牛力发电技术的应用性研究
2014-06-09李鹏孟涛
李鹏 孟涛
摘 要：该文叙述了我国能源现状及生物质能的开发利用情况，提出了“牛力发电“的概念。通过实验测试及分析计算，论证了牛力发电的可行性，得到了牛力发电过程生物质能到电能的转化效率，设计出了牛力发电系统的运行控制方式和相关关键技术问题的解决方案。通过对牛力发电的经济社会效益进行分析，为我国有效解决偏远农牧地区用电问题提供智力参考。
关键词：牛力 发电 农牧区 生物质能 转化效率
中图分类号：S211 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）02（c）-0004-02
在传统能源日益短缺的今天，为了获得更多的电能，人们设计了各种各样的发电方法和发电装置。例如利用人力发电的鞋子和自行车，利用海水动能发电的人造鱼，收集汽车尾气或炉口热量发电，甚至有人提出利用人体血流来发电。人们在费尽心思寻找新的发电方式时似乎从来没有想到过一种更为简单，更加有效的发电方式—利用牛马等大型牲畜来驱动动发电机进行发电。本项目简称“牛力发电”，主要研究以牛为动力进行发电的可行性，生物能到电能的转化效率，整个牛力发电系统的运行控制方式及相关关键问题的解决方案。
1 牛力发电的意义
1.1 牛力发电的可行性
回顾中国古代史，我们可以发现牛马等大型牲畜几乎是支持整个社会运转的动力之源。它们可以肩负起整个华夏的农业耕作，可以承担整个社会的交通运输，可以驱动万乘战车进行无数场规模浩大的战争，清朝末期甚至出现过马拉火车的场景，当然它们没有理由不能胜任发电的任务。牛的食物来源极其广泛，从草木枝叶到几乎全部粮油作物秸秆都能直接被牛食用。牛力发电的实质是牛作为中间介质将草木秸秆等生物质能转化为电能的过程。
1.2 牛力发电的现实意义
我国是一个农业大国，其中农牧区面积占国土总面积的近70%，农牧业人口占我国总人口的近60%。然而我国电力资源分布却并不均衡，由于路途遥远，交通不便，且分布分散等原因，相当一部分农牧地区目前仍处于用电难的状态。我国农牧地区每年都产生大量的草木秸秆等生物质能，同时也有很多因为无处可用而被焚烧或废弃。随着国家对能源问题的重视，一部分生物质能也开始逐渐被用来发电，目前生物质能发电主要通过燃烧发电和沼气发电两种方式进行。
燃烧发电产生大量二氧化碳温室气体，二氧化硫等污染性气体，处理相当困难；且由于技术不成熟，工艺流程复杂，发电成本较高等问题其发展受到了限制。沼气发电技术不仅流程复杂不易掌控，建造维护成本高昂，而且生物质能到电能的转化率较低，这些因素阻碍了沼气发电产业的快速发展。牛力发技术电流程简单同时没有任何环境污染，作为一种生物质能的创新利用方式和有效解决偏远农牧区用电问题的途径其研究探索空间巨大。
2 牛力发电系统方案设计
2.1 牛力发电系统流程
牛力发电系统主要由牛，交流发电机，电力系统组成，其工作流程如图1所示。
2.2 牛力发电基本驱动形式研究
本项目设计每台发电机由4头牛通过十字形驱动杆同时进行驱动。由于牛行走的速度较慢，为了获得较高的发电机转速，驱动杆与发电机通过齿轮增速变速器传递动力，其基本机构形式如图2所示。
2.3 电力系统结构设计
牛力发电的电力系统主要由发电机励磁装置，厂用变压器，主变压器，配电装置等部分组成。励磁装置用于为发电机提供工作磁场，厂用变压器用于为发电厂其他用电设备提供合适的低压电流，主变压器用于将发电机发出的低压电转变成高压电然后输出，配电装置用于对电能流向进行合理分配。电力系统基本结构如图3所示。
3 发电频率的稳定性控制方案
3.1 基本稳频控制方法研究
