新型潮流波浪集成柔性浪輪式發電輪機的研究

王世明，楊志乾，吳帥橋，田　卡，江恩祝，秦渭華，李延剛

（1.上海海洋大學　工程學院,上海201306；2.國家海洋局東海標準計量中心,上海201306；3.國家海洋局東海預報中心,上海201306）

新型潮流波浪集成柔性浪輪式發電輪機的研究

王世明1，楊志乾1，吳帥橋1，田卡1，江恩祝2，秦渭華2，李延剛3

（1.上海海洋大學工程學院,上海201306；2.國家海洋局東海標準計量中心,上海201306；3.國家海洋局東海預報中心,上海201306）

為了尋求波浪和潮流能集成利用的可能性，基于Gorlov浪流集成理論，提出一種新型潮流波浪集成發電輪機結構，主要包含組合式導流罩、S型葉片輪機、發電機、浮體4個部分。通過水動力理論計算、流體數值模擬以及水槽實驗結合的方式，對其進行結構的優化設計。實驗證實了輪機優化方案的可行性以及浪流獲能合理性。

潮流能；波浪能；集成；組合式導流罩；S型葉片輪機

波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能。波浪的能量與波高的平方、運動周期以及迎波面的寬度成正比。波浪能具有力量強、速度慢和周期性變化的特點，是可再生能源中最不穩定的能源。潮流能是指海水流動的動能，與流速的平方和流量成正比。潮流能隨潮汐的漲落每天2次改變大小和方向，相對波浪而言，海流能的變化要平穩且有規律得多。

在海洋可再生能源開發利用中，波浪和潮流能是密不可分的，是有相互集成作用的。國外主要有Gorlov浪流耦合原理的發明專利，俄羅斯漂浮式波浪能及潮流能發電通用正交輪機，馬來西亞科技大學的Omar Bin Yaakob教授浪流耦合理論及發電技術研究等；大連理工大學已有“波浪能-潮流能轉換及綜合利用裝置”授權發明專利，能夠有效地將能量分布廣泛但能流密度低的波浪能轉化成能流密度高的潮流能，并通過潮流水輪機提取。基于目前海洋能開發主要存在的基礎理論問題有：（1）由于各種能源分布范圍廣且每個區域能量頻率、構成不同，目前國際上對海洋能商業性開發的流體力學特性，特別是流浪集成的資源評估、集成機理、初級獲能理論的研究非常淺[1]；（2）目前無論國內還是國外，目前都是對波浪和潮流能分別研究和利用，或者在波浪和潮流能研究和利用中，雖然在實際應用中有集成，但對其發電設備的型式類別一般都明確歸類為波浪和潮流能，主要原因就是波浪和潮流能集成理論和工程問題都非常復雜[2]。

由于波浪和潮流的不穩定和頻率范圍較寬，波浪和潮流相互集成有時可以使發電效果增強，有時會使發電效果增強減弱；集成導致轉換裝置經常處于非設計工況或無法發電甚至使發電設備破壞。因此，波浪和潮流能如何集成、何時集成？研究典型海域波浪能和潮流能時空分布特征和相互集成作用機理，并考慮波浪能、潮流與柔性浪輪式發電設備的流固耦合，與發電設備的結構設計和海上布置結合起來，使發電裝置處于設計工況，這些都是亟待解決的科學問題。

1　潮流波浪集成發電輪機結構

1.1潮流波浪集成發電輪機

本裝置主體結構是由組合式導流罩、S型葉片輪機、發電機、浮體4部分組成。

圖1　潮流波浪集成輪機發電設計圖

如圖1所示，潮流波浪集成發電輪機由防側翻重塊、潮流導流罩、支撐構件、浮體、波浪導流罩、電機箱、葉輪組成。本裝置有兩部分能量吸收過程，第一部分潮流能通過潮流導流罩收集，從擴口的入口段進入，通過加速段推動葉輪轉動，從而使法蘭盤轉動，進而使與法蘭盤固定的主軸轉動，因主軸與電機軸連接，從而使電機工作。第二部分波浪能通過波浪導流罩收集，由于波浪的作用，使整個裝置上下浮動，因此使垂直設置的波浪導流罩可以將波浪引入，波浪通過波浪導流罩上端的入口進入，波浪再通過潮流導流罩上的波浪入口推開擋板進入潮流導流罩內，可以使波浪推動葉片轉動，帶動法盤和主軸轉動，從而使與主軸相連的電機工作。通過對波浪能和潮流能兩種能量的吸收，可以最大程度利用海洋能源進行發電，增加吸收能量的效率。

1.2潮流波浪集成原理

如圖2所示潮流波浪集成原理，潮流導流罩內的S型葉片可以雙向接收能量，無需改變整個裝置方向，隨一天兩次的潮流走向，與有尾舵的集成裝置達成同樣的吸收效果。垂直設置的波浪導流罩可以將波浪引入，波浪通過波浪導流罩上端的入口進入，波浪再通過潮流導流罩上的波浪入口推開擋板進入潮流導流罩內，可以使波浪推動葉片轉動，帶動法盤和主軸轉動，從而使與主軸相連的電機進行工作。

圖2　潮流波浪集成原理

2　S型葉片結構優化設計及水槽實驗

水輪機能量利用率Cp是衡量水動性能的關鍵指標，已得到國內外普遍認可。其計算公式為：

結合公式P=nT/9.55

式中：P為葉片吸收的總功率，W；ρ為海水密度，1 025 kg/m3；S為水輪機掃掠面積，m2；V為浪流速度，m/s；n為輪機轉速，r/min；T為主軸扭矩，N·m；為能量利用率系數。

