水下风力发电机组海流能发电原理与试验研究

水下风力发电机组海流能发电原理与试验研究

过度使用石化能源会导致资源匮乏和环境恶化的问题。世界上71%的地壳都是海洋，产生了巨大的可再生清洁能源。如何有效利用这一问题已成为国际科学家的研究热点。“水下动力”是一种适用于海流能的新能源机械系统。2004年，英国mct有限公司（marinecurrentturbatp.a）开发了第一个拥有300mw固定容量的水下电机装置。2006年，计划建设10台1mw机组，并计划建设小型水下装置。2005年3月，在军事支持下，美国威顿能源公司计划在纽约东部建造6台35kv的项目。经过18个月的测试，预计将建设200-300台水下装置。事实证明，水下设备逐渐成为最大的利用海流能的有效手段之一。我国的海流能资源丰富,可开发的水下风车机组装机容量据估计可达1830万kW,年发电量可达270亿度.2004年,本课题组在风力机研究设计的基础上,对水下风车进行资料收集和原理分析,在分析水下风车机组与风力机异同点的基础上,特别针对桨叶、传动机构和密封3方面进行着重研究,2006年初搭建出水下风车样机,并于浙江省岱山县海试发电成功.1水下风力机机组的组成水下风车海流能发电机组由于其结构、工作原理与现代风力机基本相似,因此而得名.机组通过叶轮捕获海流能,当海水流经桨叶时,产生垂直于水流方向的升力,使叶轮旋转,通过机械传动机构,带动发电机转动,发出电能.海水流动的起因很多,主要有风海流、密度流、补偿流和潮流等,实际上由单一原因产生的海流极少,往往是几个因子共同作用的结果,但有主次,近海以潮流为主,外海多为风海流和密度流.然而无论什么起因,对于水下风车机组,一般认为只要海流最大流速超过2m/s(约4kn),便可进行开发利用.水下风车机组主要由桨叶、轮毂、传动机构、密封、机舱、制动器、发电机、整流励变控制器、对水机构和塔架等关键部件组成,其中两片或三片桨叶安在轮毂上构成叶轮,传动机构、制动器、发电机、整流励变控制器和对水机构都密封于机舱内,叶轮与机舱完全浸没在水中,叶轮的方向由对水机构调节始终保持正面迎着水流,塔架对机舱起支撑固定作用.水下风车与风力机相比,由于所利用的能量介质不同又有其自身特点:1)海水流动方向是有规律的,如由潮汐引起,水流的方向为双向,如由气候、海水密度差引起,产生的水流方向是单向.而且流速在短时间内变化幅度不大,长时间段的变化是有规律的.而风的变化无规律、瞬息万变.因此相对于风力机,水流的稳定和可预测,对于水下风车机组的最优能量捕获和可靠性都是有利的.2)根据贝兹理论,P=ρv3SCp/2.(1)式中:P为机组捕获的能源,ρ为流体密度,v为流体速度,S为叶轮的扫及面积,Cp为能量利用系数.虽然海流速度很慢,机组的额定流速一般设定在2m/s左右,仅为常规风力机额定风速的1/6,但海水密度是空气的800多倍,假定Cp值相同,对于同功率机型,水下风车的桨叶直径只需为风力机的0.519倍.3)由于水下风车浸没在海中,机组不仅要防海水腐蚀,有很好的密封性,而且同其他涡轮机械一样,桨叶必须具备很好的防气蚀特性.2湿式汽电站设计由于国外水下风车海流能发电技术研究仅开始于21世纪初,而且还涉及到军事用途,很难得到相关设计资料.整个设计完全依靠自主研发.2.1水下风力机桨叶设计桨叶是水下风车的关键元件,直接关系到海流能捕获的效率.但是由于能量密度和流速的不同,同等直径的风力机桨叶无法直接照搬到水下风车上,桨叶需自行设计.2.1.1桨叶翼型的fluen仿真水下风车桨叶并不是一个标准的几何体,直接设计出合适的翼型十分困难.由于能量捕获的工作原理与风力机相同,设计首先考虑选择常规的NACA系列风力机标准翼型,由Fluent软件对该系列的翼型进行流场压力和气蚀仿真,选择在额定海流流速和额定叶轮转速下,升力系数Cl相对最大、阻力系数Cd相对最小、且气蚀作用不明显的翼型,并进一步修改优化翼型结构,图1为桨叶翼型Fluent二维仿真图.