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潮流能发电技术

潮流能发电技术(一)
Tidal Current Power Generation(1)

        在浅海、海峡、海湾或河口一带,涨潮与退潮会引起较强的潮流,水流速度较高,可直接利用潮流前进的动能来推动水轮机发电,方法类似于风力发电机,称之为潮流发电机。风力机可用的形式基本上都可用于潮汐动能发电,比较典型的的是采用与水平轴风力机相似的结构与原理,下面举两个例子介绍一下。
        敞水型水平轴桨叶潮流发电装置
        图1是一种潮汐动能发电机示意图,与顺风式风力机工作原理相同,也叫桨叶式潮流发电机。转轮的叶片与风力机类似,由于水的密度约为空气的800多倍,相同功率下的叶片面积与长度可大大缩小,不过潮汐水流速一般没有风速快。叶轮通过增速齿轮箱与发电机连接,一同安装在机舱内,机舱安装在支柱上,可绕支柱旋转,支柱固定在海底,属坐底式安装。水流推动叶轮旋转,并保持叶轮面与水流方向垂直。由于叶轮在敞开的水中旋转,属敞水式结构。

        图1  桨叶式潮流发电机
        桨叶式潮流发电机可安装多个组成潮流发电站,图2是六个桨叶式潮流发电机的水下模拟图。

        图2  水下的桨叶式潮流发电机
        桨叶式潮流发电机在国外已有成功的产品,比较典型的是英国研制的一种桨叶式潮流发电机,名为“SeaGen”,形似倒置的风车,由一对涡轮组成,每个涡轮直径20米,容量1200千瓦。涡轮安装在柱桩上,柱桩固定在海底。图3是该潮流发电机的图片。

        图3  SeaGen桨叶式潮流发电机(图片来自网络)
        扩张型涡轮潮流发电装置
        还有一种是把叶轮安装在水平扩张导流管内,扩张导流管在风力机中称为扩散器,利用导流管对水流进行加速,可明显提高叶轮的输出功率。叶轮由多个叶片组成,这是一种导流管增速涡轮机结构,或称为导流管增速水轮机,见图4。

        图4  导管涡轮式潮流发电机
        图中浅蓝色箭头线表示水流走向,水流推动发电机发电,涡轮机采用双向对称结构,反方向水流同样推动发电机发电,适用于潮流发电。
        导流管增速涡轮发电机可安装多个组成潮流发电站,图5是五个导管涡轮式潮流发电机水下模拟图。

        图5  水下的导管涡轮式潮流发电机
        导管涡轮式潮流发电机在国外也有成功的产品,图6是在加拿大已商业化应用的涡轮发电机,机组功率1000千瓦,重400吨。从图中看这是直驱式导管涡轮发电机,直驱发电机的定子安装在导管内壁,发电机转子安装在转轮叶片的外缘。

        图6  直驱式导管涡轮发电机(图片来自网络)
        潮流发电机一般直接固定在海底,可避免台风的破坏,也可采用漂浮式结构。利用潮流前进的动能来推动水轮机发电不用建堤坝与相关设施,投资少,不影响生态环境,但涡轮的面积比起潮流的截面是很微小的,所以对整个潮汐能的利用率非常低,要求潮汐要形成足够的水流速度来保证发电量。
潮流能发电技术(二)
Tidal Current Power Generation(2)

        上节介绍了利用潮流前进的动能来推动水轮机发电,采用的是水平轴风力发电机技术,风力机可用的形式基本上都可用于潮汐动能发电,下面介绍两个采用垂直轴风力机技术的例子
        能量转换采用垂直轴风力机风轮结构,是H型垂直轴升力叶轮,由3个叶片组成,见图1。叶轮(水轮)主轴上端连接到直驱永磁发电机,发电机固定在机舱内,机舱也就是船舱,机舱安装在两个浮筒上(图1仅显示右边一个浮筒)。

        图1 漂浮式立轴潮流发电机组成
        图2是该潮流发电机的外观图,发电机安装在两个浮筒之间。潮流发电机是漂浮在海面上,浮筒上的红线就是吃水线,潮流发电机由钢缆(钢链)牵引固定,钢缆另一端连接海底的桩或锚上。发电系统的支撑载体可以是上述的双体船式或趸船形式,也可以是其他结构形式,称之为漂浮式支撑载体。
        当海水流动时,安装在支撑载体下方的叶轮被水推动旋转,同时带动上面的发电机发出电能。由于叶轮的转轴是与水面垂直的,故称为竖轴或立轴潮流发电机。

        图2  漂浮式立轴潮流发电机外观
        下面介绍的是具有扩张导流管的立轴潮流发电机,扩张导流管在风力机中称为扩散器。在扩张导流管内有H型垂直轴升力叶轮,是5叶片叶轮。在叶轮的上下左右被扩张导流管包围。扩张导流管的左右壁由空心舱体组成,见图3。
        扩张导流管与风力机中的扩散器工作原理是一样的,通过扩张导流管中部的水流速度会得到明显的提高,可明显增加叶轮的输出功率。

        图3 扩张导流管与5叶片水轮
        图4是导流管竖轴潮流发电机的组成图,扩张导流管的下面也是钢板组成的空心体,上方的船舱也就是扩张导流管的上壁,直驱永磁发电机安装在船舱内,与下方的叶轮同轴。

        图4 扩张导流管立轴潮流发电机组成
        把左导流舱安装好,图5是整个扩张导流管立轴潮流发电机的外观图。右导流舱、左导流舱是空心密封舱,与船舱一同构成发电系统的支撑载体,使发电机系统漂浮在海面,图中红线是吃水线,该图没有显示拖牵钢缆。

        图5 扩张导流管立轴潮流发电机外观
        立轴潮流发电机的叶片是直叶片,有利于采用可变桨距角技术,通过控制桨距角在不同的流速获得较大的功率。 扩张导流管立轴潮流发电机可做成坐底式结构,就是直接固定在海底,可以减小暴风、巨浪的破坏。
        以上立轴潮流发电机参考《海洋能源开发》一书,据报道哈尔滨工程大学研制的几台试验样机都取得了成功,新的大型扩张导流管立轴潮流发电站也进入试验运行阶段。
        扩张导流管立轴潮流发电机可做成坐底式结构,就是直接固定在海底,可以减小暴风、巨浪的破坏,图6是安装在海底的3台扩张导流管立轴潮流发电机组的示意图。

        图6 安装在水底的扩张导流管立轴潮流发电机组