本发明涉及清洁能源利用技术领域，具体涉及一种超高层楼房雨水微型发电系统，该系统可以明显的减少雨水发电过程中的能量损失，获取更大的发电量。
背景技术：
随着我国经济社会的发展和现代化城市的建设，城市超高层建筑的数量在迅速增长，不但高度在向更高空间伸延，规模也在不断扩大。在区域分布上，超高层建筑的建设不断从经济发达的沿海地区向内地城市转移，从北京、上海、广州等一线大城市转移至二、三线城市。据不完全统计，我国现有己建、在建或规划中的超高层建筑1100多座，高度从100米跃升至近600米。超高层建筑的建设一方面加快了城市现代建设的进程，另一方面，改变了原来的下垫面条件，增加了极端水文事件发生的概率。近年来，城市洪涝灾害事件不断发生，城市生态环境不断恶化。因此，为了改善城市生态环境，提高城市自然资源利用率，需要一个有效的雨水资源开发利用新途径。
此外，随着城市楼房数量的增加，城市用水量也急剧增加，本就匮乏的水资源供应更为紧张。同时，伴随着楼层高度的增加，其下水管道排出的雨水的重力势能也随之增大，由于缺乏必要的节能环保措施，导致这些可利用的重力势能消失殆尽，而其中可利用的水资源也白白的浪费掉了。而目前现有的技术中，雨水发电的效率低，成本高，难以推广普及。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、能量转换效率高的超高层楼房雨水微型发电系统。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
设计一种超高层楼房雨水微型发电系统，包括依次连通的雨水收集箱、雨水流通管道、发电装置，所述雨水收集箱用于安装在超高层楼房顶部，所述雨水流通管道竖向设置在楼体侧壁，并延伸至楼房底部，所述雨水流通管道的出水口设有用以控制水流速度的喷嘴；所述发电装置包括耦合配置的发电机和微型涡轮机，所述微型涡轮机包括螺旋形涡室，微型涡轮机自上而下分别设有竖直方向连通蜗室的进水管和出水管，所述进水管远离所述微型涡轮机中轴线方向设置，所述出水管沿所述微型涡轮机中轴线方向设置；所述进水管与所述喷嘴连通，所述出水管连通有出水导管并安装有水流控制阀。
优选的，所述微型涡轮机为斜击式涡轮机或培尔顿式涡轮机。
优选的，所述微型涡轮机的涡轮直径为150～160mm。
优选的，所述进水管的直径为13mm，所述出水管的直径为30mm。
优选的，所述微型涡轮机的转速不低于500rpm。
优选的，所述喷嘴的末端设有收敛口。
优选的，所述雨水流通管道的管径为0.25m。
优选的，所述雨水流通管道的长度≥150m。
优选的，基于下式，根据设计确定的喷嘴处水流速度v2，确定雨水流通管道直径d：
式中，l为雨水收集箱出水口至喷嘴处雨水流通管道的长度，g为重力加速度，取值9.81m/s2；f为摩擦系数，取值0.02412；h为水头高度。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果在于：
1.本发明为微型发电系统，利用高层楼房高水头即可带动涡轮机发电，将高势能的雨水通过竖直方向设置的喷嘴引入至微型涡轮机内，并利用末端具有收敛口的喷嘴提高流入微型涡轮机的水流速度，实现了利用低成本的设备获得高的发电效率的目标；微型涡轮机的进水管、出水管均为竖直方向设置，微型涡轮机的机室为螺旋形，可有效避免蜗室出口处的水流分散，降低涡轮机对水流的阻力，提高水轮机的运转效果和发电量。
2.经济效益显著：本发明利用超高层楼房雨水收集的高水头势能和微型水力涡轮机发电，生产成本低，按照本发明提供的发电系统，在年降水量在1600mm的条件下，平均每1万m2的超高层楼房雨水蓄积，可实现年发电量为271.3万kwh，按照综合用电价格每度电0.7元计算，则每年可实现经济效益190.0万元。
3.节能环保：本发明提供的发电系统发电过程中无废弃物、有毒害气体排放，属于清洁能源；此外，根据生态足迹分析，如果发电量为1kwh时的碳排放量为0.94kg，一栋3万平米的建筑按照本发明提供的发电系统进行雨水发电，每天可以减少764.97kg的碳排放量，节能环保。
4.缓解水资源供需紧张：本发明在楼房顶部蓄积雨水，可调节居住楼房温度和周边湿度，改善居住楼房生态环境，收集的雨水除了用于发电外，经处理后的水质可达到地表水环境质量
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明微型涡轮机连接结构示意图；
图中，1.雨水流通管道，2.微型涡轮机，3.涡轮，4.出水管，5.出水导管，6.水流控制阀，7.进水管，8.喷嘴，9.雨水收集箱。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备或工具如无特别说明，均为常规市售产品；所涉及的试剂如无特别说明，均为市售常规试剂；所涉及的方法或步骤，如无特别说明，均为常规方法或步骤。
本发明中雨水收集箱的容积及尺寸规格依据楼房顶部面积和当地的平均降雨量、最大降雨峰值进行冗余设计。