标准翼型数据对应的是0到1的无量纲,由翼型图可得单位尺寸下的弦长.在参考风力机空气动力学计算方法的基础上,Burton等人得出的距叶轮中心r处的桨叶实际弦长l为l=16π9Clb⋅rλ0λ20r2/R2+4/9√.(2)l=16π9Clb⋅rλ0λ02r2/R2+4/9.(2)式中:λ0为叶尖速比,λ0=ωR/v,其中ω为叶轮转速;R为叶尖风轮半径;b为叶轮桨叶数;Cl由Fluent计算得到.图2为仿真得到的不同攻角α下的升力系数和阻力系数.根据实际弦长与翼型图上的弦长比值,以此放大标准翼型数据便得到所设计桨叶的真实翼型尺寸.一般小型的“水下风车”整个桨叶只采用一种翼型,而大型机组则可以采用2、3个翼型.如果计算硬件条件合适,在翼型设计时最好采用Fluent三维仿真.2.1.2分段积分模型由叶素原理,计算r、r+dr段叶片的受力情况,为了便于最终的桨叶负载计算,将作用力升力dFl和阻力dFd的合力分解为轴向分量dFa和切向分量dFu,如图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为倾斜角,即攻角i与节距角β的和.利用分段积分的方法,计算Fa、Fu以及叶根处的弯、扭矩,用于强度设计.桨叶的材料对于强度设计也十分重要.玻璃钢是风力机桨叶常用的材料,然而海水密度是空气的800多倍,同尺寸的水下风车桨叶负载比风力机大很多,因此在设计时,小型机组采用玻璃钢,桨叶总量轻,自启动效果好,对于大型机组,可借鉴轮船螺旋桨的材料,采用锰铝合金铜、钛合金或环氧树脂.2.1.3密度vz由于浸没在水中的桨叶旋转时,叶片迎流面的压力较高,而叶背处压力较低,当叶片局部压力达到或低于该点的汽化压力时,会出现气泡.不同半径处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叶背处的压降更加明显.当温度一定时,液体的汽化压力是恒定的,所以气蚀现象的出现与否可以根据叶片周围液体局部压力分布的大小来判断.可用汽化系数σ或压力系数KP来表示: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为水的密度,kg/m3;h为水的深度,m;vz为自由来流的速度,m/s;p0为参考静压力,等于patm+ρgh,Pa;patm为大气压力,Pa;pv为汽化压力,Pa;pL为局部压力,Pa.图4为通过Fluent仿真计算得到不同攻角单位弦长分布的KP.当pL=pV或-KP≤σ时,会出现气蚀现象.叶片的形状主要根据动力学性能和结构设计来确定.为了尽可能地提高叶片效率,要增大叶片的Cl工作范围和攻角变化范围,同时结构上也要尽量避免气蚀的发生,如图5所示.从效率的角度看,要减小Cd.而从结构强度上考虑,又需要有较厚的截面,尤其在叶片根部,而这又会导致较高的阻力系数.不同深度对应的压力也不同,其他条件不变时,随着深度的增加可以延缓气蚀的过早出现,所以对于叶片,其气蚀最先出现在风轮扫截面的上半部.同时叶片的尖速应该足够低以保证其不出现气蚀,而随着深度的不同,允许的最大尖速也是不同的.对于水下风车设计而言,如果仅仅为了避免气蚀而将叶轮转速控制很低时,则当功率一定时,叶片将需要承受很大的扭矩.因此桨叶设计时,要综合考虑安装深度、转速和水流速度等综合因素.同时在桨叶的表面加覆上碳纤维,可以起到减小海水内沙土磨损和气蚀损伤的作用.2.2水下车辆载荷谱的计算为了尽可能减小对海洋生物生存环境的影响,机组的叶轮转速比较低,额定转速一般设定为每分钟十几转,因此在叶轮和发电机间设计了增速箱传动机构.增速箱的结构设计可参考风力机,然而目前风力机故障80%以上都是出自增速箱,水下风车机组的机舱置于水下,则故障维修更加困难,因此提高增速箱强度、疲劳寿命尤为重要.增速箱扭矩T=9550P/n.(7)式中:P为输出功率,n为转速.