海洋潮流能发电技术研究现状与趋势

传统化石能源的日渐枯竭使能源结构转型迫在眉睫,在众多新型可再生能源中,海洋潮流能由于其较强的规律性和高度的开发可行性,成为了研究热点之一。目前潮流能转换装置的研究和应用以水平轴水轮机为主、垂直轴水轮机次之,其他形式的潮流能装置小规模探索式发展。文章对现阶段世界上较为先进的潮流能发电装置及其水动力性能数值预报方法进行介绍,并对潮流能发电技术的发展方向做出展望。

潮流能发电产业发展研究

在“碳达峰、碳中和”目标下,加快实施清洁能源替代行动迫在眉睫。作为最具发展潜能的海洋清洁能源之一,潮流能发电产业未来可期。为推动我国潮流能发电产业发展,本文以潮流能发电产业为研究对象,从全球、国家、技术领域、专利申请人等层面开展文献调研和专利检索分析,以我国主要沿海省份浙江省为例,对潮流能发电产业发展态势和存在的问题进行研究分析,并提出产业发展的对策建议。

流动控制组合对潮流能水轮机翼型水动力学的特性影响研究

为全面提升潮流能水轮机叶片的水动力学性能,将格尼襟翼(GF)和涡流发生器(VGs)的附加件组合引入到潮流能水轮机领域,研究附加件组合对改善水轮机叶片水动力性能的作用机理。以NACA4418翼型为研究对象,分别建立加装格尼襟翼、涡流发生器和二者流动控制组合的水轮机翼型三维模型,应用数值模拟方法研究流动控制组合对水轮机叶片水动力性能的影响机理。结果表明:安装GF可有效提高翼型段的升力系数,但会降低翼型的失速角;安装VGs可抑制翼型段吸力面的流动分离、增大翼型段的失速角,但攻角越小水动力学性能改善效果越不明显;GF和VGs的流动控制组合则可将二者优势充分结合,在全面提高翼型段升力系数的同时,还可抑制翼型表面的流动分离、增大翼型的失速角,从而获得最佳的流动控制效果。

潮流能水轮机阵列水动力与布局优化研究进展

概述了潮流能水轮机阵列的水动力特性,总结了不同横向、纵向间距下水轮机尾流变化的一般规律,梳理了水轮机阵列布局的优化方法,从人工传统优化阵列布局与计算机自动优化阵列布局两方面回顾了水轮机阵列单目标优化与多目标优化的研究进展。人工传统布局结构简单且易于操作,有比较强的工程实践性,但物理试验可限制的约束条件有限,难以模拟阵列在真实海况下的发电情况;自动优化布局相比于人工传统布局更具有现实意义,但依然面临经济模块因素缺乏、多目标内容待完善、理论与实践未统一、前期准备时间较长等诸多挑战。

表面粗糙度对潮流能涡轮机水动力性能的影响

为探究由生物附着所引起的表面粗糙度效应对涡轮机水动力性能的影响,采用计算流体动力学方法对不同粗糙度和不同局部粗糙度分布条件下的水平轴涡轮机进行了数值模拟.研究结果表明:在相同尖速比(TSR)下,随着粗糙度的增大,涡轮机的功率和推力损失逐渐增大.而在相同粗糙度下,涡轮机的功率和推力损失也随着TSR的增大而增大,其中涡轮机在TSR=6.00的功率损失是TSR=3.00的2.3倍左右.局部粗糙度分布越靠近叶尖对涡轮机功率和推力损失的影响就越明显,其中分布在叶片半径(R)为0.75R~1.00R的局部粗糙度所造成的功率损失超过整体的一半以上.叶片背流面局部粗糙度分布相比迎流面局部粗糙度分布对涡轮机功率和推力的影响更明显.同时,涡轮机的粗糙度效应并不是各局部粗糙度的简单叠加,而是综合影响的结果.涡轮机一旦被生物附着,其设计条件下的最佳TSR范围将不再适用.

