水下風力發(fā)電機組海流能發(fā)電原理與試驗研究

水下風力發(fā)電機組海流能發(fā)電原理與試驗研究

過度使用石化能源會導致資源匱乏和環(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家的研究熱點?！八聞恿Α笔且环N適用于海流能的新能源機械系統(tǒng)。2004年，英國mct有限公司（marinecurrentturbatp.a）開發(fā)了第一個擁有300mw固定容量的水下電機裝置。2006年，計劃建設(shè)10臺1mw機組，并計劃建設(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劃在紐約東部建造6臺35kv的項目。經(jīng)過18個月的測試，預(yù)計將建設(shè)200-300臺水下裝置。事實證明，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)的水下風車機組裝機容量據(jù)估計可達1830萬kW,年發(fā)電量可達270億度.2004年,本課題組在風力機研究設(shè)計的基礎(chǔ)上,對水下風車進行資料收集和原理分析,在分析水下風車機組與風力機異同點的基礎(chǔ)上,特別針對槳葉、傳動機構(gòu)和密封3方面進行著重研究,2006年初搭建出水下風車樣機,并于浙江省岱山縣海試發(fā)電成功.1水下風力機機組的組成水下風車海流能發(fā)電機組由于其結(jié)構(gòu)、工作原理與現(xiàn)代風力機基本相似,因此而得名.機組通過葉輪捕獲海流能,當海水流經(jīng)槳葉時,產(chǎn)生垂直于水流方向的升力,使葉輪旋轉(zhuǎn),通過機械傳動機構(gòu),帶動發(fā)電機轉(zhuǎn)動,發(fā)出電能.海水流動的起因很多,主要有風海流、密度流、補償流和潮流等,實際上由單一原因產(chǎn)生的海流極少,往往是幾個因子共同作用的結(jié)果,但有主次,近海以潮流為主,外海多為風海流和密度流.然而無論什么起因,對于水下風車機組,一般認為只要海流最大流速超過2m/s(約4kn),便可進行開發(fā)利用.水下風車機組主要由槳葉、輪轂、傳動機構(gòu)、密封、機艙、制動器、發(fā)電機、整流勵變控制器、對水機構(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,傳動機構(gòu)、制動器、發(fā)電機、整流勵變控制器和對水機構(gòu)都密封于機艙內(nèi),葉輪與機艙完全浸沒在水中,葉輪的方向由對水機構(gòu)調(diào)節(jié)始終保持正面迎著水流,塔架對機艙起支撐固定作用.水下風車與風力機相比,由于所利用的能量介質(zhì)不同又有其自身特點:1)海水流動方向是有規(guī)律的,如由潮汐引起,水流的方向為雙向,如由氣候、海水密度差引起,產(chǎn)生的水流方向是單向.而且流速在短時間內(nèi)變化幅度不大,長時間段的變化是有規(guī)律的.而風的變化無規(guī)律、瞬息萬變.因此相對于風力機,水流的穩(wěn)定和可預(yù)測,對于水下風車機組的最優(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,機組的額定流速一般設(shè)定在2m/s左右,僅為常規(guī)風力機額定風速的1/6,但海水密度是空氣的800多倍,假定Cp值相同,對于同功率機型,水下風車的槳葉直徑只需為風力機的0.519倍.3)由于水下風車浸沒在海中,機組不僅要防海水腐蝕,有很好的密封性,而且同其他渦輪機械一樣,槳葉必須具備很好的防氣蝕特性.2濕式汽電站設(shè)計由于國外水下風車海流能發(fā)電技術(shù)研究僅開始于21世紀初,而且還涉及到軍事用途,很難得到相關(guān)設(shè)計資料.整個設(shè)計完全依靠自主研發(fā).2.1水下風力機槳葉設(shè)計槳葉是水下風車的關(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,同等直徑的風力機槳葉無法直接照搬到水下風車上,槳葉需自行設(shè)計.2.1.1槳葉翼型的fluen仿真水下風車槳葉并不是一個標準的幾何體,直接設(shè)計出合適的翼型十分困難.由于能量捕獲的工作原理與風力機相同,設(shè)計首先考慮選擇常規(guī)的NACA系列風力機標準翼型,由Fluent軟件對該系列的翼型進行流場壓力和氣蝕仿真,選擇在額定海流流速和額定葉輪轉(zhuǎn)速下,升力系數(shù)Cl相對最大、阻力系數(shù)Cd相對最小、且氣蝕作用不明顯的翼型,并進一步修改優(yōu)化翼型結(jié)構(gòu),圖1為槳葉翼型Fluent二維仿真圖.標準翼型數(shù)據(jù)對應(yīng)的是0到1的無量綱,由翼型圖可得單位尺寸下的弦長.在參考風力機空氣動力學計算方法的基礎(chǔ)上,Burton等人得出的距葉輪中心r處的槳葉實際弦長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為葉尖風輪半徑;b為葉輪槳葉數(shù);Cl由Fluent計算得到.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)實際弦長與翼型圖上的弦長比值,以此放大標準翼型數(shù)據(jù)便得到所設(shè)計槳葉的真實翼型尺寸.一般小型的“水下風車”整個槳葉只采用一種翼型,而大型機組則可以采用2、3個翼型.如果計算硬件條件合適,在翼型設(shè)計時最好采用Fluent三維仿真.2.1.2分段積分模型由葉素原理,計算r、r+dr段葉片的受力情況,為了便于最終的槳葉負載計算,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,計算Fa、Fu以及葉根處的彎、扭矩,用于強度設(shè)計.槳葉的材料對于強度設(shè)計也十分重要.玻璃鋼是風力機槳葉常用的材料,然而海水密度是空氣的800多倍,同尺寸的水下風車槳葉負載比風力機大很多,因此在設(shè)計時,小型機組采用玻璃鋼,槳葉總量輕,自啟動效果好,對于大型機組,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,葉片迎流面的壓力較高,而葉背處壓力較低,當葉片局部壓力達到或低于該點的汽化壓力時,會出現(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.