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k*o
1 楼
不久前申请了一项发明专利，涉及低水头小水电的清洁能源技术。最近写了一篇英文论
文，暂时上传到预印本服务器。现拿出来用中文侃侃，供大家研究参考，欢迎评头品足
提意见。
其实原理很简单，仔细研判插图就能搞明白咋回事。
我的前一篇帖子谈船舶百叶窗桨，与此并无多大差别，只是这里用来做水力发电。这跟
电机倒过来用就是发电机，其实逻辑上是一个套路。
传统旋转式透平（turbine）已经得到广泛应用，为何我要别出心裁搞复杂的平板式驱
动透平？显然，前者的扇叶与水流夹角为锐角，且扇叶之间空隙很大，而我的则垂直，
且全部截面受力，因而平板式效率能发挥到极限，且矩形截面更适合于河道。恕我冒昧
估计，效率那是扇叶式旋转透平望尘莫及的！
尽管不用百叶窗，直接用整板，理论上也可以，但是体积太庞大，且在河道里翻转90度
很麻烦。
用百叶窗叶还有一个好处：透平截面不一定非要严格矩形，理论上可以任意形状。
整个系统类似于在河道上架设自动开关水闸，任意时刻，在截面上的每一处都存在水流
推力。
该发明类似于桥式可控硅电子逆变装置，只不过电流换成了水流，将直流水流，逆变成
输出连杆的往复式交流运动。百叶窗的翻转触发一部分用高压射流，一部分靠框架的突
缘，类比可控硅的控制栅极。
虽然触发翻转要用一点能量，但只要远小于采集到的流水动能，就是合算的。其实叶条
只要偏转很小的角度，后续就可借水流作用力，完成90度翻转，因而触发能量的供应只
是一霎那。
祖国河流秀美，资源丰富，九曲十八弯的流域遍布大江南北；美洲从南到北，河流小溪
像性感的渔网蕾丝一样密布大地，大到世界第一河的亚马逊，小到小村小镇的溪流；中
东的尼罗河流域；非洲的刚果河， 等等。
上述这类庞大资源，仅为数不多的地段被筑坝蓄洪发电，绝大部分低水头浅河段，完全
没有被水电公司开发利用，如能用上此新能源，善莫大焉！
此系统也可用于风电，这时整个系统应建于可旋转基座上，并配以风向跟踪控制。
注意：本发明不适合海洋波浪能，因为这类能源不具备“直流”性，没有上下游的概念
，波浪的方向随机而变，而用于定向的潮汐则没问题。
下图是原理图：
Fig. 1： river or stream low head hydro generator
Fig. 2: 从电学里可找到本发明的对映--桥式逆变电路图
喜欢英文阅读的朋友，可以去我科学网博客瞧瞧：创新发明--百叶窗式低水头河流小水
电装置。http://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1057381.html
这里再研究它的无可取代的独特应用—浅滩河流的小水电资源开发前景。
浅滩河流真的是小水电领域的鸡肋，弃之可惜，“食之无味”，或者现有技术根本无法
发挥作用，例如技术成熟的涡轮透平，若是用在这样的浅滩上，也许扇叶子都没有办法
弄湿，谈何发电？
而恰恰这样的浅水系河流，在大部分地区，从资源数量上占绝对优势，尤其是黄泛区，
偏远山区也很多。
别管多浅，哪怕深不过腿膝盖，理论上只要流水速度大于1m/s就有可观的小水电开发价
值。
也别管多浅，百叶窗透平都可量滩定制，例如下图这样的河滩，调整各单元帘片的长度
即可：
Fig. 3
让我们先摸清低水头的水电潜在功率有多大，或者说先学会如何评估水资源的能源价值。
其实撇过复杂的流体力学，从易懂的电学理论就可以推导出对应的水能公式。
电功率P = 电流x电压，显然低压状态要想输出大功率，就必须大电流。
将电流换成水流照样管用，即：水功率 = 水流量x水压降，统一使用国际单位：水流量
m^3/s，水压 Pa，也就是 N/m^2，功率瓦特W。至少从量纲上看是没问题的。
同理，低水头要有利用价值，必然要求很大的水流量。河浅不是问题，只要河面宽，流
量必然大，照样能修高等级水电站。
对于特定浅水滩，水流量在短期内基本是恒定的。但普通人测量水流量是很困难的，最
