江河无坝水流能发电技术研究

林 星 周宏伟

(四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

水电站技术

江河无坝水流能发电技术研究

林 星 周宏伟

(四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)

环境保护已经成为制约传统水力发电的重要因素，开展江河无坝水流能发电技术研究将有效解决这一问题。本文通过水流能量利用分析，对比风力发电，表明水流能发电获取能量的潜力更大；选取黄河大柳树河段某断面进行了水流能发电技术的概化模拟，河段内多断面布置发电装置将使大规模发电成为可能；对比传统水力发电，江河水流能发电技术具有显著的环保优势；鉴于国内外研究现状，对江河水流能技术研究的发展趋势和前沿技术提出了见解。

无坝技术；水流能；发电；江河

传统的水力发电是通过拦河筑坝抬高水位，利用水位落差，配合水轮发电机产生电能。这种传统的筑坝式水力发电在发挥综合效益的同时，将不可避免地造成一些生态环境问题，如土地淹没、库岸失稳、上淤下冲、水质恶化、生态流量不足等。这些都对水电开发项目的环境影响评价提出了更高的要求，生态环境问题已然成为制约水电开发的重要因素。

水流能发电是一种利用水流动能发电的无坝水力发电技术，这种发电方式不需要拦蓄筑坝，很好地解决了传统筑坝式水力发电中出现的生态环境问题。水流能发电在海流能发电领域已经得到了较好的发展[1,2]，其发电装置通过多年研究与改进，已经拥有了较高的工作效率。江河水流能与海流能发电的原理相同、装置相似。国外对江河水流能发电的研究较早，但目前仍处于试验阶段[3]。在国内，除了王云、范军提出了简易的江河水流能发电装置构想之外，这方面的研究几乎为空白[4,5]。为此，本文将从水流能发电的工作原理、能量利用、发电方式等方面系统地分析此种新型水力发电方式的发电潜力及其优势，预测此项技术研究的发展趋势，以期为国内江河水流能发电研究提供参考，促进水电及新能源发展，改善未来能源结构。

1 水流能发电的工作原理及其能量利用分析

水流能的利用可以追溯至古代农业及手工业生产，水车、水磨等机械依靠流动的河水做动力，实现了水流动能的转换，替代了部分人畜力工作。水流能发电的原理与风力发电相似，其工作原理为：水轮机叶片在水流的作用下产生升力和转矩推动叶轮绕主轴旋转，将水流动能转化为旋转机械能，然后通过轮毂、主轴和传动系统驱动发电机发电，将机械能转化为电能，电能通过变频器等电气系统实现稳频稳压后并入电网[1]。典型的水流能转换系统如图1所示。

图1 水流能转换系统示意图

水流能水轮机的能量利用公式类似风力发电机，具体如下：

(1)

式中P——机组的功率；

ρ——流体的密度，水的密度为1000kg/m3，空气的密度为1.223kg/m3；

A——叶轮扫掠面积；

v——流体的速度；

Cp——能量利用系数，贝兹理论表明：理想情况下风能转换成动能的极限比值为16/27，即59.3 %，称为贝兹极限，这个理论同样适用于同为流体发电的水流能水轮机[6]。

水流能水轮机的额定流速一般设定在2m/s左右，仅为常规风力机额定风速的1/6，但是水的密度是空气的818倍左右。假定Cp值相同，相同功率下水轮机桨叶直径只需为风力机的0.51倍。假定Cp同为0.35，风力机和水流能水轮机的功率密度曲线如图2所示。由此表明，与风力发电相比，水流能发电获取能量的潜力更大。

图2 水流能水轮机与风力机的功率密度(Cp=0.35)

2 江河水流能发电概化模拟

黄河大柳树河段水多沙少，水资源开发条件优越。本文选此河段某典型断面作为模拟水流能发电系统的地址，断面流场等值线如图3所示，该断面平均水深4.65m，平均流速1.76m/s[7]。水轮机拟采用Gorlov Helical Turbine(Gorlov螺旋水轮机)，该水轮机具有能量利用效率高(可达35%[8])、自启动、安装灵活等优点。由于两岸及河床附近水流流速相对较低，且水面漂浮物及河床泥沙可能对发电装置产生影响，同时为了保障一定的航运需求，决定在断面约2m×76m区域(图3矩形框区域)内布置水轮机。水轮机在该区域内横向成串布置，由钢架和底座固定于河床底部基岩上(见图4)。