基于FVCOM的普陀山潮流能试验区数值模拟

国内外关于潮流能试验场小范围海域流场特性研究中,缺乏高精度的数学模型模拟真实环境下的水动力特性。本文基于非结构化网格的有限体积海洋数值模型(Finite-Volume Coastal Ocean Model,FVCOM),建立舟山及普陀山-葫芦岛潮流能试验场水域潮汐潮流数值模型,采用大范围区域潮位验证率定模型后得到更精确的小范围开边界条件嵌套小范围区域进行潮流计算。通过4个测站大、小潮的拟合数据和实测潮位、潮流流速、潮流流向数据进行对比,调整装置附近局部区域底摩阻取值,从而概化装置的影响,同时对小范围的潮波传播规律及流场水动力特性进行分析。结果表明:潮流能试验区所处海域潮汐类型为不规则半日潮,潮流以往复流为主;潮流运动传播主要方向为SSE—NNW向,该海域潮流特性空间差异明显;左岸龙南礁内湾区涨潮时呈逆时针传播,落潮时漩涡反向,右侧大龙山咀湾区涨落潮时均无明显涡旋。本研究可以为试验场海域潮流能发电装置阵列布放优化提供理论参考。

基于改进变步长爬山法的潮流能发电MPPT算法

针对传统变步长爬山法在潮流能发电系统中对潮流流速突变和随机性波动的适应能力较差,易出现扰动方向判断错误和速度追踪过快的问题,在变步长爬山法的基础上提出一种改进变步长最大功率追踪(MPPT)算法。该方法能够准确判断多种最大功率跟踪的情况并采用两次采样点下的功率和转速的变化程度确定下一时刻步长的大小,自动根据获能系数大小进行分阶段调节,实现对潮流流速突变情况的应对,从而实现最大功率的跟踪。在MATLAB/Simulink环境下搭建基于PID控制与自抗扰控制的仿真系统进行仿真试验,结果表明,改进的变步长爬山法不仅能够实现最大功率的跟踪,而且对潮流流速的随机性波动和突变情况的适应能力更强,具有良好的稳态特性。

中国海洋潮流能发电技术与装备现状、新的机遇与挑战

总结中国海洋潮流能发电技术与装备发展的现状,并与国际水平进行比较,指出中国在该领域的先进性和不足;同时分析中国“海洋强国”战略、“双碳”战略目标给海洋潮流能发电带来的诸多机遇,以及随之而来的种种挑战。对中国海洋潮流能发电技术与装备的水平、未来的发展方向提出建议和看法。

潮流能水轮机流场特性的数值与实验研究

通过数值模拟和模型实验相结合的方式,研究水轮机近域的流场特性对其水动力性能的影响,分析远域下不同入流速度和尖速比等因素对尾流场特性的影响。研究结果表明,在设计尖速比下,水轮机能量转换效率的数值模拟结果(0.37)与实验结果(0.36)的误差为0.3%,水轮机阻力系数的数值模拟结果(0.73)与实验结果(0.76)的误差为-4%,验证了数值模拟方法的准确性;水轮机梢部存在明显的三维流动现象,水轮机盘前梢部存在由叶根流向叶梢的径向流速(0.24 m/s),盘后梢部存在由叶梢流向叶根的径向流速(0.14 m/s),该叶片梢部尾流区的“下洗”流速导致水轮机能量转换效率下降;入流速度不会对尾流区轴向速度的恢复产生显著影响;在近尾流区(距离盘面小于5D)随尖速比的增加,尾流区轴向速度恢复呈逐渐降低的趋势,而在距离水轮机盘面超过10D之后,尖速比不会对尾流轴向速度恢复产生明显影响,但尖速比的增加会使梢涡存在时间变短,梢涡破碎的位置更靠近水轮机盘面。

外海潮流能总成平台施工关键技术研究及应用

潮流能作为可再生清洁能源的一种,有储量大、变化有规律、对环境影响小等优势,且潮流能发电装置更容易实现独立发电和并网,是海洋能发电方式的首选。我国在潮流能转换与发电系统的设计与关键施工技术方面取得了长足进步,尤其大力开发清洁新能源的提出,给海上潮流能的关键施工技术带来了巨大的机遇与挑战。而大型潮流能发电机组总成平台的顺利施工与否是实现潮流能发电的关键与前提。针对大型海洋潮流能发电机组总成平台外海运输系泊条件复杂、平台自浮困难等问题,采用多点系缆配合、增设临时浮箱等方法,实现大型海洋潮流能发电机组总成平台顺利安装,为今后类似工程施工提供借鉴。

