潮流能利用技术

潮流能利用技术潮流能发电技术是近年来发展迅速的新技术。潮流能发电装置的关键技术是潮流能获取装置。近一、二十年来，人们提出了五花八门的潮流能获取系统，但大部分为旋转类水轮机。又由于潮流能发电和风力发电都是利用流体的动能发电，故许多潮流能获取装置的灵感都来源于各种风力机，采用了许多类似风力机的结构。水平轴潮流能水轮机水平轴潮流能水轮机又称轴流叶轮水轮机，这种水轮机类似于常见大型风力机，其水流方向与旋转轴平行，利用水流推动叶轮旋转桨叶发电。水平轴潮流能水轮机又可按结构分为风车式、空心贯流式和导流罩式。风车式潮流能水轮机(水下风车)风车式潮流能水轮机是目前技术比较成熟、发展最快的机型。风车式潮流能水轮机的工作原理和结构都与现代风力机类似，其水轮机翼型叶片可以是固定的，也可以是可调的。风车式潮流能水轮机结构简单，稳定性较好，获能系数较高。目前，风车式潮流能水轮机已为许多公司所推崇采用，其主要代表有英国洋流水轮机公司(MarineCurrentTurbines,Ltd.,MCT)、英国SMD公司和美国绿色能源公司(VerdantPowerCo.)公司等。英国MCT公司是当代潮流能发电技术的领航者。该公司于2000年由英国IT动力(ITPower)公司、Seacore公司、Bendalls公司和Corus英国公司共同出资组建而成。而IT动力公司是一家著名英国咨询公司，该公司从1990年代中期开始研究潮流能发电。MCT公司成立后，规划分三阶段开发风车式潮流能水轮机。第一阶段代号为“SeaFlow”，在英国德文郡的Lynmouth研制一台300kW潮流能发电装置(图3)，该装置水轮机转子直径11m，于2022年5月建成发电；第二阶段的代号为“SeaGen”，研制了一台潮流能发电装置(图4、图5)。2022年5月，世界上首台商用潮流能发电装置——“SeaGen”在北爱尔兰Strangford湖并网投入运行；第三阶段从2022年开始，实现“SeaGen”水轮机的小批量生产。目前,MCT公司正为北威尔士和加拿大批量生产SeaGen的潮流能发电机；为威尔士Anglesey岛潮流电场制造7台15MW风车式潮流发电机组，首台机组预计2022年投运发电。图3SeaFlow型300kW潮流能发电装置图4SeaGen型潮流能发电装置(水轮机浸没于海水中)“SeaGen”机组是目前世界上投入商业运行的最大潮流能发电机组。该机组额定功率(现已超发)。水轮机转子直径16m，额定流速s，最低工作流速为s，设计获能系数，装置传动比为，水轮机转子额定转速为min。潮流发电装置的桩柱高，直径，横梁长29m。整个装置包括2台可调双叶片式水轮机，分别固定在横梁的两端。“SeaGen”水轮机的叶片可180º变距，因此机组在退潮和涨潮时均可发电。英国潮流(TidalStream)公司开发了一种称为“Triton”的潮流能发电装置。“Triton”机组与“SeaGen”机组异曲同工。英国潮流能公司已在法国沿海对3m高的原型装置进行了测试(图6),预计全尺寸60m高的“Triton”机组可以发电10MW。图5SeaGen型潮流能发电装置(水轮机提升到海面以上)图6正在海下进行测试的“Triton”型潮流能发电装置德国Voith公司研制的1MW水平轴潮流发电机组见图7。此前，该公司曾为韩国研制同型号的300kW机组。图7德国Voith公司研制的300kW水平轴潮流能发电装置英国SMDHydrovision设计的“TidEL”风车式潮流能水轮机见图8。单个转子的旋转直径为，在流速s下可以发电1MW。英国洋流能源公司(OceanFlowEnergy,OFE)在北爱尔兰Strangford测试了一种称为Evopod的半潜式潮流能发电装置样机(图9)。图8英国SMD公司的TidEL型1MW水平轴潮流能水轮机图9英国OFE公司的Evopod型潮流能发电装置美国绿色能源(VerdantPower)公司在Roosevelt岛潮汐工程(RITE)中采用固定式倾角式三叶式风车式水轮机(图10)。水轮机转子直径5m，额定流速s，额定功率。机组于2022年投入运行。但因设计不当，运行中叶片断裂，后采取加强措施，于2022年9月重新投入运行。