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學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業

性 別

入 學 年 份

李璠

201559060127

熱工過程及其自動化

男

2015年

李文豪

201559060117

熱工過程及其自動化

男

2015年

劉浩

201559060125

熱工過程及其自動化

男

2015年

龍子鑫

201623060529

能源與動力工程

男

2016年

畢張飛

201523060133

能源與動力工程

男

2015年

指導教師

鄒淑云

職稱

講師

項目所屬

一級學科

動力與電氣工程

項目科類(理科/文科)

理科

學生曾經參與科研的情況

李璠、李文豪和劉浩曾進行超低速水流水輪機優化設計方面的實踐研究，研究課題“無壩式水力發電系統的研究與設計”于2015年獲校級科技立項，并于2016年通過校級答辯，成功結題。三位同學熟練掌握CAD、Inventor、Simulation CFD、Altium Designer等計算機軟件的使用，了解水輪機及其控制系統的基本設計方法和思路。項目組成員均參與過Arduino單片機的系統學習，并會使用C++編寫程序。

指導教師承擔科研課題情況

鄒淑云老師主要從事水力機組狀態監測與診斷、水輪機優化設計及運行方面的研究。

[1] 現參與國家自然科學基金青年項目1項（排名第4）、湖南省教育廳優秀青年項目1項（排名第2）；

[2] 主持完成湖南省教育廳科研項目1項（“大中型水泵空化的聲發射信號特性與辨識方法研究”，編號 11C0027）；

[3] 參與完成湖南省科技廳計劃項目1項、湖南省教育廳科研項目1項、教育部重點實驗室開放基金項目1項、企業委托科技項目3項（均排名第2）；作為主要研究人員參與完成長沙市科技局重大專項1項、五凌電力公司科研項目1項；

[4]近年來在國際會議及國內核心期刊發表科研論文6篇，獲實用新型專利2項。

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

目的：

該項目擬基于流體力學、工程力學和水輪機相關的基本理論，將多級水輪機矩陣與物聯網技術相連接，分析設計出一種智能矩陣式發電系統，使其能適應全國90%以上的流域，達到高效率、高可靠性、低成本發電的目的。這一研究的成功實施，對于我國大范圍的未能充分利用的低水位地區的水能資源開發具有十分重要的環保、經濟與社會意義。

內容

1.機械部分：

1) 使用Inventor建模，快速設計出水輪機模型。

2) 將模型導入Simulation CFD進行仿真模擬，找出模型的不足并通過Inventor進行修改和優化。

3) 采用3D打印技術，制作出實物模型，并進行水力實驗，對模擬數據進行驗證，并作出最后細節上的優化。

2.控制部分：

4) 基于Altium Designer對數據采集部分以及控制電路部分進行仿真設計，并制作出PCB原型。

5) 使用Arduino編譯器和C++編譯器編寫并調試適用于Arduino和樹莓派的代碼。

6) 將Arduino、樹莓派、PCB和虛擬主機對接并調試，完成電路部分的設計。

要解決的主要問題：

1. 水流速度較低，需要重新設計適合低流速(≤2m/s)水流的水輪機。

2. 河水的流速會受到天氣以及季節的影響，因此水輪機的運行會不穩定，需要設計精密的控制系統以及緩沖系統。

3. 由于選擇了發電機陣列解決方案，發電單元數量眾多，需要設計一套自檢和控制系統，使發電機陣列能在協調工作的同時，便于系統的監測和維護。

解決方案：

1. 結合升力型及阻力型水輪機的優點，設計出全新的升阻結合型三元流可調水輪機。

2. 使用多級冗余緩沖系統，解決因水輪機運行不穩定所造成的對電網的沖擊和電網波動對發電系統的沖擊 ，同時解決控制系統的網絡延遲。

3. 將Arduino、樹莓派、虛擬主機相結合，集Arduino易于編寫代碼、樹莓派強大的網絡以及擴展性能和虛擬主機強大的運算性能的優點于一身，解決陣列式發電系統的協調配合和遠程監測控制的難題。

