2.5 kW海上儀器潮流能電能補(bǔ)充裝置試驗(yàn)

朱挽強(qiáng)，吳百公，趙　陽(yáng)，陳健梅，董永軍，張雪明

（東北師范大學(xué)　物理學(xué)院,吉林省先進(jìn)能源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林　長(zhǎng)春　130024）

2.5 kW海上儀器潮流能電能補(bǔ)充裝置試驗(yàn)

朱挽強(qiáng)，吳百公，趙陽(yáng)，陳健梅，董永軍，張雪明

（東北師范大學(xué)物理學(xué)院,吉林省先進(jìn)能源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用創(chuàng)新重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林長(zhǎng)春130024）

隨著陸地資源日益枯竭，海洋成為人類(lèi)生存和發(fā)展的廣闊空間。針對(duì)海洋的研究不斷擴(kuò)大，海洋觀(guān)測(cè)儀器日益增多，決定海上儀器工作時(shí)間的關(guān)鍵就是其內(nèi)部電源的供電能力。在國(guó)家海洋能專(zhuān)項(xiàng)資金課題支持下，設(shè)計(jì)了一種利用海洋潮流能發(fā)電的2.5 kW拖曳式水平軸潮流能發(fā)電裝置，為大型海洋浮標(biāo)裝置提供可靠的水下電能補(bǔ)充，通過(guò)拖動(dòng)試驗(yàn)及海上試驗(yàn)表明該裝置啟動(dòng)流速低、可靠性高。

潮流能；海上儀器供電；海上試驗(yàn)

能源是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源的開(kāi)發(fā)利用極大地推進(jìn)了世界經(jīng)濟(jì)和人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展[1]。海洋能是可再生能源的重要組成部分，包括波浪能、潮流能、潮汐能、溫差能、鹽差能等。海洋能蘊(yùn)藏的能量巨大，并廣泛地分布在地球71%的表面，聯(lián)合國(guó)教科文組織出版的《海洋能開(kāi)發(fā)》認(rèn)為，全球各種海洋能的理論可再生功率約為7.66×1010kW[2]。其中潮汐能（含潮流能）、海流能儲(chǔ)量達(dá)到3.6×109kW，技術(shù)可用儲(chǔ)量達(dá)到4×108kW，其利用方法與風(fēng)力發(fā)電類(lèi)似，但由于海水密度約為空氣的800倍，因此雖然其流速較低，能量密度卻很大，相同流速與裝機(jī)容量下海流發(fā)電系統(tǒng)尺寸是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的1/28，可見(jiàn)潮流能有如此巨大的開(kāi)發(fā)價(jià)值。中國(guó)潮流能資源流速較低，因此潮流能發(fā)電裝置只有在流速達(dá)1～2 m/s的海域才具有商業(yè)開(kāi)發(fā)的意義[3-5]，其技術(shù)開(kāi)發(fā)難度也高于歐美。

近年來(lái)在國(guó)家“863”計(jì)劃、科技支撐計(jì)劃、國(guó)家海洋可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金支持下，我國(guó)潮流能開(kāi)發(fā)技術(shù)與歐美已處于同一水平，甚至在某些方面還處于領(lǐng)先地位。本文在國(guó)家海洋可再生能源專(zhuān)項(xiàng)資金技術(shù)支持下設(shè)計(jì)并制造了單機(jī)容量2.5 kW的專(zhuān)為大型海洋浮標(biāo)提供電能補(bǔ)充的發(fā)電裝置（如圖1），并開(kāi)展了水槽拖動(dòng)試驗(yàn)和海上試驗(yàn)，驗(yàn)證了該裝置的發(fā)電能力及海上長(zhǎng)期工作的可靠性。

圖1　總體裝置示意圖

1　試驗(yàn)裝置組成

該裝置由2臺(tái)2.5 kW拖曳式潮流能發(fā)電裝置、海上浮標(biāo)模擬浮體、負(fù)載及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。設(shè)計(jì)初期發(fā)電裝置采用2葉定槳距輕量化透平，經(jīng)過(guò)水槽拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)以后透平實(shí)度增大1倍，變?yōu)?葉片。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用直驅(qū)結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)采用通過(guò)水下密封處理的永磁低速直驅(qū)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有啟動(dòng)流速低、可隨浮體自適應(yīng)流向、可直接工作于海水中等優(yōu)點(diǎn)。

