2.5 kW海上仪器潮流能电能补充装置试验

朱挽强，吴百公，赵　阳，陈健梅，董永军，张雪明

（东北师范大学　物理学院,吉林省先进能源开发与应用创新重点实验室，吉林　长春　130024）

2.5 kW海上仪器潮流能电能补充装置试验

朱挽强，吴百公，赵阳，陈健梅，董永军，张雪明

（东北师范大学物理学院,吉林省先进能源开发与应用创新重点实验室，吉林长春130024）

随着陆地资源日益枯竭，海洋成为人类生存和发展的广阔空间。针对海洋的研究不断扩大，海洋观测仪器日益增多，决定海上仪器工作时间的关键就是其内部电源的供电能力。在国家海洋能专项资金课题支持下，设计了一种利用海洋潮流能发电的2.5 kW拖曳式水平轴潮流能发电装置，为大型海洋浮标装置提供可靠的水下电能补充，通过拖动试验及海上试验表明该装置启动流速低、可靠性高。

潮流能；海上仪器供电；海上试验

能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。能源的开发利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展[1]。海洋能是可再生能源的重要组成部分，包括波浪能、潮流能、潮汐能、温差能、盐差能等。海洋能蕴藏的能量巨大，并广泛地分布在地球71%的表面，联合国教科文组织出版的《海洋能开发》认为，全球各种海洋能的理论可再生功率约为7.66×1010kW[2]。其中潮汐能（含潮流能）、海流能储量达到3.6×109kW，技术可用储量达到4×108kW，其利用方法与风力发电类似，但由于海水密度约为空气的800倍，因此虽然其流速较低，能量密度却很大，相同流速与装机容量下海流发电系统尺寸是风力发电系统的1/28，可见潮流能有如此巨大的开发价值。中国潮流能资源流速较低，因此潮流能发电装置只有在流速达1～2 m/s的海域才具有商业开发的意义[3-5]，其技术开发难度也高于欧美。

近年来在国家“863”计划、科技支撑计划、国家海洋可再生能源专项资金支持下，我国潮流能开发技术与欧美已处于同一水平，甚至在某些方面还处于领先地位。本文在国家海洋可再生能源专项资金技术支持下设计并制造了单机容量2.5 kW的专为大型海洋浮标提供电能补充的发电装置（如图1），并开展了水槽拖动试验和海上试验，验证了该装置的发电能力及海上长期工作的可靠性。

图1　总体装置示意图

1　试验装置组成

该装置由2台2.5 kW拖曳式潮流能发电装置、海上浮标模拟浮体、负载及监测系统组成。设计初期发电装置采用2叶定桨距轻量化透平，经过水槽拖动实验以后透平实度增大1倍，变为4叶片。传动机构采用直驱结构，发电机采用通过水下密封处理的永磁低速直驱发电机设计。该系统设计具有启动流速低、可随浮体自适应流向、可直接工作于海水中等优点。

透平的直径是2.6 m,额定流速是2.2 m/s,额定转速是40 rpm,以此为设计条件，通过叶素动量理论计算叶片的弦长分布和安装角分布。得到的叶片的弦长分布和安装角分布如式（1）～式（2）所示。

叶片的造型如图2所示。

图2　4叶透平转子

装置进行实验前，在Fluent软件里面进行了仿真计算。计算的流体域远远小于实际流体域。为了使计算结果更精确，将流体域分为内流体域和外流体域。外流体域是圆柱形状，直径是透平的5倍，进口距离透平前端5倍透平直径的距离，出口距透平后端的距离是透平直径的10倍。内流域是包围透平的圆柱体，厚度是透平的厚度。内外流体进行数据交换，进行流体计算。

图3　流体域

计算时，在额定转速和流速的条件下透平的效率达到49%，完全达到设计要求。

推力系数计算公式如式（3）所示：

额定条件下的推力系数是1.3，透平产生的推力会比较大，所以在做的浮体比较大，防止透平对浮体的姿态产生较大影响。

由于发电装置为浮标进行供电，因此还设计了海上浮标模拟浮体。该浮体采用镀锌角钢焊接的框架结构，内填充浮力体，具有重量轻、结构强度大的优点。浮体通过锚系结构固定于海面。2台发电装置置于浮体两侧，使得重量得到平衡，保持姿态的稳定性，如图4所示。

图4　浮体组装图

2　水槽拖动试验

发电装置在海试前必须通过室内各项测试，本装置通过了电机防水、密封性能测试、电机拖动平台测试等，特别是在经过测试和系统组装后对单机进行了水槽拖动试验。

水槽拖动试验在大连理工大学完成。

试验平台：大连理工大学船舶工程学院船模拖曳试验水池

平台概况：水池占地面积约1 050 m2左右，长160 m，宽7 m，水深3.7 m，移动吊臂的承重达到5 t。

试验装置固定：整个试验装置通过自制工装架固定于船模拖曳试验水池拖曳平台的中轴上。通过水槽拖动实验的实验结果，发电装置在2.2 m/s流速下实现了2.5 kW左右的平均功率输出，满足了设计要求。拖动实验照片如图5所示，流速跟功率的关系如图6所示。

