县可开发36座电站，但由于经济的限制只开发了18座，占可开发电站数的50%。还有16.229×104kW（约占蕴藏量的72%）没有开发，造成了水力资源极大的浪费。由于水力资源丰富的河段交通不便，人口稀少，开发难度大而开发率低，电网覆盖面窄。目前还有6个乡镇的21个自然村498户人家共2211人还没有用上电[3]。因此，需要一种投资成本低，便于安装的简易发电设施来解决这个问题。国际上微水电也是在本世纪初才开始被研究，发展时间还不长，属于一种新型的技术，具有很大的发展前景。

2 设计思路

2.1 基本原理

水下涡轮发电机与风力发电机十分相似，但它不是通过空气分子，而是通过河水流动的动能推动涡轮机叶片的旋转，从而带动发电机，把水流能量最终转换为电能。相对于风力条件来说，水流既稳定又高效，最重要的是水比空气更密集，这意味着水下涡轮机可以在缓慢的水流中就达到发电必要的旋转速度。水下涡轮发电机组输出功率的计算公式为：

式中：P-功率，W；ρ-水密度，1025kg/m3；A-涡轮机机转子扫掠面积，m2；V-水流速度，m/s；η-效率。

从上述可以看出，水下涡轮机机组的输出功率很大程度决定于水流速度。

一般来说，水流速度大于1m/s的河流即有开发价值。

2.2 具体方案

（1）建造条件

偏远地区所处的地带，大多数为大江大河的中上游，河水流速快，河水中携带的泥沙含量较少，且不易沉积到河床底部。所以河底的泥沙淤积较少，河床地基相对来说比较稳固，便于水下涡轮机组基础的安装。

（2）安装建造方法

这种小型水电设备只需在河流底部建立固定基座。将涡轮发电机放入河中，在涡轮机底部安装三角支座作为基础，于河床相连，固定于河底。底座结构设计为三脚架，在河底占据最小的占地面积，并通过重力和附加的稳定装置进行稳定。

3 能量的转换

3.1 能量捕获系统

该水下涡轮发电机组类似于潮流能发电系统中的水平轴式系统，其工作原理与风力发电机的工作原理相同。河水动能捕集装置受到水流的作用并围绕旋转轴旋转，将水流的动能转换为捕集装置的旋转机械能。能量转换系统将机械能直接或转换后转换到电能转换系统，电能转换系统输出的电能经电能转换处理系统处理后送入系统终端。中央控制系统负责控制和管理整个发电系统的稳定运行。结构支撑系统承载并固定发电系统的机械部件，以确保发电系统在不同的河底环境下稳定运行[4]。

3.2 涡轮的变转速控制

涡轮的变转速控制可以借鉴风力发电系统的变速恒频技术。变速变频技术通过电力电子技术实现叶轮的变速运行，控制风力发电机[5]。对于变速风力发电系统，其电子控制系统主要包括变速发电机，整流器，逆变器和中央控制器。目前广泛使用的变速发电机包括双馈异步发电机和低速永磁同步发电机[6]。在额定风速以下，整流器和逆变器用于调整发电机的电磁转矩，然后改变发电机作用于风轮机转子的阻力矩以实现风轮机的转速控制[7]。

4 创新特色及优点

4.1 建造简易

装置简易，方便安装，特别适合安置于山区，以及满足零散户的用电需求。只需要对河床進行简单的开挖和基础处理，直接利用吊船将涡轮发电机放入河底，再由施工技术人员到河底进行安装固定。施工不复杂，施工简单，施工周期短，基础设施投资小。

4.2 保护生态环境

由于叶轮转动缓慢，不会伤害鱼类并且水下涡轮机组不会释放二氧化碳，把对生态的影响降到最低。与建造大坝不同，这种发电设施不会造成水库诱发地震，对原有的自然地质条件不会造成影响。

4.3 建造成本低

由前文可知，施工方便，不需要重型机器，也节约了施工成本，降低了工程的总造价。电站靠近用户，输变电设备和输电线路成本低，机组运行采用微电脑控制装置控制上电，下电，并网，断网，自动检测水位节制机组输出功率，无需人工操作开机、关机，因为使用无人值守，节约人工运行费用。

4.4 与其他发电设施的对比

虽然水下涡轮发电机的原理来自于风力发电机，但是相对风力发电机其优势更为明显。风力发电机最明显的缺点就是没风就断电，而水下涡轮发电机位于河流的中上游，河流断水的概率不大。相对于风力条件来说，水流既稳定又高效，最重要的是水比空气更密集，这意味着水下涡轮机可以在缓慢的水流中就达到发电必要的旋转速度。

相对于火力发电，水下涡轮发电更加环保，不需要燃烧煤等燃料，不会产生有害气体。而且因为几乎不需要煤等原料，所以发电成本低廉，非常适于贫困偏远山区。

5 工程实例

国内暂时还没有此类水下涡轮机组发电的工程实例，但是在国外已经有了此类工程项目。国外主要是利用海洋的潮汐能推动水下涡轮机组进行发电。目前，苏格兰MeyGen公司计划投资8200万美元建造水下涡轮发电机，估计本世纪20年代能够完全对苏格兰三分之一家庭提供电能。

这些项目主要由英国电力可再生能源部门监管，该部门声称，水下涡轮机工作良好，已经开始为埃代岛提供能源。介绍称，水下涡轮机主要是利用潮汐以及水的力量来进行工作。另外，科学家们专门选择在暴风雨来临时，将涡轮机放入水中，以证明它能承受恶劣的天气环境。

6 应用前景

（1）该装置的出现可以大幅的解决偏远贫困山区发电问题，对于偏远地区的农户（西藏，云南乃至世界欠发达地区例如尼泊尔）可以一次安装，多年内用电无忧。

（2）对于长江等大型河流上的桥梁、码头等，均可在河流底部安装该设备，提供电能，该装置在河底不会对航运产生影响。

（3）对于带有河流的景区，也可在次要的地带安装该简易设备，提供电能，达到自给自足。且该装置又不会对景区的美观造成破坏。

（4）水下涡轮发电机不仅仅可以往微水电方向发展，

还可以将其批量生产作为大型的发电机组。

参考文献：

[1]时景丽，都志杰，任东明，等.中国无电地区可再生能源电力建设[M].化学工业出版社，2009：52-109.

[2]国务院发展研究中心课题组.我国可再生能源发展现状及政策取向[R].2009：7-12.

[3]李松林.元江水电农村电气化初探[J].云南地理环境研究，2001（S1）：37-40.

[4]池清海.10kW潮流发电电控系统设计[D].哈尔滨工程大学，

2013.

[5]李建林，许洪华，等.风力发电中的电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[6]叶航冶.风力发电机组的控制技术[M].北京：机械工业出版社，2007.

[7]刘其辉，贺益康，等.变速恒频风力发电系统最大风能追踪控制[J].电力系统自动化，2003，27（20）：63-66.