黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统设计

曹峻博

(兰州文理学院美术与设计学院，甘肃 兰州 730010)

在城市湿地景观设计领域，生态净化水生成、再生清洁电能利用等方面的自循环清洁能源再生系统设计方案的提出，是一个创新之举，它将湿地自循环生态系统与闭合自循环能源生成结合在一起[1]，属于国内首创，该领域研究国内尚无先例。

20世纪70年代起，欧美、日本等国家和地区开始将城市河流湿地逐渐修复到原生状态[2]，这些城市化程度较高的国家对已破坏的城市河流湿地进行生态恢复，并试图扩大河岸空间，构筑生态水岸，建设滨河湿地景观。国内城市滨河湿地景观设计在国内起步较晚，其首要任务是在保护和恢复湿地生态系统的前提下[3]，促进城市建设发展，尤其是已经发生退化的城市区域内湿地。总而言之，国内外都以恢复河流湿地的生物多样性的特性、自然生态和环境功能，利用自然地形地貌，建立起自然生态要素与城市景观要素和谐共存的城市河流生态，把河流堤岸尽量恢复成接近于自然的形态，努力创造出丰富自然的水边环境[4]。

在湿地能源利用方面，国内外研究大多将视线聚集在湿地生物质能源、工业原料等方面[5]，通过生物质固体成型燃料技术、沼气技术等加以利用，进而建立湿地生物质能源化利用模式[6]。但是，在湿地生态净化水生成、再生清洁电能利用等方面的自循环清洁能源再生系统设计研究方面，经过资料文献等查阅，国内外暂无研究成果。

为填补国内对于该领域研究的空白，设计黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统，希望通过该系统将湿地生态系统纳入城市生态景观建设的整体环境背景中，使之成为更为系统的自然与人文共生环境下社会再生资源，尽量减少社会公共资源的浪费，并避免建设过程中对河西地区旅游景观廊道湿地生态系统造成二次破坏，实现河兰州段湿地景观电能使用的供需平衡，以此产生更为广泛的社会溢价价值。

1 湿地景观清洁电能自循环系统设计

1.1 黄河兰州段湿地分布情况

依照湿地公约中的描述，黄河兰州段内的河流、岛屿以及河道两侧的河滩、草地、沼泽、农田以及林地层均为湿地[7]。

依照基本属性的差异性可将黄河兰州段湿地景观划分为自然景观与人为景观[8]。自然景观主要包括地文景观、水域景观与生物景观、人文景观主要为建筑、科普娱乐等。黄河兰州段湿地景观划分如图1所示。

图1 黄河兰州段湿地景观划分Fig.1 Wetland landscape division of Lanzhou section of the Yellow River

(1)地文景观。黄河兰州段湿地公园地处黄河与北滨河路之间，黄河岸滩两侧绿草如茵，具备良好的投资环境与旅游环境。

(2)生物景观。黄河兰州段湿地内栖息了大量的鸟类，并且还有多种候鸟在飞行途中在此停留。同时该湿地区域内还包含大量鱼类，其中还包含较为珍贵的北方铜鱼与赤眼鳟鱼等。而植被种类也十分丰富，如甘蒙锦鸡儿、琵琶柴、西伯利亚白刺、紫萼石头花、木本铁线莲等。

(3)水域景观。黄河兰州段中河面宽度在达到1 350 m，是黄河流域中河面最为宽阔的区域，且该区域内河流较为缓慢，两岸绿植丰富且形成一定规模，具有独特的水域风光。

