學(xué)校名稱

長(zhǎng)沙理工大學(xué)

學(xué)生姓名

學(xué)  號(hào)

專      業(yè)

性 別

入 學(xué) 年 份

李璠

201559060127

熱工過程及其自動(dòng)化

男

2015年

李文豪

201559060117

熱工過程及其自動(dòng)化

男

2015年

劉浩

201559060125

熱工過程及其自動(dòng)化

男

2015年

龍子鑫

201623060529

能源與動(dòng)力工程

男

2016年

畢張飛

201523060133

能源與動(dòng)力工程

男

2015年

指導(dǎo)教師

鄒淑云

職稱

講師

項(xiàng)目所屬

一級(jí)學(xué)科

動(dòng)力與電氣工程

項(xiàng)目科類(理科/文科)

理科

學(xué)生曾經(jīng)參與科研的情況

李璠、李文豪和劉浩曾進(jìn)行超低速水流水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的實(shí)踐研究，研究課題“無壩式水力發(fā)電系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)”于2015年獲校級(jí)科技立項(xiàng)，并于2016年通過校級(jí)答辯，成功結(jié)題。三位同學(xué)熟練掌握CAD、Inventor、Simulation CFD、Altium Designer等計(jì)算機(jī)軟件的使用，了解水輪機(jī)及其控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)方法和思路。項(xiàng)目組成員均參與過Arduino單片機(jī)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，并會(huì)使用C++編寫程序。

指導(dǎo)教師承擔(dān)科研課題情況

鄒淑云老師主要從事水力機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷、水輪機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行方面的研究。

[1] 現(xiàn)參與國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目1項(xiàng)（排名第4）、湖南省教育廳優(yōu)秀青年項(xiàng)目1項(xiàng)（排名第2）；

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

[3] 參與完成湖南省科技廳計(jì)劃項(xiàng)目1項(xiàng)、湖南省教育廳科研項(xiàng)目1項(xiàng)、教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目1項(xiàng)、企業(yè)委托科技項(xiàng)目3項(xiàng)（均排名第2）；作為主要研究人員參與完成長(zhǎng)沙市科技局重大專項(xiàng)1項(xiàng)、五凌電力公司科研項(xiàng)目1項(xiàng)；

[4]近年來在國(guó)際會(huì)議及國(guó)內(nèi)核心期刊發(fā)表科研論文6篇，獲實(shí)用新型專利2項(xiàng)。

項(xiàng)目研究和實(shí)驗(yàn)的目的、內(nèi)容和要解決的主要問題

目的：

該項(xiàng)目擬基于流體力學(xué)、工程力學(xué)和水輪機(jī)相關(guān)的基本理論，將多級(jí)水輪機(jī)矩陣與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相連接，分析設(shè)計(jì)出一種智能矩陣式發(fā)電系統(tǒng)，使其能適應(yīng)全國(guó)90%以上的流域，達(dá)到高效率、高可靠性、低成本發(fā)電的目的。這一研究的成功實(shí)施，對(duì)于我國(guó)大范圍的未能充分利用的低水位地區(qū)的水能資源開發(fā)具有十分重要的環(huán)保、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)意義。

內(nèi)容

1.機(jī)械部分：

1) 使用Inventor建模，快速設(shè)計(jì)出水輪機(jī)模型。

2) 將模型導(dǎo)入Simulation CFD進(jìn)行仿真模擬，找出模型的不足并通過Inventor進(jìn)行修改和優(yōu)化。

3) 采用3D打印技術(shù)，制作出實(shí)物模型，并進(jìn)行水力實(shí)驗(yàn)，對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并作出最后細(xì)節(jié)上的優(yōu)化。

2.控制部分：

4) 基于Altium Designer對(duì)數(shù)據(jù)采集部分以及控制電路部分進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并制作出PCB原型。

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

6) 將Arduino、樹莓派、PCB和虛擬主機(jī)對(duì)接并調(diào)試，完成電路部分的設(shè)計(jì)。

要解決的主要問題：

1. 水流速度較低，需要重新設(shè)計(jì)適合低流速(≤2m/s)水流的水輪機(jī)。

2. 河水的流速會(huì)受到天氣以及季節(jié)的影響，因此水輪機(jī)的運(yùn)行會(huì)不穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)精密的控制系統(tǒng)以及緩沖系統(tǒng)。

3. 由于選擇了發(fā)電機(jī)陣列解決方案，發(fā)電單元數(shù)量眾多，需要設(shè)計(jì)一套自檢和控制系統(tǒng)，使發(fā)電機(jī)陣列能在協(xié)調(diào)工作的同時(shí)，便于系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和維護(hù)。

解決方案：

1. 結(jié)合升力型及阻力型水輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出全新的升阻結(jié)合型三元流可調(diào)水輪機(jī)。

2. 使用多級(jí)冗余緩沖系統(tǒng)，解決因水輪機(jī)運(yùn)行不穩(wěn)定所造成的對(duì)電網(wǎng)的沖擊和電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的沖擊 ，同時(shí)解決控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)延遲。