容易测的是水的流速：丢片树叶在水面就可估计得八九不离十；而水道切断面的面积，
一般既易测，又基本稳定。
拿到这两个易测的数据，则可算出流量 = 流速x截面积。
最后一个决定额定功率的参数就是压降了。
因玩的就是低水头，压根没指望该参数有多大，甚至1mm（毫米）的落差也不可小觑，
不信算给你看：根据常识，10米水头，等价于1个大气压，也即10000mm－〉10^5Pa，或
10^4Pa/m，所以1mm －〉10Pa，也即1毫米的水头，能在1平方米的面积产生10牛顿的压
力。
因为本系统不需要筑坝，水头的极限高度，实际上取决于水流能在百叶窗的挡板上“怼
”出多大的高度。显然流速越大，可怼出的高度越大。示意图如下：
Fig. 4
图中V是上游水流速度，V2是垂直挡板被水流推动的速度。
当发电输出回路断开时，系统运行在空载状态，此时水流推板不费丁点力气，V2 = V，
即挡板随波逐流，水头几乎为零。
当负载加重时，水流推板就会费劲，V2 << V, 此时就会在右侧怼出高差Δh。
根据伯努利方程，Δh = (V － V2)^2/(2g)，g为重力加速度9.8m/s^2，为方便起见，
近似为10m/s^2。
当负载重得几乎带不动时，可得极限水头V^2/(2g)。
所以极限功率 = V*S* V^2/(2g)*10000 = 500SV^3，S为河道截面积。
超过极限载荷后，挡板完全静止，此时相当于堤坝了，而上游水源仍在不停流过来，板
右侧水位将不停持续增长。这显然是本应用应该避免出现的过载问题。
可见本系统在额定载荷内具有自动负载峰谷调节能力。
实际评估时，可考虑用功率密度参数，即单位面积百叶窗，最大可以输出功率。根据前
面算出的结果，功率密度 = 500V^3，也即与水流速度成立方关系。
有了这个经验公式，泥腿子农民老粗大哥，随手捡一片树叶扔到小溪水面，靠读秒加估
计就能知道水流速度，继而心算出村里的水资源，到底能搞多大的小水电，顶一个土专
家！
能将深奥的科技，写成老少咸宜或老妪能解的村头墙报，这才是真正的科普。我要是做
得不够，希望大家直言批判。
至此，现在心里有谱了：若水流速度1m/s，水头相当于50mm，每平米百叶窗最多可产生
500瓦的功率；若流速加倍到2m/s，水头约20cm，乖乖呀，每平米4000瓦！
回味一下奇贵无比的太阳能光伏电池板，每平米撑死了也就100瓦的输出功率。而流速0
.58m/s的慢速浅水滩，就可相当于光伏的能量密度了，更何况在同等能密下，百叶窗式
透平机成本远低于光伏板。你要放着家门口的浅滩流水不用，岂不亏大了？
好了，来瞧瞧某些地区很常见的例子：
假设黄泛区有个400米宽，0.5米深的浅滩流水，水面实测流速2m/s，试问百叶窗式透平
驱动的小水电，可以给附近多少户居民带来福音？
假定河道的90%可以被百叶窗透平利用，每户月均用电300度。
最大装机容量 = 500*(2^3)*400*0.5*90% = 720,000W = 720kW。
每户日均用电 = 300/30 = 10kwh，平均功率 = 10/24 = 0.42kW。
所以理论上可解决用电的总户数 = 720/0.42 = 1714户！
考虑用户用电的峰谷性，总户数还要打个折扣，就算1000户吧。
没想到吧，这么个水深刚过膝盖的浅水滩，竟能造福千家！而这样的水资源在全中国何
其多也，而现有水电技术对此资源都一愁莫展，只好白白浪费了。
一旦此技术推广开来，很多大型水电站，其实都可以用分布式低水头百叶窗式小水电系
统取代。
例如三峡大坝的水头高达113米，如果不用该坝，在长江沿岸各地，安装高效的低水头
系统，或许更经济丶更方便丶更可靠，至少长途电力输送的线损能省下不少。按每站
20cm低水头计算，只需113/0.2 = 565个这样的小站，就等价于那个三峡大坝。
激流浅滩资源一瞥：
多好的小水电资源啊，可惜因技术原因暂时未能受到重视。水电大财团和政府就知道筑
坝蓄洪发电，甚至不顾后代长远利益丶劳民伤财丶破坏生态地搞一些后患无穷的大工程