(4)建筑物。兰州段内黄河穿城而过，成为该区域内独特的旅游景观资源。黄河兰州段沿线具有多处雕塑、广场与主题公园等景观，游客不仅能够欣赏湿地，还可观览建筑景观。

(5)漂流。在兰州段内黄河进行漂流，不仅能够感受黄河的急流险滩，同时还能欣赏湿地景观与城市建筑，令游客目不暇接。

(6)科普娱乐。设定主题公园，根据兰州区域历史文化信息与自然生态环境，综合考虑生态功能与娱乐休闲功能，结合科普展示与生态体验功能，构建自组织与自循环的湿地公园。

1.2 清洁电能自循环系统整体结构设计

黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统设计，以黄河兰州段湿地空间内存在的能源为基础，从清洁角度出发，采用风能、光能、水能以及人体踩踏能等方式作为清洁电能的原材料，结合不同类型的发电子系统，构建清洁电能产生— 存储—使用的应用模式，由此实现清洁电能的自循环，为黄河兰州段湿地景观提供电能。黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统整体结构如图2所示。

图2 系统整体结构设计Fig.2 Overall structure design of system

黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统中所使用的发电子系统具有不同类型。其中，所使用的水力发电包括两种类型子系统，分别是波浪状滚筒式水力发电子系统和滚动流体式水力发电子系统；风力发电也分为2种子系统，分别是8涡轮垂直轴风力发电子系统和同步风力发电子系统；光伏发电为折叠式太阳能自动追踪光伏发电子系统；人体踩踏发电所采用的是踩踏发电地砖子系统。

黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统中，各类发电子系统的设计与应用至关重要。

1.3 同步风力发电子系统结构设计

黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统中风能发电所使用的同步风力发电子系统结构如图3所示。

图3 同步风力发电子系统结构Fig.3 Structural block diagram of synchronous wind generator electronic system

该子系统中同步发电机负责提供电能，在电能驱动下调速模块负责电能的恒速输出[9]，通过齿轮箱控制风力机转动，由此实现风力发电。

调速模块是同步风力发电子系统中的核心模块，其采用永磁双转子调速电机，依照电磁力的作用力和反作用力以及电机磁场作用实现恒速输出目的[10]。

以往所使用的同步电机定子处于非自由状态，在接通三相交通点后形成旋转磁场，其同永磁转子磁场之间相互作用[11]，形成电磁力令电机转子转动。同时电机定子也受到这种电磁力的反作用力影响，若定子处于自由运动状态，那么受反作用力影响后将形成反向转动。对以往所使用的同步电机进行改良后，令其定子处于自由运动状态，则电子内的能动元件数量则在原有一个转子的基础上再添加一个定子，在此条件下，通过各自所承担的负载确定转速[12]。在外力影响定子的电磁力令定子处于固定状态的条件下，转子的转动受转动磁场影响；在外力电磁力与定子的旋转阻力均产生影响的条件下，即可构成机电混合双输入的双转子电机。电磁场的能量交互需在相对静止条件下完成，因此同步风力发电子系统中电机的转速可通过绕组受外力影响后自身的旋转速度与其上电流所产生的旋转磁场速度相加得到[13]。

在绕组受外力影响后自身的旋转速度受到风速等外界原因影响而发生变化的条件下，经由变化输入电流的频率，令初始定子线圈形成旋转磁场的转速发生变化，由此能够控制输出轴转速，令其持续处于恒定状态，实现同步风力发电子系统内电机组恒速输出的目的。

根据贝兹理论[14]，风力机转动条件下，由风中获取的功率为风能次数与扫风面积、空气密度、风速立方值间的乘积的0.5倍。

1.4 光伏发电子系统结构设计

黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统中光伏发电采用折叠式太阳能自动追踪光伏发电子系统，该子系统包括机械本体与电控模块两个主要部分[15-16]。

机械本体的主要功能为控制太阳能电池板的回转折叠，并对太阳进行追踪，其中主要包括折叠与开展单元、俯仰单元与回转单元。折叠与开展单元主要控制太阳能电池板，在发电时刻将12块太阳能电池板展开为一个准圆形，在不发电时将太阳能电池板折叠收齐，降低空间占用率。俯仰单元利用减速电机控制链轮举升电池板，实现不同俯仰角度的变化控制[17-19]。回转单元也在减速电机驱动下由回转支承轴带动平台转动，朝向太阳。

