牛力發電技術的應用性研究

李鵬　孟濤

摘 要：該文敘述了我國能源現狀及生物質能的開發利用情況，提出了“牛力發電“的概念。通過實驗測試及分析計算，論證了牛力發電的可行性，得到了牛力發電過程生物質能到電能的轉化效率，設計出了牛力發電系統的運行控制方式和相關關鍵技術問題的解決方案。通過對牛力發電的經濟社會效益進行分析，為我國有效解決偏遠農牧地區用電問題提供智力參考。

關鍵詞：牛力 發電 農牧區 生物質能 轉化效率

中圖分類號：S211 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）02（c）-0004-02

在傳統能源日益短缺的今天，為了獲得更多的電能，人們設計了各種各樣的發電方法和發電裝置。例如利用人力發電的鞋子和自行車，利用海水動能發電的人造魚，收集汽車尾氣或爐口熱量發電，甚至有人提出利用人體血流來發電。人們在費盡心思尋找新的發電方式時似乎從來沒有想到過一種更為簡單，更加有效的發電方式—利用牛馬等大型牲畜來驅動動發電機進行發電。本項目簡稱“牛力發電”，主要研究以牛為動力進行發電的可行性，生物能到電能的轉化效率，整個牛力發電系統的運行控制方式及相關關鍵問題的解決方案。

1 牛力發電的意義

1.1 牛力發電的可行性

回顧中國古代史，我們可以發現牛馬等大型牲畜幾乎是支持整個社會運轉的動力之源。它們可以肩負起整個華夏的農業耕作，可以承擔整個社會的交通運輸，可以驅動萬乘戰車進行無數場規模浩大的戰爭，清朝末期甚至出現過馬拉火車的場景，當然它們沒有理由不能勝任發電的任務。牛的食物來源極其廣泛，從草木枝葉到幾乎全部糧油作物秸稈都能直接被牛食用。牛力發電的實質是牛作為中間介質將草木秸稈等生物質能轉化為電能的過程。

1.2 牛力發電的現實意義

我國是一個農業大國，其中農牧區面積占國土總面積的近70%，農牧業人口占我國總人口的近60%。然而我國電力資源分布卻并不均衡，由于路途遙遠，交通不便，且分布分散等原因，相當一部分農牧地區目前仍處于用電難的狀態。我國農牧地區每年都產生大量的草木秸稈等生物質能，同時也有很多因為無處可用而被焚燒或廢棄。隨著國家對能源問題的重視，一部分生物質能也開始逐漸被用來發電，目前生物質能發電主要通過燃燒發電和沼氣發電兩種方式進行。

燃燒發電產生大量二氧化碳溫室氣體，二氧化硫等污染性氣體，處理相當困難；且由于技術不成熟，工藝流程復雜，發電成本較高等問題其發展受到了限制。沼氣發電技術不僅流程復雜不易掌控，建造維護成本高昂，而且生物質能到電能的轉化率較低，這些因素阻礙了沼氣發電產業的快速發展。牛力發技術電流程簡單同時沒有任何環境污染，作為一種生物質能的創新利用方式和有效解決偏遠農牧區用電問題的途徑其研究探索空間巨大。

2 牛力發電系統方案設計

2.1 牛力發電系統流程

牛力發電系統主要由牛，交流發電機，電力系統組成，其工作流程如圖1所示。

2.2 牛力發電基本驅動形式研究

本項目設計每臺發電機由4頭牛通過十字形驅動桿同時進行驅動。由于牛行走的速度較慢，為了獲得較高的發電機轉速，驅動桿與發電機通過齒輪增速變速器傳遞動力，其基本機構形式如圖2所示。

2.3 電力系統結構設計

牛力發電的電力系統主要由發電機勵磁裝置，廠用變壓器，主變壓器，配電裝置等部分組成。勵磁裝置用于為發電機提供工作磁場，廠用變壓器用于為發電廠其他用電設備提供合適的低壓電流，主變壓器用于將發電機發出的低壓電轉變成高壓電然后輸出，配電裝置用于對電能流向進行合理分配。電力系統基本結構如圖3所示。

