水下风车海流能发电技术

Abstract : The underwater t urbine power generatio n t heory was analyzed aiming at it s power medium difference f ro m modern wind t urbine. According to t he co mmo nly used wind t urbine blade aerofoil and t he ocean current characteristics , t he underwater t urbine blade was designed to imp rove t he mechanical st rengt h and reliabilit y , and t he gear t rain and t he seal were al so designed by st ruct ural dynamics met hods. The fo undatio n of underwater t urbine was al so investigated based o n t he off shore wind t urbine. Then t he underwater t urbine p rotot ype was p roduced and tested in ocean. The maximum power coefficient of p roto2 t ype was higher t han 35 %. The p rotot ype can generate elect ricit y by efficiently co nverting ocean current kinetic power . Key words : underwater t urbine ; wind t urbine ; ocean current ; blade ; co mp utatio nal fluid dynamics
构和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.
水下风车与风力机相比 ,由于所利用的能量介
质不同又有其自身特点 :
Ocean current power generation technology f or under water turbine
L IN Yo ng2gang , L I Wei , L IU Ho ng2wei , MA Shun
( S t ate Key L aboratory of Fl ui d Pow er T ransmission an d Cont rol , Zhej i an g U ni versit y , H an gz hou 310027 , Chi na)
1244
浙 江 大 学 学 报 (工学版) 第 42 卷
算得到. 图 2 为仿真得到的不同攻角α下的升力系数 和阻力系数.
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.
一般小型的“水下风车”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.
Vol . 42 No . 7 J ul . 2008
林勇刚 ,李 伟 ,刘宏伟 ,马 舜
(浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室 ,浙江 杭州 310027)
摘 要 : 针对水下风车与现代风力机结构形式相似而所利用的能量介质不同的特点 ,分析机组海流能发电的原理. 依据风力机桨叶常用翼型 ,考虑海流特点 ,利用计算流体力学方法 ,设计了水下风车发电机组的桨叶 ,从机械强度 和可靠性出发 ,设计了机组的传动机构和密封机构 ,并参考海上风力机安装方式设计了水下风车机组安装结构 ,搭 建出水下风车模型样机. 通过海下试验表明 ,水下风车机组海流能最大捕获效率超过 35 % ,设计的水下风车机组能 有效地利用海流能发电. 关键词 : 水下风车 ;风力机 ;海流 ;桨叶 ;计算流体力学 中图分类号 : T K73 文献标识码 : A 文章编号 : 10082973X(2008) 0721242205
2) 根据贝兹理论 ,
P =ρv3 S Cp / 2.
(1)
式中 : 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 , Cp 为能量利用系数. 虽然
海流速度很慢 ,机组的额定流速一般设定在2 m/ s左
右 ,仅为常规风力机额定风速的 1/ 6 , 但海水密度是
空气的 8Leabharlann Baidu0 多倍 , 假定 Cp 值相同 , 对于同功率机型 , 水下风车的桨叶直径只需为风力机的 0. 519 倍.
1) 海水流动方向是有规律的 ,如由潮汐引起 ,
水流的方向为双向 ,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. 而风的变化无
规律 、瞬息万变. 因此相对于风力机 ,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.
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无法直接照搬到水下风车上 , 桨叶需自行设计. 2. 1. 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十分困难. 由于能 量捕获的工作原理与风力机相同 , 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 Cl 相对最大 、阻力系数 Cd 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 1 为桨叶 翼型 Fluent 二维仿真图.
图 1 桨叶二维仿真图 Fig. 1 Two2dimensio nal simulational figure of blade
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 ,Burto n 等人[5] 得出的距叶
轮中心 r 处的桨叶实际弦长 l 为
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 、补偿流和潮流等 ,实际上由单
(2006C11012) .
作者简介 : 林勇刚 (1976 - ) ,男 ,福建南平人 ,副研究员 ,从事新能源技术的研究. E2mail :yglin @zju. edu. cn
通讯联系人 :李伟 ,男 ,教授. E2mail :liw @zju. edu. cn
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
机组 ,2005 年又开发了 1 MW 机组 ,并计划在 2006 年安装 10 台 1 MW 的机组 ,构造小型的水下发电 场[1] . 而 2005 年 3 月 ,美国 Verdant Power 公司在 军方的资助下 ,于纽约东海岸建成 6 台 35 kW 的机 组 ,预计通过 18 个月的试验 ,将进行 200～300 台的 水下发电场建设[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.
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. 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”正是利用海流 能进行发电的一种新的能源机械系统. 2004 年 ,英 国 MC T 有限公司 ( Marine Current Turbine L t d. ) 制造第一台并网型 ,额定容量 300 kW 的水下风车
收稿日期 : 2006211217.
浙江大学学报 (工学版) 网址 : www. journals. zju. edu. cn/ eng
基金项目 : 国家自然科学基金资助项目 ( 50735004 ,50505043) ; 浙江省自然科学基金资助项目 ( Y107527) ; 浙江省科技攻关资助项目
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 2 m/ s (约 4
kn) ,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
图 2 升力系数和阻力系数曲线图 Fig. 2 Data of lift and drag coefficient
2. 1. 2 桨叶强度设计 由叶素原理[6] , 计算 r、r + d r 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 Fl 和阻力 d Fd 的合力分解为轴 向分量 d Fa 和切向分量 d Fu ,如图 3 所示.
第7期
林勇刚 ,等 :水下风车海流能发电技术
1243
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 1 830 万 kW ,年发电量可达 270 亿度. 2004 年 ,本课题组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 、传动机构和密封 3 方面进行着重研究 ,2006 年初搭建出水下风车样机 ,并于浙江省岱山县海试 发电成功.
l
=
16π 9 Cl b
· λ0
r
λ20 r2 / R2
+ 4/
. 9
(2)
式中 :λ0 为叶尖速比 ,λ0 =ωR/ v ,其中ω为叶轮转速 ;
R 为叶尖风轮半径; b 为叶轮桨叶数; Cl 由 Fluent 计
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
用于强度设计.
图 3 叶素上的力 Fig. 3 Force o n blade element
d Fa = 12ρlω2 d r( Cl co s I + Cd sin I) ,
(3)
d Fu = 12ρlω2 d r( Cl sin I + Cd co s I) .
(4)
式中 : 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 ,计算 Fa 、Fu 以及叶根处的弯 、扭矩 ,
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 , 而且同其他涡轮机械一 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 21 世纪初 ,而且还涉及到军事用途 , 很难得到相 关设计资料. 整个设计完全依靠自主研发. 2. 1 桨叶设计
第 42 卷第 7 期 2008 年 7 月
浙 江 大 学 学 报 (工学版)
Jo urnal of Zhejiang U niversity ( Engineering Science)
DO I :10. 3785/ j. issn. 10082973X. 2008. 07. 029
水下风车海流能发电技术