图3 黄河大柳树河段某典型断面流场等值线[7]

图4 Gorlov螺旋水轮机布置示意

对此断面内布置的水轮机的总功率进行估算。矩形区域面积为A=152m2，矩形区域内的平均流速取为v=2m/s，水轮机的效率取为Cp=35%，考虑到水轮机的间距，在此对功率乘以一个系数C′=0.90。利用式(1)计算的功率为

此计算结果为该河道其中一个断面内的水轮机功率，在一个河段内可以布置多组水轮机并通过电网连接，便可形成MW级的电站群进行大规模发电。水轮机的功率与水流流速的3次方成正比，流速的提升带来的效益巨大，因此在实际应用中，在水流流速更大的河段布置水流能发电装置能够得到更加可观的能量收益。

3 江河水流能发电的优势

传统水力发电面临水库淹没及移民、生态环境保护两大制约因素。传统筑坝式水力发电尽管仍属于绿色能源，但其建造过程中和建成后对生态环境的影响是不可忽视的。与传统水电相比，江河水流能发电最大的不同就是不需要拦蓄筑坝，而是利用天然河道中的水流动能发电，其发电装置可固定于河床底部，系泊于水中或漂浮于水面。江河水流能发电避免了由于水库蓄水带来的土地淹没、地下水升高和库区地质环境影响等问题。它不会改变天然河道的河流特性，河流在空间上保持连续，不会因拦截泥沙而加剧河流淤积和冲刷，并且保证了下游的生态流量，水生生物能在相似的河流生态环境中得以生存。另一方面，传统的水电站开发要修筑水库及其它水工建筑物，将占用大面积土地，需要大量采石取土，其施工过程消耗了大量的自然资源并对周围自然环境和社会环境产生一定的影响。水流能发电除设备本身制造消耗的能源外，所需的土建工程规模也极小，建设过程中对周边的影响是极其有限的。由此可以看出，江河水流能发电作为水力发电的新形式有着明显的环保优势。

此外，江河水流能发电还具有显著的优势，如：能以一种经济有效的方式渗透到传统能源难以覆盖的地区，解决部分地区的能源问题；与潮汐能和风能相比，具有较强的可预测性和持续性；易于实现模块化设计，通过适当的融资机制，有利于技术推广；建设周期短，投资少，投资回收期较短；其发电装置可以隐没于水下，不会改变自然景观。

4 江河水流能发电技术的发展趋势

4.1 高效率叶轮及其叶片设计

水流能水轮机以水平轴式和垂直轴式水轮机为代表。水平轴式水轮机借鉴于风力发电装置，技术相对成熟，能量转化效率较高，但结构复杂。垂直轴式水轮机结构简单，对水流流向变化适应性高，但效率较低。

水轮机叶片的流体动力学性能及其结构设计是影响整个水轮机获能和载荷的最重要因素。高效的叶片翼型，合理的安装角，科学的尖速比、密实度和扭角等，都是衡量叶片设计成功与否的关键因素。

4.2 导流装置设计

水流流速普遍处于较低水平，这就直接导致水流能水轮机发电功率较小。而导流罩能使能量集中起来，提高发电系统获能效率。美国UEK公司研制的水轮机即加装了导流罩。因此，开发加装导流聚能装置的水流能水轮机系统，是未来一段时间内的技术发展趋势。

4.3 水轮机尾流场特性研究

为了提高经济效益和电力用户的保障度，目前水流能发电技术必将向着规模开发利用的方向发展。相关研究方向有：阻塞率对机组的影响，不同阵列布置对水轮机组获能大小的影响等。这些研究都涉及到水轮机尾流场特性的研究，深度、流速等环境因素都将对水轮机尾流场特性产生影响。

