潮流水轮机的研究进展

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可再生能源

Renewable Energy Resources

第28卷第4期2010年8月

Vol.28No.4Aug.2010

引言

潮流能是20世纪70年代提出的可供利用的可再生能源[1]，[2]，与常规能源相比具有以下优点：能源储量大，良好的可预测性，环境影响相对小。水轮机作为最主要的潮流能换能装置，被称为潮流水轮机。传统水力发电站（如三峡电站）、潮汐电站（如江厦电站）的水轮机是通过势能产生的压力差推动叶片转动，而潮流水轮机是一种无压降或低水头的水轮机，与风力机的基本原理相近，将流体动能转换为机械能。根据伯努力方程，两者的本质区别为前者主要是压力水头的作用，后者

是速度水头的作用[3]，[4]。本文从结构出发，分别介绍了3类潮流水轮机的特点，综述了国内外潮流水轮机的研究现状、方法及性能，分析了潮流水轮机研究存在的不足及其发展趋势。

1潮流水轮机的结构特点

潮流发电技术作为目前海洋能源开发的重要

技术之一，受到了研究者们的广泛关注。潮流水轮机是其中的核心技术之一。近年来，潮流水轮机的研究已经取得了长足的发展，出现了多种类型的结构形式[5]。根据其结构运行的情况，潮流水轮机可分为水平轴、竖轴和横轴3类（图1）。

收稿日期：2009-10-27。

基金项目：国家高新技术研究与发展计划（“863”计划）资助项目（2009AA05Z430）。

作者简介：戴军（1984-），男，汉族，山西省大同人，硕士研究生，主要从事新能源技术开发研究。E-mail ：daijun100@

潮流水轮机的研究进展

戴

军，单忠德，王西峰，杨

杰

（机械科学研究总院先进制造技术研究中心，先进成型技术与装备国家重点实验室，北京100083）

摘

要：概述了潮流水轮机的国内外发展情况，对3种不同结构的潮流水轮机的类型和特点作了比较分析，介

绍了潮流水轮机的研究方法以及性能研究，指出了潮流水轮机的未来发展方向。关键词：可再生能源；潮流能；潮流水轮机；研究进展中图分类号：TK79

文献标志码：B

文章编号：1671-5292（2010）04-0130-04

Research status of tidal current turbine

DAI Jun ，SHAN Zhong-de ，WANG Xi-feng ，YANG Jie

（1.China Academy of Machinery Science &Technology Advaced Manufacture Technology Center ，State Key

Laboratory of Advanced Forming Technology &Equipment ，Beijing 100083，China ）

Abstract ：This paper reviews the development status of tidal current turbine,analyzes three differ -ent types of turbines.The general research method and performance prediction models are intro -duced,meanwhile,the future development direction of tidal current turbine is pointed out.Key words ：renewable energy ；tidal current energy ；tidal current turbine ；research status 图1潮流水轮机的结构分类

Fig.1Structural classification of tidal current turbine

水平轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向平行，如图1（a ）所示，主要利用水流对叶片的升力作

潮流方向

（a ）水平轴水轮机!!!!!!!!!!!

旋转轴

海平面

（b ）竖轴水轮机海平面

潮流方向

!!!!!!!!!!!旋转轴

旋转轴

（c ）横轴水轮机

海平面

!!!!!!!!!!!

潮流方向

戴军，等潮流水轮机的研究进展

用，由于与传统轴流式水轮机相似，所以有时也称为轴流式水轮机。竖轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面垂直，如图1（b）所示。横轴水轮机：旋转轴轴向与水流方向垂直，与海平面平行，如图1（c）所示。