由最大流速计算齿轮箱极限扭矩,对齿轮箱内各零部件进行强度校核.由Miner法则(疲劳累积假说)可知,当量载荷Teq=(N1Tp1+N2Tp2+⋯+NnTpnNeq)1/p.(8)Τeq=(Ν1Τ1p+Ν2Τ2p+⋯+ΝnΤnpΝeq)1/p.(8)式中:T1,T2,…,Tn为按照大小排列的各级海流流速下载荷;N1,N2,…,Nn为根据试验地海流流速变化规律,得到与T1,T2,…,Tn相对应的循环次数,此两组数据可以画出水下风车齿轮箱的载荷谱;Neq为当量载荷循环次数,等于大于50%名义转矩所有载荷的循环次数总和;p为材料的试验指数.根据载荷谱和当量载荷,可对齿轮箱轮齿、轴和轴承进行疲劳寿命计算,实现各零部件等寿命设计.2.3密封结构及检验装置的设计为防止海水进入机舱,对内部发电机等电气元件造成损坏,整个机舱必须处于完全密封,其中主轴与箱壁间以及对水机构与塔架、机舱间的密封最为复杂,密封处存在旋转运动属于活动轴系密封.在设计中,船尾轴密封、机械密封、活动环密封等结构都是可采用方式,具体结构设计要根据海水压力、轴的转速以及密封造成的摩擦损失等因素进行综合考虑.此外由于海水沙土会对密封面造成磨损,需设计防沙外罩或在机舱内安置水泵产生高于密封面周围水压两倍的水柱冲洗密封接触面,如图6所示.由于密封对于水下风车机组设计是十分重要,若直到机组安置到海水下时,才发现泄漏问题,将会造成电气元件的损坏,而且再次吊装维修的成本也相当高.课题组结合现有条件,设计了机舱密封检验装置,即由空压机向机舱内充入高于安装地水压的压缩空气,机组的主轴由电动机带动,模拟机组水下工作,在密封面涂上肥皂水,检查是否有气泡产生,即为泄漏.2.4水下风机的安装对于海上风力机而言,机组的海上安装是海上风电场建设的难点之一,并会花费大量资金,据欧洲海上风电场建设经济评估资料表明:机组的水下安装约占风电场总成本的24%,而风力机组的成本仅占30%.如同海上风力机一样,水下风车海流发电机组的安装是其中极为关键的技术之一.参考海上风力机的安装,依据安装地水深的不同,水下风车海流发电机组的安装方式如图7所示,主要可分为:重力式、打桩式、支架式和漂浮式4种:①重力式利用混凝土或钢铁沉箱基础机构的重力使机组保持垂直,其结构简单、造价低、受海底地质成分影响不大,但需要海底地貌勘查,其尺寸和重量都比较大;②打桩式一般采用钢管式,安装深度取决于机组型号和海底地质成分.打桩基础制造简单,但受海底地质条件和水深的约束较大,安装需专用设备;③多桩式一般为三角桩,桩径较小,钢管桩通过灌浆或桩模与机组塔架连接;④漂浮式浮体与水下风车机组连接,漂浮于水下,机组底部由锚泊装置固定.3模型样机试验经过一年多的设计研发并结合海域实地调查,2006年初研制出水下风车海流能发电机组模型样机,基本设计参数:额定功率为5kW,额定流速为2m/s,叶轮额定转速为50r/min,叶轮半径为1.3m,鉴于机组整体结构很小,并没有采用海底打桩,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月于浙江省岱山县海试发电成功.第一轮模型样机试验的主要目的是验证水下风车海流能发电原理,为了吊装方便,试验地选定为两个岛屿间的桥下,海水流动主要是由潮汐引起,落潮时,可露出海底,便于机组的安装,涨潮时,水位最深可达4m,超过机组总高,足以完成海流发电试验(实际上,水下风车安装时,要求叶轮应低于落潮的最低水位,保证涨潮、落潮都能发电).图8为模型样机现场试验图,此时刚刚涨潮,故机组基本露在水面上.当海水涨过叶轮中心时,桨叶在海流作用下开始旋转,机组便有电能输出,当海水完全淹没叶轮后,由于此时海水上涨接近最高点,水流的速度反而降低,流速约为1.3m/s,输出功率仅在2kW左右波动,如图9所示.经过两天两夜的试验结束后,将机组吊起,打开机舱盖,进行全面检查,机舱内没有漏水,桨叶、传动机构和密封等机械零部件完好