潮流能发电机组与升压站一体化安装技术

为了节约用海面积,降低潮流能发电技术开发成本,从而推进潮流能资源利用开发,采用将发电机组与升压站布置在同一个桩基础上的创新性方案。通过结合项目实例研究分析该方案中的关键施工工艺,在陆上将发电机组、叶片以及升压站一体化组装后,海上整体吊装。该施工工艺能有效缩短了海上安装时间,降低船机费用,实现安全高效的目标。

潮流能电站水轮机支撑结构疲劳载荷谱分析

本文针对潮流电站水轮机组支撑结构受载复杂性,疲劳寿命评估的重要性。利用结构有限元方法进行多组数值试验,确定支撑结构在船体波浪载荷谱作用下的响应;通过数值实验和水轮机工作载荷谱的特性,分析在水轮机工作载荷作用下,水轮机支撑结构的应力响应。结果表明,评估水轮机支撑结构疲劳强度时,必须考虑双水轮机组载荷的联合作用对结构的响应。文中提出一种简化水轮机载荷联合作用的方法,为评估水轮机支撑结构的疲劳强度工作提供便利。

偏航工况下潮流能水轮机水动力特性

真实海域环境中,潮流能水轮机将会遇到主动或被动偏航运行的状况,水轮机在偏航工况下的水动力性能及尾流场特性均会发生较大变化,为充分探究其变化规律,该文首先开展潮流能水轮机非偏航计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)数值模拟,并通过模型试验验证其准确性。随后,进行潮流能水轮机在0~45°偏航角度工况下的水动力性能及尾流场特性研究。结果表明:水轮机的功率及轴向推力载荷下降趋势均会随偏航角度的增加而加快,功率的瞬时波动要远大于轴向推力载荷波动;在0~45°范围内,余弦规则对于功率下降的预测效果比对轴向推力载荷下降的更好,但对两者均存在高估,并且预测偏差会随着偏航角度的增大而先增大后减小;偏航角大于30°后,尾流横向偏移距离不会随着偏航角的增加而继续变大,偏航尾流横向截面分布呈肾形分布,存在上下分布的反向旋涡对,最大速度亏损区域均位于肾形分布的上侧区域。研究结果对水轮机主动或被动偏航工况下的运行控制和阵列布置具有参考意义。

真实地形对实尺寸潮流能水轮机影响研究

在真实的流场下,海底地形会对潮流能水轮机的性能带来不可忽略的影响。以目前安装于舟山国家潮流能示范场的450kW水平轴水轮机为研究目标,以现场真实地形为基础,通过实测流场和水槽实验验证了计算流体动力学方法建立的水轮机模型。在此基础上,对位于水底斜坡上的装置性能及尾流发展进行了考察。研究结果显示,在潮流上坡时,性能提升可达到20%;而在潮流下坡时,水轮机性能出现明显退化,效率衰减约10%,同时轴向负载增加超过5%。此外,水底地形将会显著影响水轮机的尾流发展,尾流会自发向水深更深的区域偏移;随着潮流流速的增加,尾流波及区域也会明显延长。

S型潮流能发电装置叶轮设计及性能研究

为了提高潮流能的能量利用率,设计了一种能够迎合双向来流且获能系数高的叶轮。首先,通过Ansys中的Fluent模块对两种基本翼型进行水动力特性的研究,选择性能更佳的翼型设计出S型可逆翼型,再对叶轮进行数值模拟,检验S型可逆翼型是否能提高潮流能的能源利用率。结果表明:非对称带有弯度的翼型有更好的升力系数,并且反向对接时,所设计的S型可逆翼型结构更平坦的性能更佳;所设计的叶轮在不同流速下的数值模拟,分析不同工况下的水动力特性,表明S型可逆翼型能量利用率明显提高,可有效地应用于潮流能发电装置叶轮的设计。