为减小冲击力对发电机瞬时转速的影响，驱动杆的设计具有一定的减震功能。实现减震功能的设计方法有多种，本实验中驱动杆端部利用挠性连接器与变速器输入轴连接。为了防止牛蹄与地面的打滑影响牛行走速度的稳定性，发电机周围地面应能产生足够的摩擦力，如铺设沙土地面或橡胶地面，本实验中为沙土地面。通过多次模拟测试，运行过程中磨盘的旋转速度相当稳定，各牛之间瞬时速度的不协调可以相相互抵消。
3.2 专用速度控制牛套设计
在整个研究试验过程中，最关键的技术问题是依然是如何更好确保发电机50 Hz频率的稳定性，即让牛在模拟发电过程中每12 s行走一圈，平均角速度30度/s。通过研究耕牛的控制方式和不断的试验测试，总结出促使牛加速前行的方法最主要有物理击打或电击对其后半身的刺激，最有效的作用部位是牛尾根处稍上部位。迫使牛减速或停止的方法主要是对牛头施以向后的拉力，最有效的牵拉部位是牛鼻。根据这些研究结果，设计出了可促使牛加速或减速行走的专用速度控制牛套。
牛套主要由电击装置和牵引装置构成（见图4），前者用于对牛尾根上部施加电击刺激，促使其加速；后者用于对牛鼻施加向后的拉力，促使其减速。经测试发现，能够促使牛加速前进的最低电击电压约为10 V，最合适电压约为15 V。
此外，牛套装置的有效工作还需要一个指令发生设备，这就是安装在驱动杆上的速度检测控制器。该控制器可随时检测驱动杆单位时间内的平均转动角速度，当速度小于设定值时发出电击指令，电击装置启动促使牛加速；当速度大于设定值时发出后牵指令，后牵装置启动促使牛减速，以此来控制牛的行走速度进而达到控制发电频率的目的。专用速度控制牛套装置示意图如图4。
4 发电机可持续工作方案研究
考虑到牛的体能消耗，一头牛不可能一直不间断的工作，为此研究设计了定时轮换工作机制。根据测试及农户经验，在让每头牛充分发挥劳动能力又不至于超越其体能承受范围的原则下，设计每隔15 min换一头牛，即每头牛单次最大工作时间45 min。换下的牛去饮食和休息，这样能保证让所有参与工作的牛在最好的状态下进行工作。
维持一台发电机在12 h内连续运转共需要5头牛不断相互轮换，另12 h则由另外5头牛来驱动，这样每头牛在24 h内的实际累计工作时间为8 h。为了在更换某头牛的过程中不至于影响其他牛的工作情绪，给每头正在工作的牛都戴上眼罩以遮挡视线。同时为消除一头牛突然换下对发电机转速的影响，研究测试了两种改善方法。
其一是优化设计牛套与驱动杆的连接装置（见图4），可保证快速连接快速脱开。其二是将驱动杆由四杆改成五杆（模型图略），正常工作时有一杆空载，当需要换牛时先将要换上的牛装在这一空载杆上，然后再将要换下的牛取下，这样可保证任意时刻发电机至少在由四头牛驱动，从而避免了换牛时可能造成的发电机短暂减速。通过实验测试，上述方法同时使用时效果最佳，可基本保证发电机以稳定的转速可持续的工作。
5 生物质能到电能的转化效率研究
6 牛力发电的经济社会效益
6.1 牛力发电的经济效益
根据本项目所设计的轮换工作机制及相关计算，单台发电机的日发电量为480kWh，平均每头牛日累计工作八小时的发电量为48kWh，一年的发电量约为1.75万kWh。折合成人民币（按每度电0.5元）则约为8800元，相当于一头牛自身所具有的价值，这充分证明了牛力发电所具有的巨大经济潜力。据调查，目前我国全国范围内秸秆利用率[5]约为70%，剩余30%基本被废弃。如果将牛力发电厂建在广大农村地区，不仅可以充分利用当地大量剩余的的农作物秸秆来增加农民收入，而且还能供清洁廉价的电力能源。若将牛力发电厂建在我国西部畜牧区，便可很好利用牧区数量庞大的大型牲畜资源获得可观的电能。据统计，2012年我国西部畜牧业养牛量约1.9亿头[6]，假如利用其中1/3的牛每天累计工作8 h进行发电，则年发电量约为1.1万亿千瓦时，超过当年全国用电量（约4.96万亿kWh）的1/5，相当于13个三峡大坝的年发电量（约850亿kWh）。这不仅可以积极促进我国经济社会的发展，而且还有效支持了我国的西部大开发战略。
6.2 牛力发电的社会效益