3. 將Arduino、樹莓派、虛擬主機(jī)相結(jié)合，集Arduino易于編寫代碼、樹莓派強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)以及擴(kuò)展性能和虛擬主機(jī)強(qiáng)大的運(yùn)算性能的優(yōu)點(diǎn)于一身，解決陣列式發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制的難題。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展動(dòng)態(tài)

21世紀(jì)以來，面對(duì)常規(guī)能源的日益枯竭，環(huán)境惡化，可再生能源得到了世界各國(guó)的密切關(guān)注，水力資源作為清潔、可循環(huán)、成本低、效益高的可再生能源的主力軍，一直被各國(guó)大力的發(fā)展。傳統(tǒng)的大中型水電站技術(shù)已經(jīng)非常成熟，效益高、無污染、可調(diào)性強(qiáng)。但同時(shí)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(huì)破壞生態(tài)，需要移民，投資也十分巨大，科學(xué)家們開始尋找一種效率高、又不需要建壩的方法來開發(fā)水資源，漸漸地把目光轉(zhuǎn)移到小水電的開發(fā)上，小水電的發(fā)展將受到國(guó)家重點(diǎn)支持。傳統(tǒng)的水輪機(jī)雖然可以保證效率，但結(jié)構(gòu)形式不得不依賴于水壩，想要舍棄水壩的勢(shì)能，必須尋找新式的水輪機(jī)。小型水電沒有壩的蓄水功能意味著水輪機(jī)將在很低的水位運(yùn)行，目前對(duì)于無壩式水力發(fā)電還處于研究狀態(tài)^[1]，尚未大規(guī)模實(shí)際應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)的技術(shù)有浮管式發(fā)電技術(shù)^[2]、漂浮式無落差流水發(fā)電機(jī)技術(shù)^[3]、河床無壩式水力發(fā)電技術(shù)^[4]、利用潮汐能的雙向發(fā)電裝置^[5]，然而浮管式水力發(fā)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(fā)電機(jī)采用純阻力型水輪機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)很高的效率，同時(shí)也只能利用上層的水流；河床無壩式水力發(fā)電技術(shù)運(yùn)行的運(yùn)行受到水位的影響，無法長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行；潮汐發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，同樣難以長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。在韓國(guó)，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(fā)電的想法，經(jīng)過處理的廢水經(jīng)壓力管道流入微型水電系統(tǒng)，所應(yīng)用的MHP（微型水電系統(tǒng)）被設(shè)計(jì)為半卡普蘭式，僅配備無導(dǎo)葉的可調(diào)水輪機(jī)葉片，因此其機(jī)械機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是水輪機(jī)效率較低，超過水輪機(jī)運(yùn)行范圍的廢水量仍是巨大的，且造價(jià)較高，暫未被采用^[6]。在英國(guó)，通過對(duì)污水處理廠出口處采用水輪機(jī)進(jìn)行回收，研究發(fā)現(xiàn)卡普蘭水輪機(jī)有最大的潛在功率輸出，但是泵式水輪機(jī)每千瓦成本最低^[7]。沖擊式水輪機(jī)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但工況較為復(fù)雜^[8]。燈泡式水輪機(jī)，全貫流式水輪機(jī)和卡普蘭式水輪機(jī)^[9-11]同屬于反擊型水輪機(jī)，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(fā)利用上，還有很大的發(fā)展空間。

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本項(xiàng)目學(xué)生有關(guān)的研究積累和已取得的成績(jī)

本項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)成員在專業(yè)知識(shí)、科學(xué)研究方法、技能與經(jīng)驗(yàn)上均有一定的儲(chǔ)備和積累，并取得過一定的成績(jī)。

（1）已經(jīng)掌握了CAD、Inventor、Altium Designer和Simulation CFD等計(jì)算機(jī)軟件的使用。

（2）擁有金工實(shí)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)，能夠使用機(jī)床加工出各種零件，同時(shí)能使用3D打印機(jī)打印各種零件。

（3）具備程序開發(fā)能力，能夠編寫出各種控制程序。

（4）具有一定的電路設(shè)計(jì)能力，能夠使用Altium Designer設(shè)計(jì)出合適的電路，實(shí)現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電。

項(xiàng)目的創(chuàng)新點(diǎn)和特色

    1.采用多級(jí)發(fā)電機(jī)矩陣的設(shè)計(jì)思路，以數(shù)量取代容量，克服在超低流速水域水輪機(jī)難以啟動(dòng)的問題，同時(shí)提高了系統(tǒng)整體的可靠性。

2.將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)引入矩陣式發(fā)電機(jī)的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)運(yùn)行信息可以實(shí)時(shí)反饋，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。

3.引用類似互聯(lián)安全技術(shù)的多級(jí)冗余緩沖系統(tǒng)，解決現(xiàn)有的信息傳輸和處理過程中的延遲問題，使系統(tǒng)的運(yùn)行更具彈性。提高系統(tǒng)整體的抗沖擊性和對(duì)電網(wǎng)的友好性。

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

5.使用虛擬主機(jī)作為數(shù)據(jù)中心以及控制中心，使控制系統(tǒng)運(yùn)行成本低。

項(xiàng)目的技術(shù)路線及預(yù)期成果

項(xiàng)目技術(shù)路線:

1.機(jī)械部分

機(jī)械部分的設(shè)計(jì)思路如圖1所示：