海浪条件下水平轴叶片式潮流能水轮机流动特性的数值模拟

为了研究自由海浪条件下的高潮汐流速对水平轴潮流能水轮机的动态特性影响,基于STAR-CCM+建立了海浪条件下潮流能水轮机水动力特性的数值模拟方法,得到了海浪对潮流能水轮机转动影响规律及转动过程中产生的尾流特征。结果表明,潮流能水轮机角加速度的幅度与频率受海浪影响,但波动幅度小于海浪波动幅度、变化频率高于海浪波动频率;水轮机转动产生的尾流会使下一个水轮机的周围流场更紊乱,对叶片转动的影响、水轮机轴负载和能量利用率等方面会产生影响;压力脉动变化趋势分析认为,尾流对水轮机疲劳损伤并无太大影响。

舟山海域重要水道潮流能资源评估

潮流能是指潮水水平运动中携带的动能,开发前景巨大。对区域潮流的精准模拟及特征分析有助于准确评估潮流能的时空分布状况,是潮流能资源开发利用的关键。本文选取潮流能蕴藏丰富的舟山海域,应用FVCOM海洋模式构建了高分辨率的潮汐潮流数值模型,经潮位、潮流验证,该模型可靠。根据模拟结果中流速的大小确定了潮流能资源密集的6处水道进行评估,其中西堠门水道、册子水道、桃花港水道平均能流密度超过2.0 kW m^(2),最大能流密度超过20 kW m^(2),流速大于1.0 m s时长超过80%,潮流涨落期间以往复流为主,潮流不对称性及旋转性低,潮流稳定系数大于0.98,较其他3处水道更适合潮流能的开发利用。通过有效发电小时数及可利用小时数确定了这3处水道内潮流能开发的最佳位置,并应用Farm法计算了相应的潮流能资源可开发量,分别为27.53、39.96和130.26 MW。

水平轴潮流能水轮机实验方法发展现状

潮流能可预测性强、能量密度大,具有广阔的开发前景。水平轴潮流能水轮机是发电效率最高的潮流能装置,世界各国对水平轴潮流能水轮机进行了大量实验研究。本文阐述了国内外水平轴潮流能水轮机的实验方法,包括实验设施、实验模型、实验平台和测量方法;并从均匀流和复杂环境两个方面对水平轴水轮机的模型实验现状进行总结和评价;分析目前水平轴潮流水轮机模型实验中存在的不足,并对未来的水轮机模型实验提出了一些建议,这对潮流能的开发具有重要意义。

潮流能水平轴水轮机流场分析

用OpenFOAM开源软件对水平轴水轮机进行数值模拟,以推力T作为体积力附加源项均匀加载到制动盘模型(AD),进行求解计算。在尖端速度比(TSR)为5.5的条件下,对自由区、单台水轮机、水轮机阵列3种情况下的流场进行分析。结果显示:在来流上游时,三者流速曲线吻合,流速增长趋势一致。水流在AD前端时,AD会对其有阻力作用,导致流速大幅下降。在尾流处,在水轮机阵列上游中,并列两侧水轮机尾流与下游水轮机流场发生动能交换,使其尾流恢复速度大于单台水轮机尾流速度。然而,无论是单台水轮机还是水轮机阵列,它们轴线方向上的中部尾流恢复严重不足,这是由于尾流的干涉使得下游水轮机的来流速度不断减小,其可吸收转化的能量也减少,速度随之减小,尾流也无法恢复。

浮式水平轴潮流能水轮机横摇艏摇耦合运动水动力性能分析

浮式潮流能装置的水轮机会随着与之刚性连接的载体在波浪作用下发生六自由度运动。为了研究横摇和艏摇耦合运动对其影响,采用滑移网格技术实现无界均匀流环境下水轮机在不同频率下横摇艏摇同频同幅耦合运动的非定常模拟,在网格无关性验证的基础上,将数值模拟的结果与水槽试验中扭矩传感器测量值对比来验证数值模拟结果的准确性。结果表明:水轮机的能量利用系数和轴向载荷系数平均值相比于无摇时分别约减小0.035和增大0.02,瞬时值出现周期波动且波动规律与仅发生艏摇运动时基本一致,当耦合运动频率为2 rad/s时,能量利用系数和轴向载荷系数瞬时值的变化幅度分别约为8.6%和5.9%;叶轮正面和背面压力出现不均匀分布且在平衡位置处最为严重,尾流场低速区和高涡量区域出现明显摆动,近尾流区的速度恢复加快但远尾流区域速度恢复变慢。