新型潮流波浪集成柔性浪轮式发电轮机的研究

王世明，杨志乾，吴帅桥，田　卡，江恩祝，秦渭华，李延刚

（1.上海海洋大学　工程学院,上海201306；2.国家海洋局东海标准计量中心,上海201306；3.国家海洋局东海预报中心,上海201306）

新型潮流波浪集成柔性浪轮式发电轮机的研究

王世明1，杨志乾1，吴帅桥1，田卡1，江恩祝2，秦渭华2，李延刚3

（1.上海海洋大学工程学院,上海201306；2.国家海洋局东海标准计量中心,上海201306；3.国家海洋局东海预报中心,上海201306）

为了寻求波浪和潮流能集成利用的可能性，基于Gorlov浪流集成理论，提出一种新型潮流波浪集成发电轮机结构，主要包含组合式导流罩、S型叶片轮机、发电机、浮体4个部分。通过水动力理论计算、流体数值模拟以及水槽实验结合的方式，对其进行结构的优化设计。实验证实了轮机优化方案的可行性以及浪流获能合理性。

潮流能；波浪能；集成；组合式导流罩；S型叶片轮机

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。波浪的能量与波高的平方、运动周期以及迎波面的宽度成正比。波浪能具有力量强、速度慢和周期性变化的特点，是可再生能源中最不稳定的能源。潮流能是指海水流动的动能，与流速的平方和流量成正比。潮流能随潮汐的涨落每天2次改变大小和方向，相对波浪而言，海流能的变化要平稳且有规律得多。

在海洋可再生能源开发利用中，波浪和潮流能是密不可分的，是有相互集成作用的。国外主要有Gorlov浪流耦合原理的发明专利，俄罗斯漂浮式波浪能及潮流能发电通用正交轮机，马来西亚科技大学的Omar Bin Yaakob教授浪流耦合理论及发电技术研究等；大连理工大学已有“波浪能-潮流能转换及综合利用装置”授权发明专利，能够有效地将能量分布广泛但能流密度低的波浪能转化成能流密度高的潮流能，并通过潮流水轮机提取。基于目前海洋能开发主要存在的基础理论问题有：（1）由于各种能源分布范围广且每个区域能量频率、构成不同，目前国际上对海洋能商业性开发的流体力学特性，特别是流浪集成的资源评估、集成机理、初级获能理论的研究非常浅[1]；（2）目前无论国内还是国外，目前都是对波浪和潮流能分别研究和利用，或者在波浪和潮流能研究和利用中，虽然在实际应用中有集成，但对其发电设备的型式类别一般都明确归类为波浪和潮流能，主要原因就是波浪和潮流能集成理论和工程问题都非常复杂[2]。

由于波浪和潮流的不稳定和频率范围较宽，波浪和潮流相互集成有时可以使发电效果增强，有时会使发电效果增强减弱；集成导致转换装置经常处于非设计工况或无法发电甚至使发电设备破坏。因此，波浪和潮流能如何集成、何时集成？研究典型海域波浪能和潮流能时空分布特征和相互集成作用机理，并考虑波浪能、潮流与柔性浪轮式发电设备的流固耦合，与发电设备的结构设计和海上布置结合起来，使发电装置处于设计工况，这些都是亟待解决的科学问题。

1　潮流波浪集成发电轮机结构

1.1潮流波浪集成发电轮机

本装置主体结构是由组合式导流罩、S型叶片轮机、发电机、浮体4部分组成。

图1　潮流波浪集成轮机发电设计图

如图1所示，潮流波浪集成发电轮机由防侧翻重块、潮流导流罩、支撑构件、浮体、波浪导流罩、电机箱、叶轮组成。本装置有两部分能量吸收过程，第一部分潮流能通过潮流导流罩收集，从扩口的入口段进入，通过加速段推动叶轮转动，从而使法兰盘转动，进而使与法兰盘固定的主轴转动，因主轴与电机轴连接，从而使电机工作。第二部分波浪能通过波浪导流罩收集，由于波浪的作用，使整个装置上下浮动，因此使垂直设置的波浪导流罩可以将波浪引入，波浪通过波浪导流罩上端的入口进入，波浪再通过潮流导流罩上的波浪入口推开挡板进入潮流导流罩内，可以使波浪推动叶片转动，带动法盘和主轴转动，从而使与主轴相连的电机工作。通过对波浪能和潮流能两种能量的吸收，可以最大程度利用海洋能源进行发电，增加吸收能量的效率。

1.2潮流波浪集成原理

如图2所示潮流波浪集成原理，潮流导流罩内的S型叶片可以双向接收能量，无需改变整个装置方向，随一天两次的潮流走向，与有尾舵的集成装置达成同样的吸收效果。垂直设置的波浪导流罩可以将波浪引入，波浪通过波浪导流罩上端的入口进入，波浪再通过潮流导流罩上的波浪入口推开挡板进入潮流导流罩内，可以使波浪推动叶片转动，带动法盘和主轴转动，从而使与主轴相连的电机进行工作。

图2　潮流波浪集成原理

2　S型叶片结构优化设计及水槽实验

水轮机能量利用率Cp是衡量水动性能的关键指标，已得到国内外普遍认可。其计算公式为：

结合公式P=nT/9.55

式中：P为叶片吸收的总功率，W；ρ为海水密度，1 025 kg/m3；S为水轮机扫掠面积，m2；V为浪流速度，m/s；n为轮机转速，r/min；T为主轴扭矩，N·m；为能量利用率系数。

