楼宇梯级水力发电系统的设计与实现

发布时间：2020-09-11 07:49

　　在能源紧缺和环境污染日益严重的背景下,大规模开发利用一系列清洁可再生能源迫在眉睫。水能是可再生能源发电的重要组成部分,大力开发利用建筑水能发电并进行资源化的利用积极响应了国家海绵城市的建设,符合可持续发展战略。首先,介绍了本文的研究背景与对各种分布式可再生能源利用的意义,对建筑水力发电的基本类型和概念进行了阐述,并对世界各国对建筑水能资源化利用的研究现状进行了分析。其次,以厦门市为例,收集统计近年来的厦门市年均降雨量和城镇居民生活用水量,分析了可利用建筑水能的总量,并与水力发电机的效率结合考虑,探讨了楼宇水力发电系统的年发电量,对建筑水能资源化利用所产生的经济效益和生态环境效益进行评估,并分析了水力发电机的出力计算以及过机流量的测量方法。然后,本文提出建筑单级水力发电系统的不足,从充分利用建筑水能的角度出发,首次提出楼宇梯级水力发电的概念,系统由多台水轮机发电系统连接至同一引水管道上,合理的利用水力发电机的工作水头,实现对水能的多次利用,弥补了单级水力发电系统因输出电压过高而需进行卸载的问题,使水能的利用率得到提高,水轮机发出的电能可直接供家用负荷使用,也可经变压器和AC/DC模块储存于蓄电池中。并利用Matlab对水轮机调速系统进行建模与仿真,模拟水轮机开机以及甩负荷的频率变化过程,仿真结果表明模糊PID控制可以很好的起到调速的作用,且响应速度快,不会发生超调。最后,利用LabVIEW软件平台搭建楼宇梯级水力发电电能管理系统的上位机,具体功能包括水力发电机基本测量参数的传输和显示、功率的监测、电压波动与闪变的计算、电度的监测并进行停电时间的记录,减少了大量使用硬件电路计算与测量的误差,完成楼宇梯级水力发电电能管理系统的设计。并搭建硬件实验平台,通过现场试验对楼宇梯级水力发电系统的可行性和优势进行了验证。
【学位单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TM612;TM312
【部分图文】：

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本章以厦门市为例讨论楼宇水能资源化利用，根据近两年的降水情况以及城镇居民生活用水情况分析可利用水能资源量，对建筑水能资源化利用所产生的经济效益和生态环境效益进行评估。并分析水轮机的出力情况，进而计算出楼宇水力发电系统的发电量，讨论楼宇水能资源化利用的可行性。2.1 建筑水能资源化利用2.1.1 厦门市降雨量的分析厦门市位于我国东南沿海，在北回归线偏北 1°，属于热带季风气候。根据自动气象资料统计显示，2015 年厦门市各地降水量在 975.2（会展中心）~2805.1（云顶山）毫米之间，2016 年厦门市各地降水量在 1637.4（会展中心）~3488.8（云顶山）毫米之间，降水空间分布大体呈由东南向西北递增趋势，基本符合常年分布规律。《厦门市气候公报》将厦门市降水情况分为五季，即冬季（12 月~2 月）春雨季（3 月~4 月）、雨季（5 月~6 月）、夏季（7 月~9 月）和秋季（9~11 月）。每个季度的降水量如图 2.1 所示。

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图 2.2 超声波测流原理图超声波传感器 A 和 B 分别贴在管道的两侧，管道内径为 d，管道厚度为 r，传感器 A 与传感器 B 之间的传输距离为 d/ 。超声波在管壁及内部传输具有延迟，延迟时间为 δ 远小于超声波的传输时间。设超声波在水中传播速度为c，管道中水流速为 v，流量为 Q。超声波向前传播由传感器 A 传输到传感器 B 的时间： = ( d/ )/( + ) +δ (2.7)超声波向前传播由传感器 B 传输到传感器 A 的时间t ： = ( d/ )/( ) +δ (2.8)公式2.7和公式2.8可以计算超声波在正向流动中和反向流动中的传输时间差 t：t= =(2dv )/( - ) (2.9)因为远大于，于是可得：v=( )/(2d ) (2.10) =42 (2.11)

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第 3 章楼宇梯级水力发电系统的设计水能是清洁可再生能源的重要组成部分，为了对建筑水能进行资源化的利用，本章建立楼宇水力发电系统的实验模型，对各个单元的作用进行分析和介绍，对水轮机的输出电压提出问题，并设计分级水力发电系统拟解决输出电压过高问题，表明系统提高了水能的利用率，使发电量得到了提高。并在 Matlab上利用模糊 PID 控制对水轮机的开机以及甩负荷的过程进行仿真。3.1 楼宇水力发电系统的设计楼宇水力发电系统的基本构成如图 3.1 所示，首先通过屋面将雨水汇集至上蓄水池蓄能，中水经过滤后引入管道，将水引入水轮机，水流推动叶片旋转，水轮机发电[65]。

【参考文献】