當溫度一定時,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仿真計算得到不同攻角單位弦長分布的KP.當pL=pV或-KP≤σ時,會出現(xiàn)氣蝕現(xiàn)象.葉片的形狀主要根據(jù)動力學性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計來確定.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)強度上考慮,又需要有較厚的截面,尤其在葉片根部,而這又會導致較高的阻力系數(shù).不同深度對應(yīng)的壓力也不同,其他條件不變時,隨著深度的增加可以延緩氣蝕的過早出現(xiàn),所以對于葉片,其氣蝕最先出現(xiàn)在風輪掃截面的上半部.同時葉片的尖速應(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.對于水下風車設(shè)計而言,如果僅僅為了避免氣蝕而將葉輪轉(zhuǎn)速控制很低時,則當功率一定時,葉片將需要承受很大的扭矩.因此槳葉設(shè)計時,要綜合考慮安裝深度、轉(zhuǎn)速和水流速度等綜合因素.同時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算為了盡可能減小對海洋生物生存環(huán)境的影響,機組的葉輪轉(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)電機間設(shè)計了增速箱傳動機構(gòu).增速箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計可參考風力機,然而目前風力機故障80%以上都是出自增速箱,水下風車機組的機艙置于水下,則故障維修更加困難,因此提高增速箱強度、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.由最大流速計算齒輪箱極限扭矩,對齒輪箱內(nèi)各零部件進行強度校核.由Miner法則(疲勞累積假說)可知,當量載荷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海流流速下載荷;N1,N2,…,Nn為根據(jù)試驗地海流流速變化規(guī)律,得到與T1,T2,…,Tn相對應(yīng)的循環(huán)次數(shù),此兩組數(shù)據(jù)可以畫出水下風車齒輪箱的載荷譜;Neq為當量載荷循環(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為材料的試驗指數(shù).根據(jù)載荷譜和當量載荷,可對齒輪箱輪齒、軸和軸承進行疲勞壽命計算,實現(xiàn)各零部件等壽命設(shè)計.2.3密封結(jié)構(gòu)及檢驗裝置的設(shè)計為防止海水進入機艙,對內(nèi)部發(fā)電機等電氣元件造成損壞,整個機艙必須處于完全密封,其中主軸與箱壁間以及對水機構(gòu)與塔架、機艙間的密封最為復(fù)雜,密封處存在旋轉(zhuǎn)運動屬于活動軸系密封.在設(shè)計中,船尾軸密封、機械密封、活動環(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行綜合考慮.此外由于海水沙土會對密封面造成磨損,需設(shè)計防沙外罩或在機艙內(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.由于密封對于水下風車機組設(shè)計是十分重要,若直到機組安置到海水下時,才發(fā)現(xiàn)泄漏問題,將會造成電氣元件的損壞,而且再次吊裝維修的成本也相當高.課題組結(jié)合現(xiàn)有條件,設(shè)計了機艙密封檢驗裝置,即由空壓機向機艙內(nèi)充入高于安裝地水壓的壓縮空氣,機組的主軸由電動機帶動,模擬機組水下工作,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水下風機的安裝對于海上風力機而言,機組的海上安裝是海上風電場建設(shè)的難點之一,并會花費大量資金,據(jù)歐洲海上風電場建設(shè)經(jīng)濟評估資料表明:機組的水下安裝約占風電場總成本的24%,而風力機組的成本僅占30%.如同海上風力機一樣,水下風車海流發(fā)電機組的安裝是其中極為關(guān)鍵的技術(shù)之一.參考海上風力機的安裝,依據(jù)安裝地水深的不同,水下風車海流發(fā)電機組的安裝方式如圖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)機構(gòu)的重力使機組保持垂直,其結(jié)構(gòu)簡單、造價低、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,安裝深度取決于機組型號和海底地質(zhì)成分.打樁基礎(chǔ)制造簡單,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組塔架連接;④漂浮式浮體與水下風車機組連接,漂浮于水下,機組底部由錨泊裝置固定.3模型樣機試驗經(jīng)過一年多的設(shè)計研發(fā)并結(jié)合海域?qū)嵉卣{(diào)查,2006年初研制出水下風車海流能發(fā)電機組模型樣機,基本設(shè)計參數(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.第一輪模型樣機試驗的主要目的是驗證水下風車海流能發(fā)電原理,為了吊裝方便,試驗地選定為兩個島嶼間的橋下,海水流動主要是由潮汐引起,落潮時,可露出海底,便于機組的安裝,漲潮時,水位最深可達4m,超過機組總高,足以完成海流發(fā)電試驗(實際上,水下風車安裝時,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為模型樣機現(xiàn)場試驗圖,此時剛剛漲潮,故機組基本露在水面上.當海水漲過葉輪中心時,槳葉在海流作用下開始旋轉(zhuǎn),機組便有電能輸出,當海水完全淹沒葉輪后,由于此時海水上漲接近最高點,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,如圖9所示.經(jīng)過兩天兩夜的試驗結(jié)束后,將機組吊起,打開機艙蓋,進行全面檢查,機艙內(nèi)沒有漏水,槳葉、傳動機構(gòu)和密封等機械零部件完好