电控模块以可编程逻辑控制器(PLC)为核心[20-21]，主要功能为采集外界环境传感器(光照传感器、风速传感器与雨雪传感器)所获取的环境数据，并对数据实施处理与分析；实时确定太阳角度，将其转换为装置相应的俯仰角度与回转角度[22-23]；依照不同单元当前角度，实现不同单元不同角度动作的控制。

折叠式太阳能自动追踪光伏发电子系统中电控模块结构如图4所示。

图4 光伏发电子系统电控模块设计Fig.4 Design of electronic control module of photovoltaic generator system

电控模块以PLC为核心，基于各类传感器与限位开关的开关量与模拟量信号，经由程序采集环境信息、执行单元位置信息、电池信息以及故障信息等[24-25]。在此基础上通过相应程序确定太阳能电池板是否展开、是否向蓄电池供电等后续运行，并发送运行命令，通过继电器的通断完成命令。

2 实验结果

为验证本文所设计的黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统在实际应用过程中的使用性能，在黄河兰州段区域内搭建本文系统，基于黄河兰州段区域内各项资源产生电能，并将所产生电能存储至蓄电池内，供湿地景观所使用，系统测试结果与分析如下。

2.1 自循环系统的供需平衡性能

在黄河兰州段区域内搭建本文系统，现场应用如图5所示。

本文系统不同时间段内参与发电的子系统、整体发电量以及实际用电量的对比情况见表1，其中的数值均为年均数值。

图5 现场应用Fig.5 Field application

表1 本文系统电能自循环供需分析Tab.1 This paper analyzes the supply and demand of power self circulation in the system

分析表1得到，本文系统中不同发电子系统的电能最终都存储在蓄电池内，供湿地景观使用。在黄河兰州段区域内日发电量均值约为105 608 kWh，而该区域湿地景观日用电量均值约为1 055 918 kWh。由此可知，利用本文系统能够有效满足黄河兰州段湿地景观用电量需求。

这主要是因为本文方法划分黄河兰州段湿地景观，结合不同类型的发电子系统，构建清洁电能产生—— 存储——使用的应用模式，使得发电子系统的电能供湿地景观使用。

2.2 同步风力发电子系统运行分析

本文系统中同步风力发电子系统输出轴转速如图6所示，对其进行分析能够得到，在额定转速周边随机风的机组运行结果，同步风力发电子系统内电机既利用电磁转矩实现风能的传递，同时还经由电能输出速度的控制达到了恒速输出的目的。

图6 同步风力发电子系统输入轴与输出轴转速Fig.6 Speed of input shaft and output shaft of synchronous wind generator electronic system

本文系统中同步风力发电子系统风力机不同转速条件下，输入电功率、输出有功功率和风力机输出机械功率的变化情况如图7所示。对其进行分析能够得到，在同步电机原有一个转子的基础上再添加一个定子，构成机电混合双输入的双转子电机，控制输出轴转速，风力机的机械能经由子系统内电机电能的变换达到了同步转速变速，同时利用电机达到了大功率风力机的风能控制传输目的。这主要是因为在黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统中，设计不同发电子系统，使各子系统承担不同模块的任务，进而为黄河兰州段湿地景观提供电能。

图7 同步风力发电子系统内部功率Fig.7 Internal power of synchronous wind generator system

3 结论

本文设计黄河兰州段湿地景观清洁电能自循环系统，划分黄河兰州段湿地景观，结合不同类型的发电子系统，构建清洁电能产生—存储—使用的应用模式，结合各类发电装置产生电能并存储电能，利用湿地自身生态自循环系统模式获得景观所需基础能源。经实验测试得知，在黄河兰州段区域内系统日发电量约105 608 kWh，能够有效满足黄河兰州段湿地景观用电量需求。但由于条件所限，本文系统的设计还存在一定局限性，因此在后续过程中将主要以提升本文系统使用性能为目的优化本文系统。