水下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組海流能發(fā)電原理與試驗(yàn)研究

水下風(fēng)力發(fā)電機(jī)組海流能發(fā)電原理與試驗(yàn)研究

過度使用石化能源會(huì)導(dǎo)致資源匱乏和環(huán)境惡化的問題。世界上71%的地殼都是海洋，產(chǎn)生了巨大的可再生清潔能源。如何有效利用這一問題已成為國際科學(xué)家的研究熱點(diǎn)?！八聞?dòng)力”是一種適用于海流能的新能源機(jī)械系統(tǒng)。2004年，英國mct有限公司（marinecurrentturbatp.a）開發(fā)了第一個(gè)擁有300mw固定容量的水下電機(jī)裝置。2006年，計(jì)劃建設(shè)10臺(tái)1mw機(jī)組，并計(jì)劃建設(shè)小型水下裝置。2005年3月，在軍事支持下，美國威頓能源公司計(jì)劃在紐約東部建造6臺(tái)35kv的項(xiàng)目。經(jīng)過18個(gè)月的測(cè)試，預(yù)計(jì)將建設(shè)200-300臺(tái)水下裝置。事實(shí)證明，水下設(shè)備逐漸成為最大的利用海流能的有效手段之一。我國的海流能資源豐富,可開發(fā)的水下風(fēng)車機(jī)組裝機(jī)容量據(jù)估計(jì)可達(dá)1830萬kW,年發(fā)電量可達(dá)270億度.2004年,本課題組在風(fēng)力機(jī)研究設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,對(duì)水下風(fēng)車進(jìn)行資料收集和原理分析,在分析水下風(fēng)車機(jī)組與風(fēng)力機(jī)異同點(diǎn)的基礎(chǔ)上,特別針對(duì)槳葉、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和密封3方面進(jìn)行著重研究,2006年初搭建出水下風(fēng)車樣機(jī),并于浙江省岱山縣海試發(fā)電成功.1水下風(fēng)力機(jī)機(jī)組的組成水下風(fēng)車海流能發(fā)電機(jī)組由于其結(jié)構(gòu)、工作原理與現(xiàn)代風(fēng)力機(jī)基本相似,因此而得名.機(jī)組通過葉輪捕獲海流能,當(dāng)海水流經(jīng)槳葉時(shí),產(chǎn)生垂直于水流方向的升力,使葉輪旋轉(zhuǎn),通過機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu),帶動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),發(fā)出電能.海水流動(dòng)的起因很多,主要有風(fēng)海流、密度流、補(bǔ)償流和潮流等,實(shí)際上由單一原因產(chǎn)生的海流極少,往往是幾個(gè)因子共同作用的結(jié)果,但有主次,近海以潮流為主,外海多為風(fēng)海流和密度流.然而無論什么起因,對(duì)于水下風(fēng)車機(jī)組,一般認(rèn)為只要海流最大流速超過2m/s(約4kn),便可進(jìn)行開發(fā)利用.水下風(fēng)車機(jī)組主要由槳葉、輪轂、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、密封、機(jī)艙、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、整流勵(lì)變控制器、對(duì)水機(jī)構(gòu)和塔架等關(guān)鍵部件組成,其中兩片或三片槳葉安在輪轂上構(gòu)成葉輪,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、制動(dòng)器、發(fā)電機(jī)、整流勵(lì)變控制器和對(duì)水機(jī)構(gòu)都密封于機(jī)艙內(nèi),葉輪與機(jī)艙完全浸沒在水中,葉輪的方向由對(duì)水機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)始終保持正面迎著水流,塔架對(duì)機(jī)艙起支撐固定作用.