图10美国绿色能源公司的三叶片水平轴潮汐能水轮机挪威HammerfestStorm公司研制了底座式三叶片水平轴潮汐能水轮机(图11)。模型机于2022年在挪威Kvalsund安装，经四年运行测试，已正式并网发电。现正在研制1MW全尺寸样机HS1000。图11挪威HammerfestStorm公司的水平轴潮流能发电机法国Hydrohelix公司于2022年完成了转子直径3m的水平轴水轮机的测试(图12)。图12法国Hydrohelix公司的水平轴潮流能水轮机空心贯流式潮流能水轮机空心贯流式潮流能水轮机的代表是爱尔兰OpenHydro公司和加拿大CleanerCurrent公司。爱尔兰OpenHydro公司开发的空心贯流式(该公司命名为Open-Centre)水轮机如图13所示。该潮流发电装置无轴，由固定的外部环和内部的旋转盘组成，两部分上分别布置线圈和永磁铁，组成一台永磁发电机。OpenHydro公司研制的250kW示范样机已在Orkney岛成功并网发电，目前该公司正研制1520kW双转子空心贯流式潮流能水轮机，其转子直径达15m，额定流速s。图13爱尔兰OpenHydro公司250kW“OpenCentre”型空心贯流式潮流能水轮机加拿大CleanerCurrentPower(CCP)公司研制了一台双向带聚流罩的空心贯流式水轮机，如图14所示。与“OpenCentre”类似，该水轮机本身构成一台永磁发电机。水轮机转子直径，额定功率65kW。另外，该公司还设计了一台1MW空心贯流式水轮饥，其转子直径17m，额定流速为s。图14加拿大CCP公司的空心贯流式潮流能水轮机导流罩式水平轴潮流能水轮机这种水轮机是在水平轴水轮机转子叶轮外面增加一个导流罩。导流罩具有导流、聚能的作用，可以使通过水轮机的水流能量更加集中，获能效果更高。目前采用导流罩式潮流能水轮机技术的主要公司有：英国月能(LunarEnergy)公司、美国水下风筝(UnderwaterElectricKite,UEK)公司和新加坡AtlantisResources公司等。英国LunarEnergy公司潮流能发电装置技术来源于英国Rotch公司的RTT(RotechTidalTurbine)技术。该公司设计的1MW导流罩式潮流能水轮机2022年完成了全尺寸装置试验，该装置如图15、16所示。导流罩的直径为15m，长度为；水轮机转子直径。另外，该公司与EON合作，计划在2022年建设一座8MW的潮流能商业电站。另外，公司正在开发2MW导流罩式水轮机，其导流罩的直径为25m，水轮机转子直径为。2022年，LunarEnergy公司与韩国Midland动力公司签订协议，将为韩国全罗南道莞岛郡Hoenggan水道潮流能电场提供300台1MW(水轮机直径潮流能发电装置，工程预计在2022年完工。图15英国月能公司的导流罩式水平轴潮流能水轮机图16英国月能公司的1MW导流罩式水平轴潮流能水轮机美国UEK公司开发的导流罩式水轮机，采用叶片固定的双转子结构，该公司研制了一台400kW导流罩式水平轴水轮机，其导流罩最大直径，水轮机转子直径4m（见图17）。图17美国UEK公司的400kW导流罩式水平轴潮流能水轮机新加坡AtlantisResources公司开发了一种深海海域的Solon型潮流能机组(图18)。它是一种带导流罩的卧式水平轴潮流能发电机组，500kWSolon型机已于2022年通过运行测试，现在开发2MW机组。图18新加坡AtlantisResources公司的Solon型导流罩式潮汐能水轮机竖轴潮流能水轮机竖轴潮流能水轮机又称横流叶片式水轮机，其工作原理与达里厄(Darreius)式竖轴风力机相似，水流方向与叶轮旋转轴垂直(横流)，桨叶有直叶片(与旋转轴平行)和螺旋形叶片两种。直叶片竖轴潮流能水轮机技术的代表是加拿大蓝能(BlueEnergy)公司。图19为蓝能公司的竖轴潮流能发电装置的示意图。从图中可以看出，位于下部的水轮机的叶片呈圆周分布，与转轴平行，水轮机通过齿轮增速箱与上部发电机相连。水轮机转子置于一导流罩中。目前，蓝能公司竖轴潮流能水轮机的最大单机功率为250kW(图20)。