3 發電頻率的穩定性控制方案

3.1 基本穩頻控制方法研究

為減小沖擊力對發電機瞬時轉速的影響，驅動桿的設計具有一定的減震功能。實現減震功能的設計方法有多種，本實驗中驅動桿端部利用撓性連接器與變速器輸入軸連接。為了防止牛蹄與地面的打滑影響牛行走速度的穩定性，發電機周圍地面應能產生足夠的摩擦力，如鋪設沙土地面或橡膠地面，本實驗中為沙土地面。通過多次模擬測試，運行過程中磨盤的旋轉速度相當穩定，各牛之間瞬時速度的不協調可以相相互抵消。

3.2 專用速度控制牛套設計

在整個研究試驗過程中，最關鍵的技術問題是依然是如何更好確保發電機50 Hz頻率的穩定性，即讓牛在模擬發電過程中每12 s行走一圈，平均角速度30度/s。通過研究耕牛的控制方式和不斷的試驗測試，總結出促使牛加速前行的方法最主要有物理擊打或電擊對其后半身的刺激，最有效的作用部位是牛尾根處稍上部位。迫使牛減速或停止的方法主要是對牛頭施以向后的拉力，最有效的牽拉部位是牛鼻。根據這些研究結果，設計出了可促使牛加速或減速行走的專用速度控制牛套。

牛套主要由電擊裝置和牽引裝置構成（見圖4），前者用于對牛尾根上部施加電擊刺激，促使其加速；后者用于對牛鼻施加向后的拉力，促使其減速。經測試發現，能夠促使牛加速前進的最低電擊電壓約為10 V，最合適電壓約為15 V。

此外，牛套裝置的有效工作還需要一個指令發生設備，這就是安裝在驅動桿上的速度檢測控制器。該控制器可隨時檢測驅動桿單位時間內的平均轉動角速度，當速度小于設定值時發出電擊指令，電擊裝置啟動促使牛加速；當速度大于設定值時發出后牽指令，后牽裝置啟動促使牛減速，以此來控制牛的行走速度進而達到控制發電頻率的目的。專用速度控制牛套裝置示意圖如圖4。

4 發電機可持續工作方案研究

考慮到牛的體能消耗，一頭牛不可能一直不間斷的工作，為此研究設計了定時輪換工作機制。根據測試及農戶經驗，在讓每頭牛充分發揮勞動能力又不至于超越其體能承受范圍的原則下，設計每隔15 min換一頭牛，即每頭牛單次最大工作時間45 min。換下的牛去飲食和休息，這樣能保證讓所有參與工作的牛在最好的狀態下進行工作。

維持一臺發電機在12 h內連續運轉共需要5頭牛不斷相互輪換，另12 h則由另外5頭牛來驅動，這樣每頭牛在24 h內的實際累計工作時間為8 h。為了在更換某頭牛的過程中不至于影響其他牛的工作情緒，給每頭正在工作的牛都戴上眼罩以遮擋視線。同時為消除一頭牛突然換下對發電機轉速的影響，研究測試了兩種改善方法。

其一是優化設計牛套與驅動桿的連接裝置（見圖4），可保證快速連接快速脫開。其二是將驅動桿由四桿改成五桿（模型圖略），正常工作時有一桿空載，當需要換牛時先將要換上的牛裝在這一空載桿上，然后再將要換下的牛取下，這樣可保證任意時刻發電機至少在由四頭牛驅動，從而避免了換牛時可能造成的發電機短暫減速。通過實驗測試，上述方法同時使用時效果最佳，可基本保證發電機以穩定的轉速可持續的工作。

5 生物質能到電能的轉化效率研究

6 牛力發電的經濟社會效益

6.1 牛力發電的經濟效益

根據本項目所設計的輪換工作機制及相關計算，單臺發電機的日發電量為480kWh，平均每頭牛日累計工作八小時的發電量為48kWh，一年的發電量約為1.75萬kWh。折合成人民幣（按每度電0.5元）則約為8800元，相當于一頭牛自身所具有的價值，這充分證明了牛力發電所具有的巨大經濟潛力。據調查，目前我國全國范圍內秸稈利用率[5]約為70%，剩余30%基本被廢棄。如果將牛力發電廠建在廣大農村地區，不僅可以充分利用當地大量剩余的的農作物秸稈來增加農民收入，而且還能供清潔廉價的電力能源。若將牛力發電廠建在我國西部畜牧區，便可很好利用牧區數量龐大的大型牲畜資源獲得可觀的電能。據統計，2012年我國西部畜牧業養牛量約1.9億頭[6]，假如利用其中1/3的牛每天累計工作8 h進行發電，則年發電量約為1.1萬億千瓦時，超過當年全國用電量（約4.96萬億kWh）的1/5，相當于13個三峽大壩的年發電量（約850億kWh）。這不僅可以積極促進我國經濟社會的發展，而且還有效支持了我國的西部大開發戰略。