水下風(fēng)車與風(fēng)力機(jī)相比,由于所利用的能量介質(zhì)不同又有其自身特點(diǎn):1)海水流動(dòng)方向是有規(guī)律的,如由潮汐引起,水流的方向?yàn)殡p向,如由氣候、海水密度差引起,產(chǎn)生的水流方向是單向.而且流速在短時(shí)間內(nèi)變化幅度不大,長(zhǎng)時(shí)間段的變化是有規(guī)律的.而風(fēng)的變化無規(guī)律、瞬息萬變.因此相對(duì)于風(fēng)力機(jī),水流的穩(wěn)定和可預(yù)測(cè),對(duì)于水下風(fēng)車機(jī)組的最優(yōu)能量捕獲和可靠性都是有利的.2)根據(jù)貝茲理論,P=ρv3SCp/2.(1)式中:P為機(jī)組捕獲的能源,ρ為流體密度,v為流體速度,S為葉輪的掃及面積,Cp為能量利用系數(shù).雖然海流速度很慢,機(jī)組的額定流速一般設(shè)定在2m/s左右,僅為常規(guī)風(fēng)力機(jī)額定風(fēng)速的1/6,但海水密度是空氣的800多倍,假定Cp值相同,對(duì)于同功率機(jī)型,水下風(fēng)車的槳葉直徑只需為風(fēng)力機(jī)的0.519倍.3)由于水下風(fēng)車浸沒在海中,機(jī)組不僅要防海水腐蝕,有很好的密封性,而且同其他渦輪機(jī)械一樣,槳葉必須具備很好的防氣蝕特性.2濕式汽電站設(shè)計(jì)由于國外水下風(fēng)車海流能發(fā)電技術(shù)研究?jī)H開始于21世紀(jì)初,而且還涉及到軍事用途,很難得到相關(guān)設(shè)計(jì)資料.整個(gè)設(shè)計(jì)完全依靠自主研發(fā).2.1水下風(fēng)力機(jī)槳葉設(shè)計(jì)槳葉是水下風(fēng)車的關(guān)鍵元件,直接關(guān)系到海流能捕獲的效率.但是由于能量密度和流速的不同,同等直徑的風(fēng)力機(jī)槳葉無法直接照搬到水下風(fēng)車上,槳葉需自行設(shè)計(jì).2.1.1槳葉翼型的fluen仿真水下風(fēng)車槳葉并不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的幾何體,直接設(shè)計(jì)出合適的翼型十分困難.由于能量捕獲的工作原理與風(fēng)力機(jī)相同,設(shè)計(jì)首先考慮選擇常規(guī)的NACA系列風(fēng)力機(jī)標(biāo)準(zhǔn)翼型,由Fluent軟件對(duì)該系列的翼型進(jìn)行流場(chǎng)壓力和氣蝕仿真,選擇在額定海流流速和額定葉輪轉(zhuǎn)速下,升力系數(shù)Cl相對(duì)最大、阻力系數(shù)Cd相對(duì)最小、且氣蝕作用不明顯的翼型,并進(jìn)一步修改優(yōu)化翼型結(jié)構(gòu),圖1為槳葉翼型Fluent二維仿真圖.標(biāo)準(zhǔn)翼型數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的是0到1的無量綱,由翼型圖可得單位尺寸下的弦長(zhǎng).在參考風(fēng)力機(jī)空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法的基礎(chǔ)上,Burton等人得出的距葉輪中心r處的槳葉實(shí)際弦長(zhǎng)l為l=16π9Clb?rλ0λ20r2/R2+4/9√.(2)l=16π9Clb?rλ0λ02r2/R2+4/9.(2)式中:λ0為葉尖速比,λ0=ωR/v,其中ω為葉輪轉(zhuǎn)速;R為葉尖風(fēng)輪半徑;b為葉輪槳葉數(shù);Cl由Fluent計(jì)算得到.圖2為仿真得到的不同攻角α下的升力系數(shù)和阻力系數(shù).