图19加拿大蓝能公司直叶片竖轴潮流能水轮机示意图图20加拿大蓝能公司2×250kW竖轴潮流能水轮机螺旋形叶片竖轴潮流能水轮机的另一个典型机型是美国Gorlov螺旋水轮机(GorlovHelicalTurbine)设计的螺旋叶片潮流能水轮机(图21)。Gorlov式透平机是美国波士顿西北大学开发的一种机型，它是达里厄(Darreius)式的一种变型。2022年5月，1MWGorlov式潮流能发电装置在韩国全罗南道珍岛郡的Uldolmoke潮流能发电场(图22)投入运行。这是世界上投入商业运行的首台竖轴潮流能水电机组。按照规划，该潮流能发电场将在2022年前共投产90台机组，使电站总装机容量达到90MW。图21美国GHT公司的Gorlov型螺旋叶片式竖轴潮流能水轮机图22韩国全罗南岛珍岛郡Uldolmok潮流能发电站场将装90台1MW竖轴式水轮机)英国海王星再生能源(NeptuneResources)公司也是一家著名竖轴潮流能水轮机开发公司。图23和图24为该公司的Proteus型竖轴潮流能水轮机。该装置主要由转子和导流罩组成。导流罩带有导叶，可以改变流向，减小反向力矩，提高获能效率。图23英国海王星再生能源公司的Proteus型潮流能装置图24英国海王星再生能源公司Proteus型潮流能装置的示意图同水平轴潮流能水轮机一样，为了提高聚流能力，有的竖轴潮流能水轮机也装有导流罩，如图19,23,24,25所示。图25装有导流罩的竖轴式潮流能水轮机意大利阿基米德桥(PontediArchimed,PDA)公司从1996年起开展墨西哥海峡潮流能发电研究，设计的KOBOLT也是一种直叶式竖轴潮流能水轮机(图26,27)。2022年PDA公司在墨西哥湾投运了世界上首台120kW的KOBOLT型竖轴式潮流能水轮机，其水轮机直径6m，高5m。意大利与中国合作开发的舟山潮流能发电机组也推荐采用KOBOLT机型。图26意大利PDA公司KOBOLT型潮流能水轮机示意图图27意大利PDA公司KOBOLT型竖轴潮流能水轮机其他型式潮流能获取装置除上述目前应用较多的水平轴潮流能水轮机和竖轴潮流能水轮机外，国内外还提出了许多其他型式的潮流能获取装置，下面择其部分简介如下。振荡式水翼潮流能装置图28为英国工程事务公司(EngineeringBusiness,EB)设计的一种振荡式水翼潮流能装置“Stingray”。翼型水翼通过摆臂连接，当水流流过时，升力和阻力使水翼上升，使摆臂上下摆动，驱动液压马达发电。2022年,一台150kW振荡式水翼潮流发电装置在苏格兰海域进行了测试。图28英国EB公司的振荡式水翼潮流能装置图29为英国脉动发电(PulseGeneration)公司设计的振荡式水翼潮流能装置。100kW装置已完成了测试，目前正开发1MW商用装置，预计2022年投产发电。图30为澳大利亚生物动力(BioPower)公司的振荡式水翼潮流能装置。图29英国脉动发电公司的振荡式水翼潮流能装置图30澳大利亚生物动力公司的振荡式水翼潮流能装置Savonius型潮流能装置瑞典海力(Seapower)公司在Savonius风力机基础上设计了一种阻力型潮流能水轮机“EXIM”(图31)。图32为Savonius叶片形状。从图32可以看出，该水轮机的轴截面呈S形。海力公司曾制造一台2kWSavonius型潮流能装置，在波兰革坦斯克海域进行了测试。图31瑞典海力公司的EXIM型潮流能装置图32Savonius型潮流能装置的叶片形状柔性叶片潮流能水轮机柔性叶片潮流能水轮机是中国海洋大学和中国机械科学总院联合开发的一种潮流能获取装置(图33)。该装置的基本原理类似于帆翼，柔性叶片呈三角形，具有自适应性。柔性叶片式潮流能水轮机具有结构简单、制造方便、安装容易等优点。2022年，一台5kW柔性叶片潮流能装置投入了测试运行。图33柔性叶片式潮流能装置链式潮流能装置图34、35是新加坡AltantisResources公司设计的Nereus链式潮流能装置。这种装置适用于浅海海域，叶片以一定倾角安装在链式结构上，水轮机提取潮流动能驱动链条传动，该装置于2022年7月进行了400kWNereus机型的拖拽试验，2022年12月在英国英格兰Orkn