透平的直徑是2.6 m,額定流速是2.2 m/s,額定轉(zhuǎn)速是40 rpm,以此為設(shè)計(jì)條件，通過(guò)葉素動(dòng)量理論計(jì)算葉片的弦長(zhǎng)分布和安裝角分布。得到的葉片的弦長(zhǎng)分布和安裝角分布如式（1）～式（2）所示。

葉片的造型如圖2所示。

圖2　4葉透平轉(zhuǎn)子

裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前，在Fluent軟件里面進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算的流體域遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于實(shí)際流體域。為了使計(jì)算結(jié)果更精確，將流體域分為內(nèi)流體域和外流體域。外流體域是圓柱形狀，直徑是透平的5倍，進(jìn)口距離透平前端5倍透平直徑的距離，出口距透平后端的距離是透平直徑的10倍。內(nèi)流域是包圍透平的圓柱體，厚度是透平的厚度。內(nèi)外流體進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，進(jìn)行流體計(jì)算。

圖3　流體域

計(jì)算時(shí)，在額定轉(zhuǎn)速和流速的條件下透平的效率達(dá)到49%，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

推力系數(shù)計(jì)算公式如式（3）所示：

額定條件下的推力系數(shù)是1.3，透平產(chǎn)生的推力會(huì)比較大，所以在做的浮體比較大，防止透平對(duì)浮體的姿態(tài)產(chǎn)生較大影響。

由于發(fā)電裝置為浮標(biāo)進(jìn)行供電，因此還設(shè)計(jì)了海上浮標(biāo)模擬浮體。該浮體采用鍍鋅角鋼焊接的框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)填充浮力體，具有重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)。浮體通過(guò)錨系結(jié)構(gòu)固定于海面。2臺(tái)發(fā)電裝置置于浮體兩側(cè)，使得重量得到平衡，保持姿態(tài)的穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4　浮體組裝圖

2　水槽拖動(dòng)試驗(yàn)

發(fā)電裝置在海試前必須通過(guò)室內(nèi)各項(xiàng)測(cè)試，本裝置通過(guò)了電機(jī)防水、密封性能測(cè)試、電機(jī)拖動(dòng)平臺(tái)測(cè)試等，特別是在經(jīng)過(guò)測(cè)試和系統(tǒng)組裝后對(duì)單機(jī)進(jìn)行了水槽拖動(dòng)試驗(yàn)。

水槽拖動(dòng)試驗(yàn)在大連理工大學(xué)完成。

試驗(yàn)平臺(tái)：大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院船模拖曳試驗(yàn)水池

平臺(tái)概況：水池占地面積約1 050 m2左右，長(zhǎng)160 m，寬7 m，水深3.7 m，移動(dòng)吊臂的承重達(dá)到5 t。

試驗(yàn)裝置固定：整個(gè)試驗(yàn)裝置通過(guò)自制工裝架固定于船模拖曳試驗(yàn)水池拖曳平臺(tái)的中軸上。通過(guò)水槽拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)電裝置在2.2 m/s流速下實(shí)現(xiàn)了2.5 kW左右的平均功率輸出，滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求。拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)照片如圖5所示，流速跟功率的關(guān)系如圖6所示。

圖5　水槽拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)

圖6　流速功率圖

3　海上試驗(yàn)

裝置在室內(nèi)測(cè)試得到了較好的試驗(yàn)結(jié)果，在進(jìn)一步對(duì)裝置進(jìn)行優(yōu)化檢測(cè)后，開(kāi)展了海上試驗(yàn)。設(shè)計(jì)單位地處北方，由于距離和海域使用權(quán)的原因，選擇了距離較近的山東齋堂島海域進(jìn)行了海上測(cè)試試驗(yàn)。

根據(jù)中國(guó)海洋大學(xué)王樹(shù)杰教授提供的齋堂島水道資料顯示，齋堂島水道位于膠南瑯琊臺(tái)與齋堂島之間，長(zhǎng)1.5 km，潮流方向?yàn)镹E-SW向。低潮時(shí)，最窄處600 m左右，高潮時(shí)寬約1 000 m，水深8～10 m，最大流速2 m/s以上，整個(gè)水道潮流能資源4 000 MW。齋堂島外海流資源，流速達(dá)1 m/s以上。齋堂島位于35°37′48″N,119°55′24″E，面積0.46 km2。齋堂島分南島和北島,南島高69.6 m，北島高27 m，兩島之間有一狹長(zhǎng)堤壩連接,距陸最近點(diǎn)處約0.7 km。北島平坦，有居民400多戶(hù)，以漁業(yè)為主。從資源狀況與環(huán)境條件來(lái)看，齋堂島水道屬于中國(guó)北方典型的潮流能資源區(qū)，同時(shí)又有一定的用電需求，因此具有一定的代表性。圖7為測(cè)試裝置的放置位置。