根據(jù)實(shí)際弦長(zhǎng)與翼型圖上的弦長(zhǎng)比值,以此放大標(biāo)準(zhǔn)翼型數(shù)據(jù)便得到所設(shè)計(jì)槳葉的真實(shí)翼型尺寸.一般小型的“水下風(fēng)車”整個(gè)槳葉只采用一種翼型,而大型機(jī)組則可以采用2、3個(gè)翼型.如果計(jì)算硬件條件合適,在翼型設(shè)計(jì)時(shí)最好采用Fluent三維仿真.2.1.2分段積分模型由葉素原理,計(jì)算r、r+dr段葉片的受力情況,為了便于最終的槳葉負(fù)載計(jì)算,將作用力升力dFl和阻力dFd的合力分解為軸向分量dFa和切向分量dFu,如圖3所示.dFa=12ρlω2dr(ClcosI+CdsinI),(3)dFa=12ρlω2dr(ClcosΙ+CdsinΙ),(3)dFu=12ρlω2dr(ClsinI+CdcosI).(4)dFu=12ρlω2dr(ClsinΙ+CdcosΙ).(4)式中:I為傾斜角,即攻角i與節(jié)距角β的和.利用分段積分的方法,計(jì)算Fa、Fu以及葉根處的彎、扭矩,用于強(qiáng)度設(shè)計(jì).槳葉的材料對(duì)于強(qiáng)度設(shè)計(jì)也十分重要.玻璃鋼是風(fēng)力機(jī)槳葉常用的材料,然而海水密度是空氣的800多倍,同尺寸的水下風(fēng)車槳葉負(fù)載比風(fēng)力機(jī)大很多,因此在設(shè)計(jì)時(shí),小型機(jī)組采用玻璃鋼,槳葉總量輕,自啟動(dòng)效果好,對(duì)于大型機(jī)組,可借鑒輪船螺旋槳的材料,采用錳鋁合金銅、鈦合金或環(huán)氧樹脂.2.1.3密度vz由于浸沒在水中的槳葉旋轉(zhuǎn)時(shí),葉片迎流面的壓力較高,而葉背處壓力較低,當(dāng)葉片局部壓力達(dá)到或低于該點(diǎn)的汽化壓力時(shí),會(huì)出現(xiàn)氣泡.不同半徑處的攻角和入流速度是不同的,迎流速度的提高和攻角的增大使葉背處的壓降更加明顯.當(dāng)溫度一定時(shí),液體的汽化壓力是恒定的,所以氣蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)與否可以根據(jù)葉片周圍液體局部壓力分布的大小來判斷.可用汽化系數(shù)σ或壓力系數(shù)KP來表示:σ=p0?pv0.5ρv2z=patm+ρgh?pv0.5ρv2z,(5)σ=p0-pv0.5ρvz2=patm+ρgh-pv0.5ρvz2,(5)KP=pL?p00.5ρv2z.(6)ΚΡ=pL-p00.5ρvz2.(6)式中:ρ為水的密度,kg/m3;h為水的深度,m;vz為自由來流的速度,m/s;p0為參考靜壓力,等于patm+ρgh,Pa;patm為大氣壓力,Pa;pv為汽化壓力,Pa;pL為局部壓力,Pa.圖4為通過Fluent仿真計(jì)算得到不同攻角單位弦長(zhǎng)分布的KP.當(dāng)pL=pV或-KP≤σ時(shí),會(huì)出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象.葉片的形狀主要根據(jù)動(dòng)力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來確定.為了盡可能地提高葉片效率,要增大葉片的Cl工作范圍和攻角變化范圍,同時(shí)結(jié)構(gòu)上也要盡量避免氣蝕的發(fā)生,如圖5所示.從效率的角度看,要減小Cd.而從結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上考慮,又需要有較厚的截面,尤其在葉片根部,而這又會(huì)導(dǎo)致較高的阻力系數(shù).不同深度對(duì)應(yīng)的壓力也不同,其他條件不變時(shí),隨著深度的增加可以延緩氣蝕的過早出現(xiàn),所以對(duì)于葉片,其氣蝕最先出現(xiàn)在風(fēng)輪掃截面的上半部.同時(shí)葉片的尖速應(yīng)該足夠低以保證其不出現(xiàn)氣蝕,而隨著深度的不同,允許的最大尖速也是不同的.