实施例1：如图1至图2所示的一种超高层楼房雨水微型发电系统，包括依次连通的雨水收集箱9、雨水流通管道1、发电装置。
其中，雨水收集箱9用于安装在超高层楼房顶部，雨水流通管道1竖向设置在楼体侧壁，并延伸至楼房底部，雨水流通管道1的出水口设有将雨水引入发电装置的喷嘴8，喷嘴8的末端设有收敛口，用以提高达到发电装置处的水流速度；
发电装置包括耦合配置的发电机和微型涡轮机2，微型涡轮机2机轴直接安装在120v的发电机上，微型涡轮机2包括螺旋形的涡室，以减少微型涡轮机2出水口处的水流分散，提高涡轮机的运转效果；微型涡轮机2自上而下分别设有竖向连通蜗室的进水管7和出水管4，进水管7的直径为13mm，且沿远离微型涡轮机2的中轴线方向设置，进水管7通过喷嘴8与雨水流通管道1连通；出水管4的直径为30mm，且沿微型涡轮机2中轴线方向设置，出水管4连通有出水导管5并安装有水流控制阀6。
本发明是用以收集超高层楼房房顶上的雨水，因此，雨水流通管道1的长度不低于150m，雨水流通管道1的管径为0.25m。
在本实施例中，为了减少楼房顶部收集的雨水的能量损失，微型涡轮机2为斜击式涡轮机或培尔顿式涡轮机，微型涡轮机2的涡轮3直径为150～160mm，微型涡轮机2的转速不低于500rpm。
实施例2
应用实例
（1）理论发电量计算
选择某市新国贸大厦为例，将上述超高层楼房雨水微型发电系统应于该大厦。该大厦地面以上为50层，净高212.1m.建筑平面面积为3.5万m2，根据对楼房设计的调查和现场观测，收集该地区历年降雨量资料（包括年平均降雨量及最大将于峰值），设计雨水收集箱的容积。
根据预先设计的雨水流通管道直径d、雨水流通管道内的摩擦系数f（取值0.2412），水头高度h、雨水收集箱出水口至喷嘴处的雨水流通管道的长度l，由下式（1）计算喷嘴处的水流速度v2。同时，也可以根据长时期、多次对发电系统中各参数的设计，以及发电量的结果验证，预先设计流至喷嘴处最优的水流速度为v2，根据下式（1）计算雨水流通管道的直径d；
式中，g为重力加速度，取值9.81m/s2。
以雨水收集箱的出水口为初始状态，以雨水流至喷嘴处为末状态，根据这一过程中流体机械稳态水流能量守恒方程，即下式（2），简化即可得到上式（1）；
式（2）中，m为雨水质量；为雨水的密度，取值为1000kg/m3；初始状态的水流速度为v1、压强为p1、高度为z1，且v1为0m/s；末状态的水流速度为v2、压强为p2、高度为z2，位于该大厦顶部与底部的雨水流通管道内的压强看作相等，即p1=p2。
按照前述发电系统的设施设计，依据雨水经发电装置处理前后的能量守恒定律，计算该楼房的理论发电量，相关参数详见表1。
（1）理论发电量分析
所选择的超高层楼房，在楼房顶端安装雨水收集箱，每年可蓄积雨水资源4.5万m3。100栋这样的楼房相当于一个中型水库库容。按照本发明设计的雨水发电系统，蓄集雨水可以实现年发电量813.8万kw·h。按照综合用电价格每度电0.7元计算，则每年可实现经济效益569.6万元。对比发现，我国三峡水库2015年实现发电量7.42亿kw·h。照此计算，大约100栋超高层大楼的年发电量就相当于一个三峡水库。
（2）设备费用分析
根据2014年水利部发布的《水利工程设计概(估)算编制规定》（水总[2014]429号），一栋楼房的雨水利用发电系统，包括涡轮机、发电机和有关配套设备，总造价为150.0万元。根据发电量的市场价格估算，建设当年即可收回投资。根据设备类型，使用寿命为10年左右。扣除运行管理费用，则可实现净经济效益4500多万元。
（3）生态环境影响
①属于清洁能源。根据生态足迹分析，1kw·h发电量需要有0.94kg的碳排放量，按照这个标准计算，本研究实例每天可以减少764.97kg的碳排放量。另外，本发电系统没有废弃物和有毒有害气体排放，因此雨水利用发电可以减少环境污染，属于清洁能源。
②雨水资源利用。收集的雨水除了发电外，经处理后，还可以用于区域的生活用水、小区绿化用水、景观用水等。根据本设计方案，每栋1万m2的高层建筑可蓄积雨水资源量1.5万m3，则100栋楼房的蓄水量相当于一个中型水库。蓄积的雨水经处理后，水质可达到地表水环境质量
③为居住楼房生态环境改善提供条件。由于楼房顶部蓄积雨水，可以起到调节居住楼房温度和周边湿度的作用。据有关资料研究，极端最高气温可降低1.6～3℃，空气的湿度影响范围从几米到几十米。从而，为居民提供良好的易居环境。
本发明旨在利用现有的低成本设备，实现高水头（超高楼房收集的雨水）发电的目的，不仅可以缓解水资源供需紧张的现状，还可以减少发电过程中对环境的污染，调节居住楼房的温度和周边的湿度，为居民提供良好的宜居环境。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细的说明，但是，所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。