2.1S型葉片結構設計

平板翼型和擾流不好，性能較差。風力機翼型吸收效率研究達到瓶頸，現在世界上獲能最高的風機翼型能夠達到0.59左右，且不好加工，占用空間太大。水平軸輪機獲能效率最高約0.4左右，而垂直軸輪機的為0.25～0.4。基于泵機原理，設計出特定S型葉片，經模型試驗，S形翼型能夠獲得較高的捕能效果。

圖3　S型葉片翼型

圖中：F為拱度，拱度F/L取4%左右性能最好，圓弧半徑：

本輪機采用簡化三元流動模型，轉輪出口平均速度分布可轉化為徑向流動方程，方程式可表示為：

式中：ηR為葉輪效率；ω為葉輪旋轉角速度，ω2πn/60；n為葉輪轉速；r為半徑；VZ為軸向流速；Vu為圓周速度。同時為了獲得更好的發電效能，水流是雙向的，要采用雙向驅動，能量利用率高。查閱資料表明低轉速葉輪驅動，葉輪采用雙向，因此葉片輪機采用雙向對稱翼型。

圖4　雙向葉輪細長海浪發電系統示意圖

2.2水槽實驗

實驗通過改變葉片的不同安裝角度β和葉輪片數z，來求得葉片安裝角和片數的最優解，由于實驗成本的限制，采用3個不同的安裝角度及2個不同的葉片數量共計9種不同的S型葉片模型進行水槽實驗。S型葉片輪機參數如表1。

表1　S型葉片輪機參數

實驗地點選在國家海洋局東海標準計量中心的水槽。該水槽型號是200 m×4 m×3 m,可以模擬不同海況的浪流，產生規則波和不規則波，拖船速度相對范圍是0.5～3 m/s。通過ZHO7-50轉速扭矩傳感器測得S型葉片輪機的轉速n及輪機扭矩T，將以上數據代入式（2）中,測得不同葉片輪機的能量吸收效率Cp。

圖5　東海標準計量中心水槽安裝現場圖

圖6　實驗現場圖

圖7　功率儀與傳感器顯示儀

3　試驗結論

水槽試驗中，采用輪機支架結構與拖車固連，通過電控室對拖車速度的控制來模擬海浪流速。在模擬浪高0.5 m、周期為2 s、浪流速度1 m/s下，改變不同的葉片安裝角度β及葉片數量z，即更換不同的葉輪，獲得功率、轉速、扭矩數據如表2。

表2　試驗收集數據

圖8　各項參數與葉輪β/z的關系圖

結合上述試驗所測相關數據，歸納結論如下：

（1）S型翼型4片葉輪的水動性能明顯優于3片葉輪，更容易吸收潮流與波浪產生的能量，葉片數量過多容易在葉片附近造成紊流，導致能量吸收不均勻。

（2）葉片的安裝角度40°附近捕獲能量明顯優于30°與50°，但是試驗成本有限，沒有做更詳細的葉片安裝角試驗，推測在40°～50°之間存在最佳安裝角。

（3）從目前模擬浪流試驗數據看出，在模擬浪高0.5 m、周期為2 s、浪流速度1 m/s下，40°/4為最佳獲能安裝角/葉片數，能量轉換率達到最大36.15%。在實際海域下，存在高于試驗條件的海況，能量捕獲會更大，效率也會更高。

4　總結

本文結合國內外先進潮流波浪集成理論，自主設計潮流波浪集成發電裝置，詳細闡述該輪機的發電原理和結構設計方案。在潮流波浪集成的基礎上，為以后更好地利用海洋能提供了有效的參考和借鑒。

同時，針對S型葉片輪機的分析，以其獲能系數為主要考察點而設計了水槽實驗方案，且通過實驗數據對其性能及最佳獲能點進行分析，上述實驗方案設計及其實驗結論為輪機的結構優化提供了有效的數據支撐，也可為解決類似的工程問題提供參考依據。

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Research on a New Type of Tidal-Current-Wave Integrated Power Generating Device with Flexible Blade Turbine

WANG Shi-ming1,YANG Zhi-qian1,WU Shuai-qiao1,TIAN Ka1,JIANG En-zhu2, QIN Wei-hua2,LI Yan-gang3
1.College of Engineering,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.East China Sea Center of Standard and Metrology,State Oceanic Administration,Shanghai 201306,China; 3.East China Sea Forecasting Center of State Oceanic Administration,Shanghai 201306,China

To explore the possibility of wave and tidal current energy integrated utilization,based on the Gorlov wave theory,this paper puts forward a new structural design of tidal-current-wave integrated power generating turbine.Its main structure is composed of modular power turbine shroud,S-type turbine blades,generators and floating body.Its structural design is optimized through hydrodynamic theoretical calculation,fluid numerical simulation and flume experiments.The results prove that the optimizing scheme is feasible and the structural design is scientific and rational.

tidal current energy;wave energy;integration;modular shroud;S-type turbine blade

P743.1

A

1003-2029（2016）05-0051-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.0010

2016-07-10

國家海洋局2013年海洋可再生能源專項資金資助項目（SHME2013JS01）；上海市2014年優秀技術帶頭人計劃資助項目（14XD1424300）；上海市軍民結合專項資助項目“大型海洋自供電觀測浮標產業化示范推廣”

王世明（1964-），男，教授，博導，主要研究方向為海洋工程裝備及海洋可再生能源。E-mail：smwang@shou.edu.cn