潮流能發(fā)電技術(shù)

1、水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng) 電氣2班 張陳 2016200498 海洋是個(gè)龐大的能源寶庫，它既是吸能器， 又是貯能器，蘊(yùn)藏著巨大的動(dòng)力資源。海水中 蘊(yùn)藏著的這一巨大的動(dòng)力資源的總稱就叫做海 洋能，它包括潮汐能、波浪能、海流能、海水 溫差能和海水鹽差能等各種不同形態(tài)的能源。 海洋能簡介 海洋能的特點(diǎn) n能量密度低，但總蘊(yùn)藏能量大，可再生； n能量隨地域時(shí)間變化，但有規(guī)律可循； n開發(fā)環(huán)境嚴(yán)酷，一次性投資大，但不污 染環(huán)境，不占用良田，可綜合利用。 潮流能的定義 潮流是與潮汐相伴而產(chǎn)生的周期性海水水平流動(dòng)， 在月亮和太陽引潮力作用下，海水做周期性的運(yùn)動(dòng)，它 包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流動(dòng)

2、， 后者即被稱為潮流。 潮流運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的動(dòng)能即為潮流能。 潮流能的特點(diǎn) 1.較強(qiáng)的規(guī)律性和可預(yù)測性； 2.功率密度大，能量穩(wěn)定，易于電網(wǎng)的發(fā) 配電管理，是一種優(yōu)秀的可再生能源； 3.潮流能的運(yùn)用形式通常是開放的，不會 對海洋環(huán)境造成大的影響。 潮流能的主要利用方式是發(fā)電。從能量轉(zhuǎn)換角度來看， 一套完整的潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（或稱為潮流能發(fā)電系統(tǒng)） 主要由潮流能捕獲系統(tǒng)（或稱為潮流能轉(zhuǎn)換裝置），能 量傳遞裝置，電能轉(zhuǎn)換裝置，控制系統(tǒng)，安裝支撐結(jié)構(gòu) 這五部分組成。 與傳統(tǒng)的需要搭建大壩并利用人工存儲的海水勢能 發(fā)電的潮汐發(fā)電機(jī)組不同，新興的潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)采用 開放式的機(jī)械結(jié)構(gòu)，不需要大型的土建工程，無

3、需巨額 的前期投資，對水道的通航影響小。利用該類系統(tǒng)發(fā)電 時(shí)，由于水下旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)部分轉(zhuǎn)速低不會產(chǎn)生大的噪音， 也不會影響到附近的海洋生物，因此可以保持良好的地 域生態(tài)環(huán)境。另外由于系統(tǒng)的大部分都放置水下，不會 影響到人們的視覺環(huán)境。 透平類的系統(tǒng) 相比目前還大多數(shù)處于概念驗(yàn)證的非透平類 系統(tǒng)，透平類的潮流能系統(tǒng)獲得了更廣泛的開發(fā)， 占據(jù)了當(dāng)前潮流系統(tǒng)中的大多數(shù)。其工作原理和 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組有很大的相似性。潮流能轉(zhuǎn)換裝置 在流體介質(zhì)中收到水動(dòng)力作用從而帶動(dòng)透平的回 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，將流體能轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)的機(jī)械能，能量 傳遞裝置將低速大扭矩的機(jī)械能進(jìn)行轉(zhuǎn)換并傳遞 至電能轉(zhuǎn)換裝置，后者將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，同 時(shí)對

4、電能進(jìn)行調(diào)節(jié)并輸出至終端?？刂葡到y(tǒng)支配 并管理整套發(fā)電裝置的運(yùn)行，而安裝支撐結(jié)構(gòu)確 保了裝置在海洋環(huán)境下工作。 透平類的與風(fēng)力發(fā)電的區(qū)別 由于海水的密度大約是空氣的800倍左右，對于相同功率等級的 機(jī)組，潮流能系統(tǒng)的葉輪直徑僅為風(fēng)力機(jī)組的1/2左右，所以其 功率體積比大。 相對于風(fēng)的瞬息萬變，潮流能的穩(wěn)定性及高可預(yù)測性對于潮流 能系統(tǒng)的控制及操作來說是比較有利。 由于流體介質(zhì)的區(qū)別，潮流能系統(tǒng)的透平裝置受到的載荷更大， 但其只需正反180度兩個(gè)方向運(yùn)行，從而可省略偏航裝置。 潮流能系統(tǒng)更方便使用聚流裝置來增加流體速度，另外旋轉(zhuǎn)部 分在水下，所以噪聲小，沒有視覺上的影響。 惡劣的海洋工作環(huán)境使潮