，而对下列浅滩资源有心无力开发，只好视而不见。幸好，这些都是我们Kiwaho千瓦厚
公司即将“上桌的佳肴”：
文，暂时上传到预印本服务器。现拿出来用中文侃侃，供大家研究参考，欢迎评头品足
提意见。
其实原理很简单，仔细研判插图就能搞明白咋回事。
我的前一篇帖子谈船舶百叶窗桨，与此并无多大差别，只是这里用来做水力发电。这跟
电机倒过来用就是发电机，其实逻辑上是一个套路。
传统旋转式透平（turbine）已经得到广泛应用，为何我要别出心裁搞复杂的平板式驱
动透平？显然，前者的扇叶与水流夹角为锐角，且扇叶之间空隙很大，而我的则垂直，
且全部截面受力，因而平板式效率能发挥到极限，且矩形截面更适合于河道。恕我冒昧
估计，效率那是扇叶式旋转透平望尘莫及的！
尽管不用百叶窗，直接用整板，理论上也可以，但是体积太庞大，且在河道里翻转90度
很麻烦。
用百叶窗叶还有一个好处：透平截面不一定非要严格矩形，理论上可以任意形状。
整个系统类似于在河道上架设自动开关水闸，任意时刻，在截面上的每一处都存在水流
推力。
该发明类似于桥式可控硅电子逆变装置，只不过电流换成了水流，将直流水流，逆变成
输出连杆的往复式交流运动。百叶窗的翻转触发一部分用高压射流，一部分靠框架的突
缘，类比可控硅的控制栅极。
虽然触发翻转要用一点能量，但只要远小于采集到的流水动能，就是合算的。其实叶条
只要偏转很小的角度，后续就可借水流作用力，完成90度翻转，因而触发能量的供应只
是一霎那。
祖国河流秀美，资源丰富，九曲十八弯的流域遍布大江南北；美洲从南到北，河流小溪
像性感的渔网蕾丝一样密布大地，大到世界第一河的亚马逊，小到小村小镇的溪流；中
东的尼罗河流域；非洲的刚果河， 等等。
上述这类庞大资源，仅为数不多的地段被筑坝蓄洪发电，绝大部分低水头浅河段，完全
没有被水电公司开发利用，如能用上此新能源，善莫大焉！
此系统也可用于风电，这时整个系统应建于可旋转基座上，并配以风向跟踪控制。
注意：本发明不适合海洋波浪能，因为这类能源不具备“直流”性，没有上下游的概念
，波浪的方向随机而变，而用于定向的潮汐则没问题。
下图是原理图：
Fig. 1： river or stream low head hydro generator
Fig. 2: 从电学里可找到本发明的对映--桥式逆变电路图
喜欢英文阅读的朋友，可以去我科学网博客瞧瞧：创新发明--百叶窗式低水头河流小水
电装置。http://blog.sciencenet.cn/blog-2339914-1057381.html
这里再研究它的无可取代的独特应用—浅滩河流的小水电资源开发前景。
浅滩河流真的是小水电领域的鸡肋，弃之可惜，“食之无味”，或者现有技术根本无法
发挥作用，例如技术成熟的涡轮透平，若是用在这样的浅滩上，也许扇叶子都没有办法
弄湿，谈何发电？
而恰恰这样的浅水系河流，在大部分地区，从资源数量上占绝对优势，尤其是黄泛区，
偏远山区也很多。
别管多浅，哪怕深不过腿膝盖，理论上只要流水速度大于1m/s就有可观的小水电开发价
值。
也别管多浅，百叶窗透平都可量滩定制，例如下图这样的河滩，调整各单元帘片的长度
即可：
Fig. 3
让我们先摸清低水头的水电潜在功率有多大，或者说先学会如何评估水资源的能源价值。
其实撇过复杂的流体力学，从易懂的电学理论就可以推导出对应的水能公式。
电功率P = 电流x电压，显然低压状态要想输出大功率，就必须大电流。
将电流换成水流照样管用，即：水功率 = 水流量x水压降，统一使用国际单位：水流量
m^3/s，水压 Pa，也就是 N/m^2，功率瓦特W。至少从量纲上看是没问题的。
同理，低水头要有利用价值，必然要求很大的水流量。河浅不是问题，只要河面宽，流
量必然大，照样能修高等级水电站。
对于特定浅水滩，水流量在短期内基本是恒定的。但普通人测量水流量是很困难的，最
容易测的是水的流速：丢片树叶在水面就可估计得八九不离十；而水道切断面的面积，
一般既易测，又基本稳定。