图5　水槽拖动实验

图6　流速功率图

3　海上试验

装置在室内测试得到了较好的试验结果，在进一步对装置进行优化检测后，开展了海上试验。设计单位地处北方，由于距离和海域使用权的原因，选择了距离较近的山东斋堂岛海域进行了海上测试试验。

根据中国海洋大学王树杰教授提供的斋堂岛水道资料显示，斋堂岛水道位于胶南琅琊台与斋堂岛之间，长1.5 km，潮流方向为NE-SW向。低潮时，最窄处600 m左右，高潮时宽约1 000 m，水深8～10 m，最大流速2 m/s以上，整个水道潮流能资源4 000 MW。斋堂岛外海流资源，流速达1 m/s以上。斋堂岛位于35°37′48″N,119°55′24″E，面积0.46 km2。斋堂岛分南岛和北岛,南岛高69.6 m，北岛高27 m，两岛之间有一狭长堤坝连接,距陆最近点处约0.7 km。北岛平坦，有居民400多户，以渔业为主。从资源状况与环境条件来看，斋堂岛水道属于中国北方典型的潮流能资源区，同时又有一定的用电需求，因此具有一定的代表性。图7为测试装置的放置位置。

装置于2014年11月4日在斋堂岛水道下水，依托固定式塔架固定，开始正常工作，2015年6月13日安装于自制模拟浮体上，2015年11月20日电缆被盗割止，期间经历3次被动渔船撞坏、渔网缠绕、测试被盗等3次破坏，历时381 d，其中由于破坏停止运行时间超过60 d。经过检测未被破坏的发电机主体、透平部分均正常工作，表明了装置的可靠性。图8是海上浮体，透平正在水下运行。

图7　青岛斋堂岛水域海试地点

图8　5 kW拖曳式潮流能发电装置浮体海上运行

4　结论

目前各种大型浮标功能越来越多，所处理信息量日益增大，其所消耗电能也大幅度提升，因采集海洋能补充电能的技术难度较大，国际上大多数海洋观测浮标基本采用一次长寿命蓄电池供电，因而对于海洋观测仪器，特别是大型锚系多功能浮标、水下潜标等探测仪器,实现电能补给现实的方法就是采用海洋能供电，特别是具有规律性的海洋潮流能必将成为主流方式。

该装置通过水槽拖动试验与海上试验验证了装置的可靠性和发电能力，为海洋仪器潮流能供电提供了技术基础，积累了实际经验。

[1]Wu B,Zhang X,Chen J,et al.Design of High-Efficient and Universally Applicable Blades of Tidal Stream Turbine[J].Energy. 2013,60:187-194.

[2]朱挽强,徐明奇,张雪明.水平轴表层潮流发电机关键技术研究[J].太阳能学报，2012,33(6):1067-1072.

[3]王传崑,卢苇.海洋能资源分析方法及存储评估[M].北京:海洋出版社,2009.

[4]马舜,李伟,刘宏伟，等.25 kW独立运行式水平轴潮流能发电系统[J].电力系统自动化，2010，34（14）：18-22.

[5]王树杰.柔性叶片潮流能水轮机水动力学性能研究[D].青岛：中国海洋大学，2009.

Experimental Study on the Electric Supplementary Device Rated 2.5 kW for Marine Observation Instrument

ZHU Wan-qiang,WU Bai-gong,ZHAO Yang,CHEN Jian-mei,DONG Yong-jun,ZHANG Xue-ming
School of Physics,Northeast Normal University,Jilin Provincial Key Laboratory of Advanced Energy Development and Application Innovation,Changchun 130024,Jilin Province,China

With land resources increasingly in shortage,the ocean has become a vast space for the survival and development of human beings.With marine research constantly deepening,the number of marine observation instruments increases with every passing day.The power supply capability determines the working duration of the marine instrument.This paper,supported by the Special Fund for Marine Energy,designs a towed 2.5 kW horizontal axis tidal current energy power generating device to utilize ocean current energy,so as to supply reliable and supplementary underwater electricity for large ocean buoys.The drag tests and sea trials show that the device has the advantages of low start velocity and high reliability.

tidal current energy;power supply for marine instruments;sea trials

TK79；P743.1

A

1003-2029（2016）05-0041-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.008

2016-07-10

中央高校基本科研项目资助潮汐电站中竖井贯流式水轮机的水利优化研究（2015B12514）

朱换强（1980-），男，博士，讲师，研究方向为海洋可再生能源开发利用技术。E-mail:zhuwq773@nenu.edu.cn

张雪明（1949-），教授，E-mail:zhangxm634@nenu.edu.cn