新型漂浮式潮流能电站

崔申申，宋蛰存，王达凯，廖志华，黄德财

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150000）

0 引言

能源是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力，是人类赖以生存的基础。当今社会主要依赖于传统的化石能源，全球总能耗的74%来自煤炭、石油、天然气等矿物能源。伴随着经济的快速发展和人口的迅速增长、能源消耗大幅增加、化石能源资源却在日益耗尽。不但如此，化石能源的利用，对自然环境也造成了极大的破坏。开发利用潮流能，开展潮流发电装置研究是能源供应和环境保护的需要。

我国沿海十几个省（市）区能源生产总量为3.5 亿吨标准煤，占全国25%，而我国能源消费主要集中在沿海经济发达地区，消费总量为7.7 亿吨标准煤，占全国52%。沿海省（市）区在能源资源占全国比例不足20%的情况下年国内生产总值占到了全国70%左右。我国东部沿海地区要率先实现全面小康社会是国家的发展规划和长远目标，但能源短缺已经严重影响了沿海地区持续快速的发展。开发利用潮流能，开展潮流发电装置研究是沿海及岛屿社会经济发展的需求。

近十年来，我国政府对潮流能及其转换装置的研究给予了高度重视和经费支持，旨在研究发展潮流发电装置设计分析方法，设计建造性能优良、能长期可靠运行的潮流示范电站，进而实现潮流电站的商业运营。开发利用潮流能，开展潮流发电装置研究是是潮流发电技术自身发展的需求。

1 潮流能的特点

潮流是由于潮汐现象而产生的有规律的海水流，大部分海域的潮流其方向每天改变两次，也存在一些水道，其潮流的方向不变。潮流能发电就是利用潮流冲击叶片使叶片旋转进行发电，潮流能发电开发到今日，研究较多的潮流能发电方式主要有两种： 水平轴潮流能发电装置以及竖直轴潮流能发电装置。潮流能的开发及利用要追溯到上个世纪，至1973年美国首次提出体用潮流能发电的方案开始，全世界就将目光转移到这种新兴能源研究及开发上。潮流能作为一种新能源，其具有：①可再生；②能量密度大，总储量大；③变化有规律，可提前预报；④绿色无污染等特点。

潮流能主要集中在近海浅水海域，特别是海峡，水道和湾口处。根据联合国科教文组织估计，世界可开发利用的潮流能总量约为3 亿kW。世界上潮流能丰富的地区包括中国，英国，日本，韩国，新西兰和加拿大等地区。

中国潮流能储量非常丰富。理论平均功率为13948.2MW。按海区分，中国东海沿岸的水道最多，其次是黄海，南海较少。中国舟山群岛地区，潮流能蕴藏量相当丰富，许多地方的潮流速度达到4m/s 以上，世界罕见，开发环境和条件很好，适宜建设大型的潮流发电场。

2 电站的总体设计

本电站由载体平台、升降柱、升降机构、机舱、锚泊系统等几个部分组成。其中载体平台为漂浮式平台，其形状为长方体，平台上有两个作业井，升降柱安装在作业井中，升降机构布置在作业井周围，升降机构与升降柱连接，控制升降柱升降。本电站中升降柱与机舱相连，机舱为单轴双叶片设计，在作业状态下，升降柱下降，使得机舱位于潮流流速适宜的位置进行发电作业；在维修状态下，升降柱上升，使得机舱位于作业井内，避免了水下作业。本电站为双转子对旋结构，两个机舱上的同一端的叶片对旋。本电站的锚泊系统的锚点安装在长方体下表面的四角处。电站的总体设计如图1 所示。

图1 电站总体设计图Fig.1 The overall power plant design

3 获能装置的设计

获能装置作为电站的核心部分，其直接决定电站的发电功率，电站是否具有可行性，是否具有应用前景都取决于获能装置设计的成功与否。由于潮流能电站所处的作业环境比较恶劣，在进行获能装置的设计时，除了要考虑到如何提高获能装置的工作效率之外，还要考虑到获能装置对平台稳定性的影响。