拿到这两个易测的数据，则可算出流量 = 流速x截面积。
最后一个决定额定功率的参数就是压降了。
因玩的就是低水头，压根没指望该参数有多大，甚至1mm（毫米）的落差也不可小觑，
不信算给你看：根据常识，10米水头，等价于1个大气压，也即10000mm－〉10^5Pa，或
10^4Pa/m，所以1mm －〉10Pa，也即1毫米的水头，能在1平方米的面积产生10牛顿的压
力。
因为本系统不需要筑坝，水头的极限高度，实际上取决于水流能在百叶窗的挡板上“怼
”出多大的高度。显然流速越大，可怼出的高度越大。示意图如下：
Fig. 4
图中V是上游水流速度，V2是垂直挡板被水流推动的速度。
当发电输出回路断开时，系统运行在空载状态，此时水流推板不费丁点力气，V2 = V，
即挡板随波逐流，水头几乎为零。
当负载加重时，水流推板就会费劲，V2 << V, 此时就会在右侧怼出高差Δh。
根据伯努利方程，Δh = (V － V2)^2/(2g)，g为重力加速度9.8m/s^2，为方便起见，
近似为10m/s^2。
当负载重得几乎带不动时，可得极限水头V^2/(2g)。
所以极限功率 = V*S* V^2/(2g)*10000 = 500SV^3，S为河道截面积。
超过极限载荷后，挡板完全静止，此时相当于堤坝了，而上游水源仍在不停流过来，板
右侧水位将不停持续增长。这显然是本应用应该避免出现的过载问题。
可见本系统在额定载荷内具有自动负载峰谷调节能力。
实际评估时，可考虑用功率密度参数，即单位面积百叶窗，最大可以输出功率。根据前
面算出的结果，功率密度 = 500V^3，也即与水流速度成立方关系。
有了这个经验公式，泥腿子农民老粗大哥，随手捡一片树叶扔到小溪水面，靠读秒加估
计就能知道水流速度，继而心算出村里的水资源，到底能搞多大的小水电，顶一个土专
家！
能将深奥的科技，写成老少咸宜或老妪能解的村头墙报，这才是真正的科普。我要是做
得不够，希望大家直言批判。
至此，现在心里有谱了：若水流速度1m/s，水头相当于50mm，每平米百叶窗最多可产生
500瓦的功率；若流速加倍到2m/s，水头约20cm，乖乖呀，每平米4000瓦！
回味一下奇贵无比的太阳能光伏电池板，每平米撑死了也就100瓦的输出功率。而流速0
.58m/s的慢速浅水滩，就可相当于光伏的能量密度了，更何况在同等能密下，百叶窗式
透平机成本远低于光伏板。你要放着家门口的浅滩流水不用，岂不亏大了？
好了，来瞧瞧某些地区很常见的例子：
假设黄泛区有个400米宽，0.5米深的浅滩流水，水面实测流速2m/s，试问百叶窗式透平
驱动的小水电，可以给附近多少户居民带来福音？
假定河道的90%可以被百叶窗透平利用，每户月均用电300度。
最大装机容量 = 500*(2^3)*400*0.5*90% = 720,000W = 720kW。
每户日均用电 = 300/30 = 10kwh，平均功率 = 10/24 = 0.42kW。
所以理论上可解决用电的总户数 = 720/0.42 = 1714户！
考虑用户用电的峰谷性，总户数还要打个折扣，就算1000户吧。
没想到吧，这么个水深刚过膝盖的浅水滩，竟能造福千家！而这样的水资源在全中国何
其多也，而现有水电技术对此资源都一愁莫展，只好白白浪费了。
一旦此技术推广开来，很多大型水电站，其实都可以用分布式低水头百叶窗式小水电系
统取代。
例如三峡大坝的水头高达113米，如果不用该坝，在长江沿岸各地，安装高效的低水头
系统，或许更经济丶更方便丶更可靠，至少长途电力输送的线损能省下不少。按每站
20cm低水头计算，只需113/0.2 = 565个这样的小站，就等价于那个三峡大坝。
激流浅滩资源一瞥：
多好的小水电资源啊，可惜因技术原因暂时未能受到重视。水电大财团和政府就知道筑
坝蓄洪发电，甚至不顾后代长远利益丶劳民伤财丶破坏生态地搞一些后患无穷的大工程
，而对下列浅滩资源有心无力开发，只好视而不见。幸好，这些都是我们Kiwaho千瓦厚
公司即将“上桌的佳肴”：