1.1水平轴水轮机

水平轴水轮机正对水流方向时，发电功率较大。当水流方向与旋转轴方向有夹角时，其获能利用率迅速下降，一般须要安装偏航控制系统来调节，以提高发电输出功率。水轮机结构类似于水平轴风力机，须要固定于海床或悬挂于浮体之下，它的叶片形状、个数、间矩以及安装角度等直接影响水轮机的性能。此类结构最具代表的水轮机是英国MCT公司的SeaFlow和SeaGen[6]。SeaFlow是英国贸易工业部经费支持下的第一个工程项目，转子直径为11m，在2.5m/s流速下的额定发电功率为300kW，设计效率为27%，在英国北德文郡的布里斯托尔海峡测试的效率为40%。SeaGen则是双转子型的SeaFlow，发电功率为1.2MW，是世界上第一个兆瓦级潮流水轮机，于2008年11月建成，已进入试运行阶段。由于大型水平轴风力机的快速发展，推动了潮流水平轴水轮机的工程应用进程，已具备工业制造生产的能力，是最具商业发展前景的潮流水轮机结构。

1.2竖轴水轮机

竖轴水轮机的旋转轴与水平面垂直，不受水流方向的影响，不仅减少了偏航机械系统的设计，还可以直接通过旋转轴将扭矩输出，减小机械传动损失。根据叶片的结构，竖轴水轮机分为H-Darrieus式、O-Darrieus式、Savonius式以及Gorlov式等。D式与S式结构在垂直轴风力机方面得到了广泛的应用。1994年，美国东北大学Gorlov教授基于Darrieus风力机的结构，发明了Gorlov式水轮机，是垂直轴水轮机中的重要结构类型之一。Gorlov式水轮机采用非传统的螺旋式叶片，将叶片旋转一定角度，当叶片转动时，阻力与升力都能有效地产生对转动轴的力矩。在1998年的项目技术报告中，Gorlov表示三叶片转子的效率稳定在35%左右[3]，并且对倾斜角的大小进行了优化分析计算，得出不同尺寸结构的最佳倾斜角，以获得最大的扭转力矩。竖轴水轮机不仅结构简单，方便工程制造，而且具有良好的力学性能，近年来许多学者和研究机构对其产生兴趣，进行了大量的研究。

1.3横轴水轮机

横轴水轮机与竖轴水轮机结构相似，只是放置方式不同，常将两种水轮机统称为垂直轴水轮机。如文献[7]所述的横轴转子就是一种横轴水轮机结构，它的旋转轴与水平面平行，获能利用率受水流方向的影响，因其不便配置偏航机械结构，安装方式和位置受到一定的限制。一般通过固定横轴水轮机的两端，将其安装在跨桥下面，或以类型浮桥的形式固定在特定河道两岸。横轴水轮机因其应用的局限性，常被竖轴水轮机所代替。多数资料中所说的垂直轴水轮机特指竖轴水轮机，因此本文在后面以竖轴式为主介绍垂直轴水轮机。

1.4获能利用效率

根据贝茨极限理论，水平轴水轮机与竖轴水轮机的利用效率均不会超过59%。由于水平轴水轮机借助水平轴风力机和螺旋桨的成熟科研成果，取得了快速的发展，其获能利用率达到40%左右。竖轴水轮机的研究来源于垂直轴风力机，起步相对较晚，基础理论和设计方法还处于发展阶段，其获能利用率在25%～40%。潮流水轮机在水下运行，为了不影响海洋生物自由通过，其转速为20～25r/min。

2潮流水轮机的国内外研究现状

早期，人们采用转桨式、混流式、水戽式等传统水轮机，利用河流、海流、潮流等水流动能进行发电。由于水流低水头的特性降低了获能利用率，增加了发电成本，机组单位成本较高，不适合应用在潮流发电技术上，因此，传统水轮机没有得到应用和推广[3]，[4]。何世钧曾采用装在船尾的两台卧轴螺旋浆式水轮机，通过油压传动发电，在流速3 m/s下机组输出功率为5.7kW[8]，验证了潮流发电的可行性，说明传统水轮机用于潮流发电不仅效率低，而且不经济。

2.1国内外发展情况

20世纪70年代，IT Powe公司可再生能源技术顾问Peter开始进行潮流水轮机的研究，在苏丹进行了两年多的实地测试。90年代末，该公司得到欧盟委员会和英国政府的经费支持，成立了MCT公司，先后开展了Seaflow和SeaGen项目的研究，是目前最成功的一种水平轴水轮机结构。

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