3.1 单舱双叶片结构设计

水平轴潮流能发电装置在其开发过程中，人们一直在寻找提高潮流能发电功率的方法，比如，通过增大水平轴叶片的直径来提高发电功率，或是通过对水平轴叶片进行优化设计来达到提高发电功率的目的。这些方法在一定程度上虽然可行，但随之也带来了许多问题，水平轴叶片直径不断增大提高了叶片的造价也对叶片的制造工艺提出了更高的要求；对叶片不断进行优化也已经进入到了瓶颈期，很难再通过优化大幅度地提高叶片的转换效率。

人们通过对水平轴发电机尾流效应的研究，发现水平轴发电机尾流同样具有利用价值。通过在机舱尾部安装叶片，对经过机舱首部叶片的潮流进行二次利用，提高了发电装置的功率。研究表明，水平轴叶片的涡流主要集中在叶稍及叶根处，因此尾部的叶片在叶稍及叶根处将遭受很大的湍流作用，于尾部叶片的稳定性不利，因此在设计过程中，我们加大了尾部冶炼叶根处的长度，并减小了尾部叶片的直径。其结构如图2 所示。

这种结构设计除了有提高潮流能利用率的优点之外还具有以下优点：

（1）安装于机舱两端的叶轮所受轴向力方向相反，降低了侧向流载荷，同样是机舱的重心为机舱的中心位置处，降低了机舱结构强度的要求。

（2）机舱内的连接轴对转使得升降柱受到的合力矩大幅降低，大大提高了系统的可靠性。

（3）首尾端对转叶轮使得切割磁感线的速度大幅增加，降低了增速器的符合，提高了其寿命。

为了简化机舱内部系统，提高机舱内部系统运行的可行性，本电站中机舱采用两套发电系统来满足两个叶片发电的需要。机舱中安装有： 连接轴，刹车系统，加速器，发电机等。其机构如图3 所示。

图2 机舱机构图Fig.2 Cabin organization chart

3.2 水平轴叶片形状设计

本电站中水平轴叶片形状设计采用Wlison 设计模型计算叶片参数进行形状设计。Wlison 设计模型是目前国内外叶片设计应用较为普遍的方法之一，它是对Glauert方法进行了改进。Wlison 方法研究了有叶稍损失和升阻比对叶片最佳性能的影响，并且研究了叶片在非设计状态下的性能。因此该方法更加先进，计算精度更高，考虑更加周全。

图3 机舱内部机构图Fig.3 The cabin interior organization chart

考虑到阻力对轴向和切向干扰因子影响较小，故设计叶片外形时，Wlison方法不计阻力，可知：

其中： N—叶片数；C—翼型现场；CL—升力系数；φ—迎流角；r—叶素的半径；a—轴向干扰因子；b—切向干扰因子。但考虑叶稍损失的影响可得如下关系式：

上式中F 为叶稍损失系数，由下式来计算：

b（1+b）λ2=a（1-aF）

风能利用系数可由下式得：

其中：λ0—叶轮尖速比；λ—局部尖速比；V1—潮流能流速。若使得潮流能利用系数CP值最大，须使得每个叶素上的CP值达到最大，可用迭代法计算每个叶素上的诱导因子a，b，使得诱导因子a，b 在满足式b（1+b）λ2=a（1-aF）的条件下使CP达到最大值。

求得每个叶素对应的最优化a，b 后，根据Wlison理论的相关公式可以求得叶片的相关参数，从而完成叶片的设计。

3.3 双转子对旋结构设计

水平轴潮流能发电装置在发电过程中，由于叶片单向旋转会形成很大的侧向流载荷，侧向流载荷的大小随着叶轮直径的增大而增大。一般情况下，水平轴叶片旋转引起的侧向流载荷对平台的稳定性影响较大，因为漂浮式平台通过锚链固定，侧向流载荷的作用会加大锚链的载荷，严重时会导致锚链锻炼。为了解决这个问题，我们提出了双转子对旋机构设计，电站的两个机舱布置在漂浮式平台的两侧，两个机舱的叶片各自的旋转方向相反，这样两个机舱上产生的侧向流载荷的方向也相反，从而起到抵消侧向流载荷的作用。