2.1S型叶片结构设计

平板翼型和扰流不好，性能较差。风力机翼型吸收效率研究达到瓶颈，现在世界上获能最高的风机翼型能够达到0.59左右，且不好加工，占用空间太大。水平轴轮机获能效率最高约0.4左右，而垂直轴轮机的为0.25～0.4。基于泵机原理，设计出特定S型叶片，经模型试验，S形翼型能够获得较高的捕能效果。

图3　S型叶片翼型

图中：F为拱度，拱度F/L取4%左右性能最好，圆弧半径：

本轮机采用简化三元流动模型，转轮出口平均速度分布可转化为径向流动方程，方程式可表示为：

式中：ηR为叶轮效率；ω为叶轮旋转角速度，ω2πn/60；n为叶轮转速；r为半径；VZ为轴向流速；Vu为圆周速度。同时为了获得更好的发电效能，水流是双向的，要采用双向驱动，能量利用率高。查阅资料表明低转速叶轮驱动，叶轮采用双向，因此叶片轮机采用双向对称翼型。

图4　双向叶轮细长海浪发电系统示意图

2.2水槽实验

实验通过改变叶片的不同安装角度β和叶轮片数z，来求得叶片安装角和片数的最优解，由于实验成本的限制，采用3个不同的安装角度及2个不同的叶片数量共计9种不同的S型叶片模型进行水槽实验。S型叶片轮机参数如表1。

表1　S型叶片轮机参数

实验地点选在国家海洋局东海标准计量中心的水槽。该水槽型号是200 m×4 m×3 m,可以模拟不同海况的浪流，产生规则波和不规则波，拖船速度相对范围是0.5～3 m/s。通过ZHO7-50转速扭矩传感器测得S型叶片轮机的转速n及轮机扭矩T，将以上数据代入式（2）中,测得不同叶片轮机的能量吸收效率Cp。

图5　东海标准计量中心水槽安装现场图

图6　实验现场图

图7　功率仪与传感器显示仪

3　试验结论

水槽试验中，采用轮机支架结构与拖车固连，通过电控室对拖车速度的控制来模拟海浪流速。在模拟浪高0.5 m、周期为2 s、浪流速度1 m/s下，改变不同的叶片安装角度β及叶片数量z，即更换不同的叶轮，获得功率、转速、扭矩数据如表2。

表2　试验收集数据

图8　各项参数与叶轮β/z的关系图

结合上述试验所测相关数据，归纳结论如下：

（1）S型翼型4片叶轮的水动性能明显优于3片叶轮，更容易吸收潮流与波浪产生的能量，叶片数量过多容易在叶片附近造成紊流，导致能量吸收不均匀。

（2）叶片的安装角度40°附近捕获能量明显优于30°与50°，但是试验成本有限，没有做更详细的叶片安装角试验，推测在40°～50°之间存在最佳安装角。

（3）从目前模拟浪流试验数据看出，在模拟浪高0.5 m、周期为2 s、浪流速度1 m/s下，40°/4为最佳获能安装角/叶片数，能量转换率达到最大36.15%。在实际海域下，存在高于试验条件的海况，能量捕获会更大，效率也会更高。

4　总结

本文结合国内外先进潮流波浪集成理论，自主设计潮流波浪集成发电装置，详细阐述该轮机的发电原理和结构设计方案。在潮流波浪集成的基础上，为以后更好地利用海洋能提供了有效的参考和借鉴。

同时，针对S型叶片轮机的分析，以其获能系数为主要考察点而设计了水槽实验方案，且通过实验数据对其性能及最佳获能点进行分析，上述实验方案设计及其实验结论为轮机的结构优化提供了有效的数据支撑，也可为解决类似的工程问题提供参考依据。

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Research on a New Type of Tidal-Current-Wave Integrated Power Generating Device with Flexible Blade Turbine

WANG Shi-ming1,YANG Zhi-qian1,WU Shuai-qiao1,TIAN Ka1,JIANG En-zhu2, QIN Wei-hua2,LI Yan-gang3
1.College of Engineering,Shanghai Ocean University,Shanghai 201306,China; 2.East China Sea Center of Standard and Metrology,State Oceanic Administration,Shanghai 201306,China; 3.East China Sea Forecasting Center of State Oceanic Administration,Shanghai 201306,China

To explore the possibility of wave and tidal current energy integrated utilization,based on the Gorlov wave theory,this paper puts forward a new structural design of tidal-current-wave integrated power generating turbine.Its main structure is composed of modular power turbine shroud,S-type turbine blades,generators and floating body.Its structural design is optimized through hydrodynamic theoretical calculation,fluid numerical simulation and flume experiments.The results prove that the optimizing scheme is feasible and the structural design is scientific and rational.

tidal current energy;wave energy;integration;modular shroud;S-type turbine blade

P743.1

A

1003-2029（2016）05-0051-04

10.3969/j.issn.1003-2029.2016.05.0010

2016-07-10

国家海洋局2013年海洋可再生能源专项资金资助项目（SHME2013JS01）；上海市2014年优秀技术带头人计划资助项目（14XD1424300）；上海市军民结合专项资助项目“大型海洋自供电观测浮标产业化示范推广”

王世明（1964-），男，教授，博导，主要研究方向为海洋工程装备及海洋可再生能源。E-mail：smwang@shou.edu.cn