6.2 牛力發電的社會效益

牛力發電不僅技術流程簡單，價格低廉，而且不受煤炭，河流等發電資源的限制，可有效幫助解決偏遠地區的用電問題。隨著牛力發電的大量使用和發展，即可以減少水電工程對河流等生態環境的破壞，又可取代一部分火力發電進而減少大氣污染，維護我國生態系統平衡和經濟社會的可持續發展，與建設美麗中國的指導思想相一致。

7 結語

研究證明，牛力發電無論在理論上還是實踐中都是可行的，而且具有巨大的經濟社會效益。牛力發電方式直到目前還沒進入公眾的視線，不是因為其自身的可行性問題或者其他技術問題，而是因為人們對我國的能源不足現狀沒有給予足夠的重視，以至于沒有足夠的動力去進行大膽的創新和嘗試。我國偏遠農牧區的用電問題應該被積極面對和解決，只有這樣小康社會才會是全體中國人民的小康，中國夢才是一個完整的夢。牛力發電為解決我國偏遠地區的用電難問題又開辟了一條新路。

參考文獻

[1] 閆廷滿.生物質能秸稈發電的思考[J].東方電氣評論，2007（1）：1-5.

[2] 雷奶華，陳筱鐵.同步發電機效率檢測研究[J].檢驗檢疫學刊，2009（4）：16-18.

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[5] 張莉萍.我國農作物秸稈資源化綜合利用的思考[J].中國農業信息， 2013（10）：15-21.

[6] 楊飛，楊世琦，諸云強.中國近30年畜禽養殖量及其耕地氮污染負荷分析[J]. 農業工程學報，2013（5）：1-11.

維持一臺發電機在12 h內連續運轉共需要5頭牛不斷相互輪換，另12 h則由另外5頭牛來驅動，這樣每頭牛在24 h內的實際累計工作時間為8 h。為了在更換某頭牛的過程中不至于影響其他牛的工作情緒，給每頭正在工作的牛都戴上眼罩以遮擋視線。同時為消除一頭牛突然換下對發電機轉速的影響，研究測試了兩種改善方法。

其一是優化設計牛套與驅動桿的連接裝置（見圖4），可保證快速連接快速脫開。其二是將驅動桿由四桿改成五桿（模型圖略），正常工作時有一桿空載，當需要換牛時先將要換上的牛裝在這一空載桿上，然后再將要換下的牛取下，這樣可保證任意時刻發電機至少在由四頭牛驅動，從而避免了換牛時可能造成的發電機短暫減速。通過實驗測試，上述方法同時使用時效果最佳，可基本保證發電機以穩定的轉速可持續的工作。

5 生物質能到電能的轉化效率研究

6 牛力發電的經濟社會效益

6.1 牛力發電的經濟效益

根據本項目所設計的輪換工作機制及相關計算，單臺發電機的日發電量為480kWh，平均每頭牛日累計工作八小時的發電量為48kWh，一年的發電量約為1.75萬kWh。折合成人民幣（按每度電0.5元）則約為8800元，相當于一頭牛自身所具有的價值，這充分證明了牛力發電所具有的巨大經濟潛力。據調查，目前我國全國范圍內秸稈利用率[5]約為70%，剩余30%基本被廢棄。如果將牛力發電廠建在廣大農村地區，不僅可以充分利用當地大量剩余的的農作物秸稈來增加農民收入，而且還能供清潔廉價的電力能源。若將牛力發電廠建在我國西部畜牧區，便可很好利用牧區數量龐大的大型牲畜資源獲得可觀的電能。據統計，2012年我國西部畜牧業養牛量約1.9億頭[6]，假如利用其中1/3的牛每天累計工作8 h進行發電，則年發電量約為1.1萬億千瓦時，超過當年全國用電量（約4.96萬億kWh）的1/5，相當于13個三峽大壩的年發電量（約850億kWh）。這不僅可以積極促進我國經濟社會的發展，而且還有效支持了我國的西部大開發戰略。