對(duì)于水下風(fēng)車設(shè)計(jì)而言,如果僅僅為了避免氣蝕而將葉輪轉(zhuǎn)速控制很低時(shí),則當(dāng)功率一定時(shí),葉片將需要承受很大的扭矩.因此槳葉設(shè)計(jì)時(shí),要綜合考慮安裝深度、轉(zhuǎn)速和水流速度等綜合因素.同時(shí)在槳葉的表面加覆上碳纖維,可以起到減小海水內(nèi)沙土磨損和氣蝕損傷的作用.2.2水下車輛載荷譜的計(jì)算為了盡可能減小對(duì)海洋生物生存環(huán)境的影響,機(jī)組的葉輪轉(zhuǎn)速比較低,額定轉(zhuǎn)速一般設(shè)定為每分鐘十幾轉(zhuǎn),因此在葉輪和發(fā)電機(jī)間設(shè)計(jì)了增速箱傳動(dòng)機(jī)構(gòu).增速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參考風(fēng)力機(jī),然而目前風(fēng)力機(jī)故障80%以上都是出自增速箱,水下風(fēng)車機(jī)組的機(jī)艙置于水下,則故障維修更加困難,因此提高增速箱強(qiáng)度、疲勞壽命尤為重要.增速箱扭矩T=9550P/n.(7)式中:P為輸出功率,n為轉(zhuǎn)速.由最大流速計(jì)算齒輪箱極限扭矩,對(duì)齒輪箱內(nèi)各零部件進(jìn)行強(qiáng)度校核.由Miner法則(疲勞累積假說)可知,當(dāng)量載荷Teq=(N1Tp1+N2Tp2+?+NnTpnNeq)1/p.(8)Τeq=(Ν1Τ1p+Ν2Τ2p+?+ΝnΤnpΝeq)1/p.(8)式中:T1,T2,…,Tn為按照大小排列的各級(jí)海流流速下載荷;N1,N2,…,Nn為根據(jù)試驗(yàn)地海流流速變化規(guī)律,得到與T1,T2,…,Tn相對(duì)應(yīng)的循環(huán)次數(shù),此兩組數(shù)據(jù)可以畫出水下風(fēng)車齒輪箱的載荷譜;Neq為當(dāng)量載荷循環(huán)次數(shù),等于大于50%名義轉(zhuǎn)矩所有載荷的循環(huán)次數(shù)總和;p為材料的試驗(yàn)指數(shù).根據(jù)載荷譜和當(dāng)量載荷,可對(duì)齒輪箱輪齒、軸和軸承進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算,實(shí)現(xiàn)各零部件等壽命設(shè)計(jì).2.3密封結(jié)構(gòu)及檢驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)為防止海水進(jìn)入機(jī)艙,對(duì)內(nèi)部發(fā)電機(jī)等電氣元件造成損壞,整個(gè)機(jī)艙必須處于完全密封,其中主軸與箱壁間以及對(duì)水機(jī)構(gòu)與塔架、機(jī)艙間的密封最為復(fù)雜,密封處存在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)屬于活動(dòng)軸系密封.在設(shè)計(jì)中,船尾軸密封、機(jī)械密封、活動(dòng)環(huán)密封等結(jié)構(gòu)都是可采用方式,具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要根據(jù)海水壓力、軸的轉(zhuǎn)速以及密封造成的摩擦損失等因素進(jìn)行綜合考慮.此外由于海水沙土?xí)?duì)密封面造成磨損,需設(shè)計(jì)防沙外罩或在機(jī)艙內(nèi)安置水泵產(chǎn)生高于密封面周圍水壓兩倍的水柱沖洗密封接觸面,如圖6所示.由于密封對(duì)于水下風(fēng)車機(jī)組設(shè)計(jì)是十分重要,若直到機(jī)組安置到海水下時(shí),才發(fā)現(xiàn)泄漏問題,將會(huì)造成電氣元件的損壞,而且再次吊裝維修的成本也相當(dāng)高.