裝置于2014年11月4日在齋堂島水道下水，依托固定式塔架固定，開(kāi)始正常工作，2015年6月13日安裝于自制模擬浮體上，2015年11月20日電纜被盜割止，期間經(jīng)歷3次被動(dòng)漁船撞壞、漁網(wǎng)纏繞、測(cè)試被盜等3次破壞，歷時(shí)381 d，其中由于破壞停止運(yùn)行時(shí)間超過(guò)60 d。經(jīng)過(guò)檢測(cè)未被破壞的發(fā)電機(jī)主體、透平部分均正常工作，表明了裝置的可靠性。圖8是海上浮體，透平正在水下運(yùn)行。

圖7　青島齋堂島水域海試地點(diǎn)

圖8　5 kW拖曳式潮流能發(fā)電裝置浮體海上運(yùn)行

4　結(jié)論

目前各種大型浮標(biāo)功能越來(lái)越多，所處理信息量日益增大，其所消耗電能也大幅度提升，因采集海洋能補(bǔ)充電能的技術(shù)難度較大，國(guó)際上大多數(shù)海洋觀(guān)測(cè)浮標(biāo)基本采用一次長(zhǎng)壽命蓄電池供電，因而對(duì)于海洋觀(guān)測(cè)儀器，特別是大型錨系多功能浮標(biāo)、水下潛標(biāo)等探測(cè)儀器,實(shí)現(xiàn)電能補(bǔ)給現(xiàn)實(shí)的方法就是采用海洋能供電，特別是具有規(guī)律性的海洋潮流能必將成為主流方式。

該裝置通過(guò)水槽拖動(dòng)試驗(yàn)與海上試驗(yàn)驗(yàn)證了裝置的可靠性和發(fā)電能力，為海洋儀器潮流能供電提供了技術(shù)基礎(chǔ)，積累了實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。

[1]Wu B,Zhang X,Chen J,et al.Design of High-Efficient and Universally Applicable Blades of Tidal Stream Turbine[J].Energy. 2013,60:187-194.

[2]朱挽強(qiáng),徐明奇,張雪明.水平軸表層潮流發(fā)電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012,33(6):1067-1072.

[3]王傳崑,盧葦.海洋能資源分析方法及存儲(chǔ)評(píng)估[M].北京:海洋出版社,2009.

[4]馬舜,李偉,劉宏偉，等.25 kW獨(dú)立運(yùn)行式水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（14）：18-22.

[5]王樹(shù)杰.柔性葉片潮流能水輪機(jī)水動(dòng)力學(xué)性能研究[D].青島：中國(guó)海洋大學(xué)，2009.

Experimental Study on the Electric Supplementary Device Rated 2.5 kW for Marine Observation Instrument

ZHU Wan-qiang,WU Bai-gong,ZHAO Yang,CHEN Jian-mei,DONG Yong-jun,ZHANG Xue-ming
School of Physics,Northeast Normal University,Jilin Provincial Key Laboratory of Advanced Energy Development and Application Innovation,Changchun 130024,Jilin Province,China

With land resources increasingly in shortage,the ocean has become a vast space for the survival and development of human beings.With marine research constantly deepening,the number of marine observation instruments increases with every passing day.The power supply capability determines the working duration of the marine instrument.This paper,supported by the Special Fund for Marine Energy,designs a towed 2.5 kW horizontal axis tidal current energy power generating device to utilize ocean current energy,so as to supply reliable and supplementary underwater electricity for large ocean buoys.The drag tests and sea trials show that the device has the advantages of low start velocity and high reliability.

tidal current energy;power supply for marine instruments;sea trials

TK79；P743.1

A

1003-2029（2016）05-0041-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.008

2016-07-10

中央高校基本科研項(xiàng)目資助潮汐電站中豎井貫流式水輪機(jī)的水利優(yōu)化研究（2015B12514）

朱換強(qiáng)（1980-），男，博士，講師，研究方向?yàn)楹Ｑ罂稍偕茉撮_(kāi)發(fā)利用技術(shù)。E-mail:zhuwq773@nenu.edu.cn

張雪明（1949-），教授，E-mail:zhangxm634@nenu.edu.cn