國內外研究現狀和發展動態

21世紀以來，面對常規能源的日益枯竭，環境惡化，可再生能源得到了世界各國的密切關注，水力資源作為清潔、可循環、成本低、效益高的可再生能源的主力軍，一直被各國大力的發展。傳統的大中型水電站技術已經非常成熟，效益高、無污染、可調性強。但同時大中型水電站的建壩問題一直得不到很好的解決，修建水壩會破壞生態，需要移民，投資也十分巨大，科學家們開始尋找一種效率高、又不需要建壩的方法來開發水資源，漸漸地把目光轉移到小水電的開發上，小水電的發展將受到國家重點支持。傳統的水輪機雖然可以保證效率，但結構形式不得不依賴于水壩，想要舍棄水壩的勢能，必須尋找新式的水輪機。小型水電沒有壩的蓄水功能意味著水輪機將在很低的水位運行，目前對于無壩式水力發電還處于研究狀態^[1]，尚未大規模實際應用。目前國內的技術有浮管式發電技術^[2]、漂浮式無落差流水發電機技術^[3]、河床無壩式水力發電技術^[4]、利用潮汐能的雙向發電裝置^[5]，然而浮管式水力發電由于只能懸浮在水流上層，大部分水流都從旁邊和下部流過，能量損失較大，且水資源利用率不高；而漂浮式水力發電機采用純阻力型水輪機，無法實現很高的效率，同時也只能利用上層的水流；河床無壩式水力發電技術運行的運行受到水位的影響，無法長期穩定的運行；潮汐發電機結構復雜，且轉速不穩定，同樣難以長期穩定的運行。在韓國，為了解決能源消耗以及溫室氣體問題，提出了一種在污水處理廠廢水中嵌入水力發電的想法，經過處理的廢水經壓力管道流入微型水電系統，所應用的MHP（微型水電系統）被設計為半卡普蘭式，僅配備無導葉的可調水輪機葉片，因此其機械機構簡單，但是水輪機效率較低，超過水輪機運行范圍的廢水量仍是巨大的，且造價較高，暫未被采用^[6]。在英國，通過對污水處理廠出口處采用水輪機進行回收，研究發現卡普蘭水輪機有最大的潛在功率輸出，但是泵式水輪機每千瓦成本最低^[7]。沖擊式水輪機設計簡單，價格便宜，但工況較為復雜^[8]。燈泡式水輪機，全貫流式水輪機和卡普蘭式水輪機^[9-11]同屬于反擊型水輪機，雖然適用于低水頭，但也要求水域有高流量。在水資源的開發利用上，還有很大的發展空間。

參考文獻： 

[1] 李海英，王東勝，廖文根. 微水電發展綜述[J].中國水能及電氣化，2010（6）：13.

[2] 重慶同利實業有限公司.標準型浮管式水力發電機[P].中國專利: CN 103397975 A, 2013-11-20.

[3] 解志華. 漂浮式無落差流水發電機[P].中國專利: CN 101135289 A, 2008-3-5.

[4] 哈爾濱北方通用機電設備工程有限公司. No-dam hydroelectric generation system for riverbed[P]. 中國專利: CN 203584669 U, 2014-5-7.

[5]  吳漢民. 一種利用潮汐能的雙向發電裝置[P].中國專利: 中國專利: CN 101892940 A, 2010-11-24.

[6] Kyu-Jung Chae,In-Soo Kim, Xianghao Ren. Reliable energy recovery in an existing municipal wastewater treatment plant with a flow-variable micro-hydropower system[J]. Energy Conversion and Management, 2015, (101)：681-687.

[7] Christine Power, Aonghus McNabola, Paul Coughlan. Development of an evaluation method for hydropower energy recovery in wastewater treatment plants: Case studies in Ireland and the UK [J]. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 2014 , (7): 166–177.

[8] Stout BA. Handbook of energy for world agriculture[M]. Amsterdam: Pergamon，1990：384–430.

[9] Ghosh Tushar K, Prelas Mark A. Energy resources and systems[J]. Renewable resources, 2011,(3)：142-155.

[10] Brookshier Peggy. Encyclopedia of energy[J], Hydropower technology. 2004, (4)：333–341.

[11] Xu J, Ni T, Zheng B. Hydropower development trends from a technological

paradigm perspective[J]. Energy Convers Manage, 2015,(90):195–206.

本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

本項目團隊成員在專業知識、科學研究方法、技能與經驗上均有一定的儲備和積累，并取得過一定的成績。

（1）已經掌握了CAD、Inventor、Altium Designer和Simulation CFD等計算機軟件的使用。

（2）擁有金工實習的經驗，能夠使用機床加工出各種零件，同時能使用3D打印機打印各種零件。

（3）具備程序開發能力，能夠編寫出各種控制程序。

（4）具有一定的電路設計能力，能夠使用Altium Designer設計出合適的電路，實現發電系統的并網發電。

項目的創新點和特色

    1.采用多級發電機矩陣的設計思路，以數量取代容量，克服在超低流速水域水輪機難以啟動的問題，同時提高了系統整體的可靠性。

2.將物聯網技術引入矩陣式發電機的控制系統，使系統運行信息可以實時反饋，進一步提高系統可靠性。

3.引用類似互聯安全技術的多級冗余緩沖系統，解決現有的信息傳輸和處理過程中的延遲問題，使系統的運行更具彈性。提高系統整體的抗沖擊性和對電網的友好性。

4.引入了開源的硬件 (Arduino和樹莓派) 作為開發硬件，省去了硬件自開發所帶來的高成本高風險問題，同時使用開源硬件也能獲得廣泛的技術支持。

5.使用虛擬主機作為數據中心以及控制中心，使控制系統運行成本低。

項目的技術路線及預期成果

項目技術路線:

1.機械部分

機械部分的設計思路如圖1所示：