牛力发电不仅技术流程简单，价格低廉，而且不受煤炭，河流等发电资源的限制，可有效帮助解决偏远地区的用电问题。随着牛力发电的大量使用和发展，即可以减少水电工程对河流等生态环境的破坏，又可取代一部分火力发电进而减少大气污染，维护我国生态系统平衡和经济社会的可持续发展，与建设美丽中国的指导思想相一致。
7 结语
研究证明，牛力发电无论在理论上还是实践中都是可行的，而且具有巨大的经济社会效益。牛力发电方式直到目前还没进入公众的视线，不是因为其自身的可行性问题或者其他技术问题，而是因为人们对我国的能源不足现状没有给予足够的重视，以至于没有足够的动力去进行大胆的创新和尝试。我国偏远农牧区的用电问题应该被积极面对和解决，只有这样小康社会才会是全体中国人民的小康，中国梦才是一个完整的梦。牛力发电为解决我国偏远地区的用电难问题又开辟了一条新路。
参考文献
[1] 闫廷满.生物质能秸秆发电的思考[J].东方电气评论，2007（1）：1-5.
[2] 雷奶华，陈筱铁.同步发电机效率检测研究[J].检验检疫学刊，2009（4）：16-18.
[3] 董一真，刘强.秸秆发电技术及效益分析[J].能源与环境，2013（3）：39-41.
[4] 崔文文，梁军锋.中国规模化秸秆沼气工程现状及存在问题[J].中国农学通报， 2013（11）：121-125.
[5] 张莉萍.我国农作物秸秆资源化综合利用的思考[J].中国农业信息， 2013（10）：15-21.
[6] 杨飞，杨世琦，诸云强.中国近30年畜禽养殖量及其耕地氮污染负荷分析[J]. 农业工程学报，2013（5）：1-11.
维持一台发电机在12 h内连续运转共需要5头牛不断相互轮换，另12 h则由另外5头牛来驱动，这样每头牛在24 h内的实际累计工作时间为8 h。为了在更换某头牛的过程中不至于影响其他牛的工作情绪，给每头正在工作的牛都戴上眼罩以遮挡视线。同时为消除一头牛突然换下对发电机转速的影响，研究测试了两种改善方法。
其一是优化设计牛套与驱动杆的连接装置（见图4），可保证快速连接快速脱开。其二是将驱动杆由四杆改成五杆（模型图略），正常工作时有一杆空载，当需要换牛时先将要换上的牛装在这一空载杆上，然后再将要换下的牛取下，这样可保证任意时刻发电机至少在由四头牛驱动，从而避免了换牛时可能造成的发电机短暂减速。通过实验测试，上述方法同时使用时效果最佳，可基本保证发电机以稳定的转速可持续的工作。
5 生物质能到电能的转化效率研究
6 牛力发电的经济社会效益
6.1 牛力发电的经济效益
根据本项目所设计的轮换工作机制及相关计算，单台发电机的日发电量为480kWh，平均每头牛日累计工作八小时的发电量为48kWh，一年的发电量约为1.75万kWh。折合成人民币（按每度电0.5元）则约为8800元，相当于一头牛自身所具有的价值，这充分证明了牛力发电所具有的巨大经济潜力。据调查，目前我国全国范围内秸秆利用率[5]约为70%，剩余30%基本被废弃。如果将牛力发电厂建在广大农村地区，不仅可以充分利用当地大量剩余的的农作物秸秆来增加农民收入，而且还能供清洁廉价的电力能源。若将牛力发电厂建在我国西部畜牧区，便可很好利用牧区数量庞大的大型牲畜资源获得可观的电能。据统计，2012年我国西部畜牧业养牛量约1.9亿头[6]，假如利用其中1/3的牛每天累计工作8 h进行发电，则年发电量约为1.1万亿千瓦时，超过当年全国用电量（约4.96万亿kWh）的1/5，相当于13个三峡大坝的年发电量（约850亿kWh）。这不仅可以积极促进我国经济社会的发展，而且还有效支持了我国的西部大开发战略。
6.2 牛力发电的社会效益
牛力发电不仅技术流程简单，价格低廉，而且不受煤炭，河流等发电资源的限制，可有效帮助解决偏远地区的用电问题。随着牛力发电的大量使用和发展，即可以减少水电工程对河流等生态环境的破坏，又可取代一部分火力发电进而减少大气污染，维护我国生态系统平衡和经济社会的可持续发展，与建设美丽中国的指导思想相一致。
