水平轴螺旋桨式海流能发电技术研究_李伟

水平轴螺旋桨式海流能发电技术研究

李伟林勇刚刘宏伟马舜

（浙江大学流体传动及控制国家重点实验室，杭州 310027）

摘要: 针对水平轴螺旋桨式海流能发电装置与现代风力机的异同点，分析其发电原理。依据风力机桨叶基本翼型，考虑海水密度和海流流速等特点，利用流场仿真方法，设计了“水下风车”发电机组的桨叶，并分析了机组的传动机构、密封、水下安装等关键技术的设计方案，真实搭建了“水下风车”模型样机。通过海下发电试验表明“水下风车”机组及关键元器件的设计方案可行。

关键词: 水下风车风力机海流桨叶流场仿真

0 引言

化石能源过度使用造成资源枯竭和环境恶化的问题日显突出，成为人类持续生存与发展中必须面对的重大挑战。地球表面的71％都是海洋，蕴育着巨大的可再生清洁能源，如何有效地开发利用，已成为国际学者的研究热点。“水下风车”正是利用洋流能进行发电的一种新的能源机械系统。2003年6月，英国科学家在德文郡北部海中建造世界首台机组水平轴螺旋桨式海流能发电机组，由于其结构和工作原理与现代风力机相似，故被称为“水下风车，Underwater Windmill”。2004年，英国海流发电机有限公司（Marine Current Turbine, Ltd. ，MCT）制造第一台并网型，额定容量300 kW的机组。2005年该公司又开发了1MW机组，并计划在2006年安装10台1MW的机组，构造小型的水下发电场[1]。而美国Verdant Power公司2005年3月在军方的资助下，于纽约东海岸建成6台35kW的机组，预计通过18月的试验，将进行200～300台的水下发电场的建设[2]。由此可见“水下风车”将逐步成为大规模利用海流能的有效途径之一。

我国的海流能资源丰富，可开发的“水下风车”机组装机容量据估计可达1830万千瓦，年发电量可达270亿度。2004年浙江大学流体传动及控制国家重点实验室

基金项目：国家自然基金重点项目(50735004)；国家自然基金资助项目(50505043)

作者，E-mail：Liw@

在风力机研究设计的基础上对“水下风车”进行资料收集和原理分析，在分析水下风车机组与风力机异同点的基础上，特别针对桨叶、传动机构、密封三方面进行着重研究，2006年初搭建出一台“水下风车”样机，并于浙江省岱山县海试发电成功。

1 “水下风车”海流发电原理分析

“水下风车”海流能发电机组由于其结构、工作原理与现代风力机基本相似[3]，因此而得名。机组通过叶轮捕获海流能，当海水流经桨叶时，产生垂直于水流方向的升力，使叶轮旋转，通过机械传动机构，带动发电机转动，发出电能。海水流动的起因很多，主要有风海流、密度流、补偿流、潮流等，实际上由单一原因产生的海流极少，往往是几个因子共同作用的结果，但有主次，近海以潮流为主，外海多为风海流和密度流。然而无论什么起因，对于“水下风车”机组，一般认为只要海流最大流速超过2m/s（约4Kn），便可进行开发利用。

“水下风车”机组主要由桨叶、轮毂、传动机构、密封、机舱、制动器、发电机、整流励变控制器、对水机构、塔架等关键部件组成，其中两片或三片桨叶安在轮毂上构成叶轮，传动机构、制动器、发电机、整流励变控制器和对水机构都密封于机舱内，叶轮与机舱完全浸没在水中，叶轮的方向由对水机构调节始终保持正面迎着水流，塔架对机舱起支撑固定作用。图1为英国MCT公司300kW机组的实物图。

图1 MCT “水下风车”

“水下风车”与风力机相比，由于所利用的能量介质不同又有自身特点：

（1） 海水流动方向是有规律，如由潮汐引起，水流的方向是双向，如由气候、海水密度差引起，产生的水流方向是单向。而且流速在短时间内变化幅度不大，长时间段的变化是有规律的。而风的变化是无规律、瞬息万变。因此相对与风力机，水流的稳定和可预测，对于“水下风车”机组的最优能量捕获和可靠性都是有利的。

（2） 根据贝兹理论：p SC v P 32

1ρ= （1） P 为机组捕获的能源，ρ为流体密度，v 为流体速度，S 为叶轮的扫及面积，C p 能量利用系数。虽然海流速度很慢，机组的额定流速一般设定在2m/s 左右，仅为常规风力机额定风速得1/6，但海水密度是空气的800多倍，假定C p 值相同，对于同功率机型下，“水下风车”的桨叶直径只需为风力机的0.519倍。

（3） 由于“水下风车”浸没在海中，机组不仅要防海水腐蚀，有很好的密封性，而且同其它涡轮机械一样，桨叶必须具备很好的防气蚀特性。

2 水下风车机组设计

由于国外水下风车海流能发电技术研究仅开始于二十一世纪初，而且还涉及到军事用途，所以很难得到相关设计资料。因此整个设计完全依靠自主研发。

2.1 桨叶设计

桨叶是水下风车的关键元件，直接关系到海流能捕获的效率。但是由于能量密度和流速的不同，同等直径的风力机桨叶是无法直接照搬到“水下风车”上，桨叶需自行设计。

（1） 翼型设计

“水下风车”桨叶并不是一个标准的几何体，直接设计出合适的翼型是十分困难。由于能量捕获的工作原理与风力机相同，故设计首先考虑选择常规的NACA 系列风力机标准翼型[4]，由Fluent 软件对该系列的翼型进行流场压力和气蚀仿真，选择在额定海流流速和额定叶轮转速下，升力系数C l 相对最大、阻力系数C d 相对最小，且气蚀作用不明显的翼型，并进一步修改优化翼型结构，图2为桨叶翼型Fluent 二维仿真图。

图2 桨叶二维仿真图

标准翼型数据对应的是0到1的无量纲，由翼型图可得单位尺寸下的弦长。在参考风力机空气动力学计算方法的基础上，由文献【5】得出距叶轮中心r 处的桨叶实际弦长l 为：

9

49π1622200l +=R r r b C l λλ （2） 式中v R /0ωλ=表示叶尖速比，R 为叶尖风轮半径，b 为叶轮桨叶数，升力系数C l 由Fluent 计算得到,图3为仿真得到的不同攻角α的升力系数阻力系数。

图3升力系数和阻力系数曲线图

根据实际弦长与翼型图上的弦长比值，以此放大标准翼型数据便得到所设计桨叶的真实翼型尺寸。

小型的“水下风车”一般整个桨叶只采用一种翼型，而大型机组则可以采用2、3个翼型。如果计算硬件条件合适，在翼型设计时最好采用Fluent 三维仿真。 （2）桨叶强度设计

由叶素原理[6]，计算叶轮半径r ，r ＋dr 段叶片的受力情况，为了便于最终的桨叶负载计算，将作用力升力d F l 和阻力d F d 的合力分解为轴向分量d F a （方向与主轴轴心线平行）和切向分量d F u （方向与主轴轴心线垂直），如图4所示。

()I C I C r l F a sin cos d 2

1d d l 2+=ωρ （3） ()I C I C r l F u cos sin d 2

1d d l 2+=ωρ （4） 式中ρ为海流密度，ω为叶轮转速，I 为倾斜角即攻角i 与节距角β的和。利用分段积分的方法，最终算出桨叶总的轴向力F a 、切向力F u 以及叶根处的弯、扭矩，用于

C l

C l

C d

C d

α