5、流能系統(tǒng)必須要考慮結(jié)構(gòu)腐蝕，密封， 葉片損壞，系統(tǒng)維護(hù)，大的軸向受力及氣蝕等問題 垂直軸式系統(tǒng) 在透平類潮流系統(tǒng)中，水平軸式和垂直軸式系統(tǒng)各具 特點(diǎn)。垂直軸系統(tǒng)其透平軸先分別垂直于潮流方向及水 平面，該類系統(tǒng)開發(fā)的較早，其技術(shù)優(yōu)點(diǎn)有：（1）透平 總體設(shè)計(jì)更簡單，成本低，葉片加工制作容易；（2）其 透片可適應(yīng)各方向的來流，而發(fā)電機(jī)更方便放置在水面 以上，因此可簡化對流問題，及降低水下密封部分的成 分。（3）因?yàn)槿~尖損失相對小，所以噪聲更小。（4） 安裝支撐方式更適合采用漂浮式的結(jié)構(gòu)，同時(shí)更便于采 用聚流裝置來增大流速。（5）更適合于在垂直方向上流 速不均勻的淺水海洋環(huán)境，尤其是旋轉(zhuǎn)形葉片的透平。

6、 相應(yīng)的垂直軸系統(tǒng)也有一些明顯的缺點(diǎn)：比如通常透平 的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較低，啟動(dòng)特性差，運(yùn)行時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩 脈動(dòng)，能量轉(zhuǎn)換效率較低。 1.總體性能更好，能量捕獲率高，自啟動(dòng)性能 好，轉(zhuǎn)速也相對高，更利于直驅(qū)傳動(dòng)。 2.更利于開展各種控制方法，如變速，失速， 變槳控制等。 3.相關(guān)的知識庫豐富，可利用的現(xiàn)有技術(shù)相對 較少，如風(fēng)力機(jī)和船舶螺旋槳領(lǐng)域的技術(shù)。 潮流能透平的能量捕獲原理 1 制動(dòng)盤概念及動(dòng)量定理 2.旋轉(zhuǎn)尾流效應(yīng)及角動(dòng)量定理 3.葉素理論 4.葉素動(dòng)量理論 二次能量轉(zhuǎn)換原理 傳統(tǒng)工作方法及其工作原理 在捕獲裝置之后，傳統(tǒng)的后續(xù)能量處理方法首先采用 齒輪增速箱對透平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行增速，將葉輪所具

7、有的 的低扭矩機(jī)械能轉(zhuǎn)換成高速低扭矩的機(jī)械能，再驅(qū)動(dòng)發(fā) 電機(jī)工作，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，而發(fā)電機(jī)之后的電能 處理環(huán)節(jié)取決于系統(tǒng)的能量消耗方式，若為并網(wǎng)式，則 發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)各類變頻器及并網(wǎng)控制器后調(diào)節(jié)成 電壓，頻率及相序一定的交流電，然后并入電網(wǎng)；而若 為獨(dú)立運(yùn)行式，則電能處理環(huán)節(jié)更加復(fù)雜，發(fā)電機(jī)發(fā)出 的電能通常經(jīng)整流裝置，直流變換裝置調(diào)節(jié)成電壓電流 在一定范圍內(nèi)的直流電形式進(jìn)入蓄電池組成或直流負(fù)載 中，或者再通過逆變器向交流負(fù)載供電。 新型方法及其工作原理 思路：液壓傳動(dòng)替代傳統(tǒng)的齒輪傳動(dòng)。 系統(tǒng)功率控制原理 水平軸潮流能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的功率控制主 要包括在額定流速以下的最大功率跟蹤控 制及在額

8、定流速以上的功率穩(wěn)定輸出控制 兩部分。 最大功率跟蹤控制 對于給定幾何尺寸及參數(shù)的水平軸潮流能透平，根據(jù)葉 素動(dòng)量理論，通過計(jì)算可獲得不同葉片安裝角時(shí)的軸功 率隨水流流速的變化曲線，將其無因次化可獲得不同安 裝角時(shí)的功率系數(shù)和葉尖速比的關(guān)系曲線，即潮流能透 平的功率特性曲線，典型曲線形式如圖所示。 根據(jù)控制的給定量的不同，潮流能系 統(tǒng)的最大功率跟蹤控制策略可分為直接轉(zhuǎn) 速控制和間接轉(zhuǎn)速控制兩種 直接轉(zhuǎn)矩控制 由于流速流向傳感器所測量的流速并非是上游無窮處 的流速，且流速在葉輪掃掠面上分布不均，要準(zhǔn)確獲得水 流速度是比較困難的。為了更可靠實(shí)現(xiàn)直接轉(zhuǎn)速控制，可 使用轉(zhuǎn)矩觀測器來預(yù)測葉輪的機(jī)械轉(zhuǎn)矩，再根據(jù)預(yù)測轉(zhuǎn)矩 和比例系數(shù)算出參考轉(zhuǎn)速。 間接轉(zhuǎn)矩控制 功率穩(wěn)定輸出控制原理 根據(jù)上面的潮流能透平的功率特性曲線可見，當(dāng)葉片的安裝角 逐漸增大時(shí)，功率系數(shù)曲線顯著地縮小。利用功率系數(shù)隨安裝角的 變化規(guī)律，在高于額定流速工況下，通過調(diào)節(jié)葉片安裝角，能夠有 效地降低透平葉輪的功率系數(shù)，從而