4 升降柱及升降装置的设计

本电站中，升降柱起到连接机舱及漂浮式平台的纽带作用，升降柱如果在作业过程晃动幅度过大，叶片的转动就会收到影响，整个电站的发电效果就会大幅度降低，因此升降柱的稳定性要得到充分的保证。升降柱通过升降机构与漂浮式平台连接，升降机构在电站工作状态切换时需要调整升降柱所处的垂向高度，由于升降柱受到浮力作用，因此在升降过程中升降机构所收的升降柱的作用力不停变化，很难控制，容易造成升降机构的破坏。

为了解决升降柱升降过程中升降机构所收的力不断变化这一问题，通过将升降柱设计成空心结构，在升降柱的内部安装压载水舱。压载水舱在升降柱上升过程中会往外部压水，使得升降柱具有一定的浮力，但浮力的变化幅度较小；在升降柱下降过程中，压载水舱往内部打水，使得升降柱的重力增加，但升降柱的合力保持不变。压载水舱的设计，使得在升降柱在升降作业时，降低了升降机构的提升能力，降低了生产成本。

为了升降柱在一定工况条件下保持稳定，升降柱的限位设计尤为重要，该电站采用三维限位法，在x，y，z 三个方向对升降柱进行限位。具体的设计为，升降柱垂向安装有滑杆，在对应的作业井位置安装有滑块，滑块与滑杆啮合，在升降过程中，滑杆在滑块内滑移；在升降柱的两个面安装四根齿条，该齿条与升降机构中齿轮啮合，起到了很好的限位作用。升降柱结构图如图4 所示。

本电站升降机构采用”齿轮齿条升降法 “为主，压载水舱为辅的作业形式，齿轮齿条升降法具体的就是在作业井周围安装轴系，轴系上连接齿轮，该齿轮与升降柱上的齿条啮合，轴系由电机驱动。

5 锚泊系统设计

本电站作为在海洋潮流水道海域长期工作的漂浮式载体，要抵御狂风，巨浪和暴潮的袭击，问了保证电站在大多数海况下可以正常工作和在恶劣海况下的安全，漂浮式载体的系泊系统设计就尤为重要。本漂浮式电站存在升降柱的设计，升降柱机构较大，其对整个漂浮式电站的作用明显，因此，在进行系泊系统设计的时候，还要考虑升降柱对漂浮式平台的作用力。

图4 升降柱结构图Fig.4 Lifting Column Chart

本项目系泊系统的设计： ①采用悬链式系泊方式；②为了能承受高强流和叶轮旋转过程中产生的载荷，考虑到潮流电站的相对稳定性及经济性，选用非线性高弹索与锚链相组合的多成分锚泊线，即锚链-高弹性索-锚链的组合成分；③由于电站所在海域的海底地形较为复杂以及迎流方向锚泊线所受的水平力较大，且考虑到锚泊线可能断裂的情况，所以锚泊系统采用双八字型布置形式，如图5所示。

图5 双八字型对称布置Fig.5 Two-character type symmetrical arrangement

6 结论

本文提出了一种新型的漂浮式潮流能发电电站设计。通过对潮流能获能装置的研究，提出了一种新型的获能方式以及获能装置布置形式，通过数值计算，我们可以看出，这种新型的获能方式具有很好的发电效率；且获能装置的对称布置减小了侧向流载荷，降低了系泊系统的设计标准。考虑到潮流能发电装置在维修状态下存在的众多不利，提出了升降柱机构设计，很好地解决了潮流能发电装置维修状态下水下作业的问题，提高了整个电站的可靠性。

[1] 邱飞.水平轴潮流能发电装置海洋环境载荷与可靠性分析[D].中国海洋大学，2012.

[2] 张亚超.水平轴潮流能发电机尾流效应的实验研究[D].浙江大学，2014.

[3] 王掩刚，赵龙波，等.双转子对旋风轮设计及三维数值验证[J].流体机械，2011.

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