課題組結(jié)合現(xiàn)有條件,設(shè)計(jì)了機(jī)艙密封檢驗(yàn)裝置,即由空壓機(jī)向機(jī)艙內(nèi)充入高于安裝地水壓的壓縮空氣,機(jī)組的主軸由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng),模擬機(jī)組水下工作,在密封面涂上肥皂水,檢查是否有氣泡產(chǎn)生,即為泄漏.2.4水下風(fēng)機(jī)的安裝對(duì)于海上風(fēng)力機(jī)而言,機(jī)組的海上安裝是海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)的難點(diǎn)之一,并會(huì)花費(fèi)大量資金,據(jù)歐洲海上風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)經(jīng)濟(jì)評(píng)估資料表明:機(jī)組的水下安裝約占風(fēng)電場(chǎng)總成本的24%,而風(fēng)力機(jī)組的成本僅占30%.如同海上風(fēng)力機(jī)一樣,水下風(fēng)車海流發(fā)電機(jī)組的安裝是其中極為關(guān)鍵的技術(shù)之一.參考海上風(fēng)力機(jī)的安裝,依據(jù)安裝地水深的不同,水下風(fēng)車海流發(fā)電機(jī)組的安裝方式如圖7所示,主要可分為:重力式、打樁式、支架式和漂浮式4種:①重力式利用混凝土或鋼鐵沉箱基礎(chǔ)機(jī)構(gòu)的重力使機(jī)組保持垂直,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、受海底地質(zhì)成分影響不大,但需要海底地貌勘查,其尺寸和重量都比較大;②打樁式一般采用鋼管式,安裝深度取決于機(jī)組型號(hào)和海底地質(zhì)成分.打樁基礎(chǔ)制造簡(jiǎn)單,但受海底地質(zhì)條件和水深的約束較大,安裝需專用設(shè)備;③多樁式一般為三角樁,樁徑較小,鋼管樁通過灌漿或樁模與機(jī)組塔架連接;④漂浮式浮體與水下風(fēng)車機(jī)組連接,漂浮于水下,機(jī)組底部由錨泊裝置固定.3模型樣機(jī)試驗(yàn)經(jīng)過一年多的設(shè)計(jì)研發(fā)并結(jié)合海域?qū)嵉卣{(diào)查,2006年初研制出水下風(fēng)車海流能發(fā)電機(jī)組模型樣機(jī),基本設(shè)計(jì)參數(shù):額定功率為5kW,額定流速為2m/s,葉輪額定轉(zhuǎn)速為50r/min,葉輪半徑為1.3m,鑒于機(jī)組整體結(jié)構(gòu)很小,并沒有采用海底打樁,而采用重力方式,支架底部加配重,利用自重固定于水下.2006年3月于浙江省岱山縣海試發(fā)電成功.第一輪模型樣機(jī)試驗(yàn)的主要目的是驗(yàn)證水下風(fēng)車海流能發(fā)電原理,為了吊裝方便,試驗(yàn)地選定為兩個(gè)島嶼間的橋下,海水流動(dòng)主要是由潮汐引起,落潮時(shí),可露出海底,便于機(jī)組的安裝,漲潮時(shí),水位最深可達(dá)4m,超過機(jī)組總高,足以完成海流發(fā)電試驗(yàn)(實(shí)際上,水下風(fēng)車安裝時(shí),要求葉輪應(yīng)低于落潮的最低水位,保證漲潮、落潮都能發(fā)電).圖8為模型樣機(jī)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖,此時(shí)剛剛漲潮,故機(jī)組基本露在水面上.當(dāng)海水漲過葉輪中心時(shí),槳葉在海流作用下開始旋轉(zhuǎn),機(jī)組便有電能輸出,當(dāng)海水完全淹沒葉輪后,由于此時(shí)海水上漲接近最高點(diǎn),水流的速度反而降低,流速約為1.3m/s,輸出功率僅在2kW左右波動(dòng),如圖9所示.經(jīng)過兩天兩夜的試驗(yàn)結(jié)束后,將機(jī)組吊起,打開機(jī)艙蓋,進(jìn)行全面檢查,機(jī)艙內(nèi)沒有漏水,槳葉、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和密封等機(jī)械零部件完好