4.4 江河水流能资源评估

水流能资源的勘探研究估算直接关系到资源的可开发性和经济性。水流能资源的评估应从宏观和微观两方面进行，微观方面主要为河流特性的收集及分析上。河流特性包括河流水深、流速、断面形状、交汇情况、航运、水生生物等在时间及空间维度上的信息。河流特性数据库的建立为水流能发电装置的设计和大规模发电场的建立做准备。

4.5 发电可靠性研究

天然河道存在洪水、泥沙、水生生物等，这些因素可能导致水流能发电装置叶片受损、结构失稳等问题，对水轮机的稳定运行造成影响。河流状况的复杂性势必要求对发电装置载体的选择、基础的设计、保护结构的设计和施工进行系统的研究。在这个过程中要综合考虑效率、可靠性、维护及造价等问题。

4.6 成套发电系统研制

水流能发电系统包括许多组件，如转子、导流装置、固定装置、动力传动装置、发电机、控制仪器和保护装置等。系统设计其实就是系统优化的过程，即根据各组件的特性，选择最佳的配置，使系统各组件有机结合，得到更高的能量获取效率。这个优化过程包括成本控制过程，故系统设计是建立在对各组件性能和成本深入了解的基础上的。综合这些部分，去研制一个完整的性能优越、结构可靠、经济实用的系统。

5 结 语

本文介绍了水流能发电的工作原理，并通过能量利用分析，对比风力发电，说明了其优秀的获能潜力。通过与传统筑坝式水力发电对比，阐述了水流能发电的环保优势，并总结出还具有可预测性、可持续性、经济性、易于模块化、投资回收期短、对自然景观影响小、能有效解决无电区问题等显著优势。

选取黄河大柳树河段某断面进行了水流能发电技术的概化模拟，提出了实际应用中进行大规模发电的可行方式。高效率叶轮及其叶片设计、导流装置设计、水轮机尾流场特性研究、江河水流能资源评估、发电可靠性研究和成套发电系统研制将是未来江河水流能技术研究的发展趋势。

[1] 张亮,李新仲,耿敬,等.潮流能研究现状2013[J].新能源进展,2013(1):53-68.

[2] 白杨,杜敏,周庆伟,等.潮流能发电装置现状分析[J].海洋开发与管理,2016(3):57-63.

[3]GüneyMS,KaygusuzK.Hydrokineticenergyconversionsystems:Atechnologystatusreview[J].Renewable&SustainableEnergyReviews,2010 14(9):2996-3004.

[4] 王云,杜建一,祁志国,等.漂浮式无坝水电站的研究与分析[J].工程热物理学报,2004(4):603-605.

[5] 范军,胡玉秋,刘惠,等.一种利用江河水动能发电的趸船水轮机[J].中国农村水利水电,2009(06):171-173.

[6]BETZA,Theoreticallimitforbestutilizationofwindbywind-motors[J].MagazinefortheEntireTurbineSystem,1920,20:307-309.

[7] 吕岁菊,冯民权,李春光.黄河大柳树河段水流运动与河床冲淤特性精细实测数据初析[J].水力发电学报,2015(1):117-124，130.

[8]GorbanAN,AsmeAM,GorlovAM,etal.LimitsoftheTurbineEfficiencyforFreeFluidFlow[J].JournalofEnergyResourcesTechnology,2001,123(4):311-317.

Research on Water Flow Energy Power Generation Technology of Rivers without Dams

LIN Xing, ZHOU Hongwei

(SichuanUniversityWaterConservancyandHydropowerInstitute,Chengdu610065,China)

Environmental protection has become an important factor to restrict traditional hydropower generation. Water flow energy power generation technology of rivers without dams is studied for solving the problem effectively. In the paper, water flow energy utilization is analyzed, which is compared with wind power generation. It is obvious that water flow energy power generation has higher potential to obtain energy. One cross section in Yellow River Daliushu River Reach is selected for generalized simulation of water flow energy power generation technology. Large-scale power generation is possible by multi-section layout power generation devices in the river reach. River water flow energy power generation technology has prominent environmental protection advantage compared with traditional hydropower generation. Understanding is proposed for the development trend and frontier technology of studying river water flow energy according to domestic and foreign research status.

no-dam; water flow energy; power generation; river

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.06.008

TV72

A

1673-8241(2017)06- 0032- 04