6.2 牛力發電的社會效益

牛力發電不僅技術流程簡單，價格低廉，而且不受煤炭，河流等發電資源的限制，可有效幫助解決偏遠地區的用電問題。隨著牛力發電的大量使用和發展，即可以減少水電工程對河流等生態環境的破壞，又可取代一部分火力發電進而減少大氣污染，維護我國生態系統平衡和經濟社會的可持續發展，與建設美麗中國的指導思想相一致。

7 結語

研究證明，牛力發電無論在理論上還是實踐中都是可行的，而且具有巨大的經濟社會效益。牛力發電方式直到目前還沒進入公眾的視線，不是因為其自身的可行性問題或者其他技術問題，而是因為人們對我國的能源不足現狀沒有給予足夠的重視，以至于沒有足夠的動力去進行大膽的創新和嘗試。我國偏遠農牧區的用電問題應該被積極面對和解決，只有這樣小康社會才會是全體中國人民的小康，中國夢才是一個完整的夢。牛力發電為解決我國偏遠地區的用電難問題又開辟了一條新路。

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其一是優化設計牛套與驅動桿的連接裝置（見圖4），可保證快速連接快速脫開。其二是將驅動桿由四桿改成五桿（模型圖略），正常工作時有一桿空載，當需要換牛時先將要換上的牛裝在這一空載桿上，然后再將要換下的牛取下，這樣可保證任意時刻發電機至少在由四頭牛驅動，從而避免了換牛時可能造成的發電機短暫減速。通過實驗測試，上述方法同時使用時效果最佳，可基本保證發電機以穩定的轉速可持續的工作。

5 生物質能到電能的轉化效率研究

6 牛力發電的經濟社會效益

6.1 牛力發電的經濟效益

根據本項目所設計的輪換工作機制及相關計算，單臺發電機的日發電量為480kWh，平均每頭牛日累計工作八小時的發電量為48kWh，一年的發電量約為1.75萬kWh。折合成人民幣（按每度電0.5元）則約為8800元，相當于一頭牛自身所具有的價值，這充分證明了牛力發電所具有的巨大經濟潛力。據調查，目前我國全國范圍內秸稈利用率[5]約為70%，剩余30%基本被廢棄。如果將牛力發電廠建在廣大農村地區，不僅可以充分利用當地大量剩余的的農作物秸稈來增加農民收入，而且還能供清潔廉價的電力能源。若將牛力發電廠建在我國西部畜牧區，便可很好利用牧區數量龐大的大型牲畜資源獲得可觀的電能。據統計，2012年我國西部畜牧業養牛量約1.9億頭[6]，假如利用其中1/3的牛每天累計工作8 h進行發電，則年發電量約為1.1萬億千瓦時，超過當年全國用電量（約4.96萬億kWh）的1/5，相當于13個三峽大壩的年發電量（約850億kWh）。這不僅可以積極促進我國經濟社會的發展，而且還有效支持了我國的西部大開發戰略。

6.2 牛力發電的社會效益

牛力發電不僅技術流程簡單，價格低廉，而且不受煤炭，河流等發電資源的限制，可有效幫助解決偏遠地區的用電問題。隨著牛力發電的大量使用和發展，即可以減少水電工程對河流等生態環境的破壞，又可取代一部分火力發電進而減少大氣污染，維護我國生態系統平衡和經濟社會的可持續發展，與建設美麗中國的指導思想相一致。

7 結語

研究證明，牛力發電無論在理論上還是實踐中都是可行的，而且具有巨大的經濟社會效益。牛力發電方式直到目前還沒進入公眾的視線，不是因為其自身的可行性問題或者其他技術問題，而是因為人們對我國的能源不足現狀沒有給予足夠的重視，以至于沒有足夠的動力去進行大膽的創新和嘗試。我國偏遠農牧區的用電問題應該被積極面對和解決，只有這樣小康社會才會是全體中國人民的小康，中國夢才是一個完整的夢。牛力發電為解決我國偏遠地區的用電難問題又開辟了一條新路。

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