7 结语
研究证明，牛力发电无论在理论上还是实践中都是可行的，而且具有巨大的经济社会效益。牛力发电方式直到目前还没进入公众的视线，不是因为其自身的可行性问题或者其他技术问题，而是因为人们对我国的能源不足现状没有给予足够的重视，以至于没有足够的动力去进行大胆的创新和尝试。我国偏远农牧区的用电问题应该被积极面对和解决，只有这样小康社会才会是全体中国人民的小康，中国梦才是一个完整的梦。牛力发电为解决我国偏远地区的用电难问题又开辟了一条新路。
参考文献
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维持一台发电机在12 h内连续运转共需要5头牛不断相互轮换，另12 h则由另外5头牛来驱动，这样每头牛在24 h内的实际累计工作时间为8 h。为了在更换某头牛的过程中不至于影响其他牛的工作情绪，给每头正在工作的牛都戴上眼罩以遮挡视线。同时为消除一头牛突然换下对发电机转速的影响，研究测试了两种改善方法。
其一是优化设计牛套与驱动杆的连接装置（见图4），可保证快速连接快速脱开。其二是将驱动杆由四杆改成五杆（模型图略），正常工作时有一杆空载，当需要换牛时先将要换上的牛装在这一空载杆上，然后再将要换下的牛取下，这样可保证任意时刻发电机至少在由四头牛驱动，从而避免了换牛时可能造成的发电机短暂减速。通过实验测试，上述方法同时使用时效果最佳，可基本保证发电机以稳定的转速可持续的工作。
5 生物质能到电能的转化效率研究
6 牛力发电的经济社会效益
6.1 牛力发电的经济效益
根据本项目所设计的轮换工作机制及相关计算，单台发电机的日发电量为480kWh，平均每头牛日累计工作八小时的发电量为48kWh，一年的发电量约为1.75万kWh。折合成人民币（按每度电0.5元）则约为8800元，相当于一头牛自身所具有的价值，这充分证明了牛力发电所具有的巨大经济潜力。据调查，目前我国全国范围内秸秆利用率[5]约为70%，剩余30%基本被废弃。如果将牛力发电厂建在广大农村地区，不仅可以充分利用当地大量剩余的的农作物秸秆来增加农民收入，而且还能供清洁廉价的电力能源。若将牛力发电厂建在我国西部畜牧区，便可很好利用牧区数量庞大的大型牲畜资源获得可观的电能。据统计，2012年我国西部畜牧业养牛量约1.9亿头[6]，假如利用其中1/3的牛每天累计工作8 h进行发电，则年发电量约为1.1万亿千瓦时，超过当年全国用电量（约4.96万亿kWh）的1/5，相当于13个三峡大坝的年发电量（约850亿kWh）。这不仅可以积极促进我国经济社会的发展，而且还有效支持了我国的西部大开发战略。
6.2 牛力发电的社会效益
牛力发电不仅技术流程简单，价格低廉，而且不受煤炭，河流等发电资源的限制，可有效帮助解决偏远地区的用电问题。随着牛力发电的大量使用和发展，即可以减少水电工程对河流等生态环境的破坏，又可取代一部分火力发电进而减少大气污染，维护我国生态系统平衡和经济社会的可持续发展，与建设美丽中国的指导思想相一致。
7 结语
研究证明，牛力发电无论在理论上还是实践中都是可行的，而且具有巨大的经济社会效益。牛力发电方式直到目前还没进入公众的视线，不是因为其自身的可行性问题或者其他技术问题，而是因为人们对我国的能源不足现状没有给予足够的重视，以至于没有足够的动力去进行大胆的创新和尝试。我国偏远农牧区的用电问题应该被积极面对和解决，只有这样小康社会才会是全体中国人民的小康，中国梦才是一个完整的梦。牛力发电为解决我国偏远地区的用电难问题又开辟了一条新路。
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