波浪对潮流能水轮机性能测试影响的实验研究

随着潮流能开发利用技术日趋成熟,对其测试工作也提出了更高的要求。然而,在潮流能装置性能测试中,波流相互作用的影响往往被忽略,导致测试结果不准确。为了研究波流相互作用对测试的影响方式与程度,采用物理模型试验的方法,对垂直轴潮流能发电装置模型进行了试验研究。通过分析波流作用下装置的扭矩、转速及发电功率,发现波流与发电装置耦合作用明显,相比不存在波浪影响的情况下,叶轮的转动、主轴的扭矩都变得不规则,启动流速变小,同时,扭矩、转速及发电功率的瞬时值显著增大。测试结果表明,波流相互作用对装置性能测试影响显著,平均影响程度约10%,研究结果为今后潮流能发电装置性能测试标准的制定和完善提供了参考和依据。     

水平轴潮流能发电装置控制流程设计

以正在研制的水平轴潮流能发电装置为对象,开展了工作流程控制方法的研究工作。建立了基于叶素-动量理论的动力特性仿真模型;利用仿真模型考察了发电装置的启动转矩和转速特性,以及流速大于额定流速条件下的功率限定问题,制定了基于发电机输出电压的启动控制策略和基于发电机输出功率的功率限定控制策略。根据控制策略,设计了装置的控制流程。结合潮流变化情况,对控制流程进行了仿真。仿真结果表明,基于发电机输出电力参数的控制流程能够较好地实现对发电装置的控制。     

新型水平轴定桨距永磁直驱潮流能发电系统设计及应用

双向潮流适应性和运行可靠性是水平轴潮流能发电系统需要解决的两个关键问题。文中研究的新型潮流能发电系统由自适应双向流水平轴定桨距潮流能透平、直驱永磁发电机、功率变换器、蓄电池储能系统以及卸荷负载组成。根据我国潮流能特点和直驱永磁发电系统的运行特性,采用翼型尾翼完成透平的双向潮流对流功能。针对离网型潮流能发电系统的功率控制,设计了基于三相不可控整流桥和双管BUCK-BOOST变换器的功率变换电路。基于Matlab/Simulink软件对20 k W潮流能发电系统各部分进行了建模与仿真分析。在实海况环境进行了现场试验。研究表明,设计的离网型水平轴潮流能发电系统能够有效地利用双向潮流能,而且在结构设计方面所采取的措施提高了系统的可靠性。     

海洋能发电装置现场检测平台设计

随着国际社会对海洋可再生能源开发利用的关注,众多海洋能发电装置投入研发。目前我国已有相当一部分海洋能发电装置进入海试阶段。因此,在海洋能发电装置海试的过程中,需要对海洋能发电装置的发电性能进行检测。文中介绍了海洋能发电装置现场检测平台的设计,研究并设计检测方法以满足海洋能发电装置现场检测的需求。海洋能发电装置现场检测平台的设计以满足波浪能、潮流能发电装置的测试需求为主,兼顾其他形式的发电装置。该平台主要对海洋能发电装置的功率特性、电能质量特性以及电网适应性等指标进行测试,并根据海洋能发电装置的测试结果开展分析与评价。     

潮流能发电装置现状分析

潮流能是海洋新能源中相对稳定且可提前预报的一类,较传统的拦坝式潮汐能开发具有环境影响小、开发规模灵活等优点,其大力发展可为海岛经济发展和海洋观测设备提供能源。文章对潮流能发电技术的研究现状进行了总结分析,详细介绍了水平轴、垂直轴和其他形式潮流能发电装置的构造以及国际上主流装置的设计参数和试验示范情况,重点对比分析了不同类型潮流能发电装置的特点和技术参数,简要总结了我国潮流能示范电站安装运行情况,并对其装置类型、导流罩作用以及布放形式等内容进行了讨论,可为我国潮流能资源的开发利用和潮流能装置测试区建设提供科学参考和设计依据。     

2.5kW海上仪器潮流能电能补充装置试验

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 k W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。     

水平轴潮流能发电机组液压变桨技术研究与海试

变桨技术是水平轴潮流能发电机组的关键技术,对实现机组的功率控制和双向发电具有重要意义。在综合分析电气变桨方案和液压变桨方案的基础上,完成了120 k W水平轴潮流能发电机组变桨机构及其控制系统的设计,并进行了变桨距系统的厂内试验和海上试验,试验结果表明,该系统可以很好地实现机组的双向发电并实现发电机输出功率的有效控制,同时变桨距机构运行稳定,响应特性达到预期设计目标。     

点吸收式波浪能发电装置姿态特性分析

点吸收式波浪能发电装置是一种最简单的振荡体式波浪能发电装置, 但其安装成本高、生存能力较差。本文针对点吸收式波浪能发电装置的姿态稳定性问题, 开展了其在波浪作用下的运动姿态和发电功率之间的关系研究。首先介绍了点吸收波浪能发电装置的工作原理; 然后,根据我国南海海域的自然资源条件, 划定波况范围, 利用相似理论在实验室中模拟波浪参数,选定工况, 建立模型, 设计测量系统, 开展物理模型试验; 最后, 利用试验结果分析了发电装置的最佳发电周期、波高对装置发电功率的影响, 装置姿态对发电功率的影响等。本文为点吸收式波浪能发电装置设计及测试提供了参考。     

我国海洋能发电装置的测试和评价

发展海洋能发电装置测试和评价技术有助于推动相关技术成果转化,促进我国海洋能的开发利用。文章概述国内外海洋能发电装置及其测试和评价技术进展;重点分析海洋能(潮流能和波浪能)发电装置测试和评价的主要内容,包括功率特性、电能质量特性及其综合测试系统;分别选取潮流能和波浪能发电装置案例,按相应方法和内容进行现场测试和评价。     

轮缘驱动型潮流能发电系统启动特性研究与分析

轮缘驱动型潮流能发电系统将导流罩、叶轮和发电机集成为一体化设计,叶轮直接驱动发电机旋转发电。最小启动流速是衡量系统性能的一个重要指标,决定其启动性能的主要因素为叶轮启动力矩、系统摩擦力矩和发电机齿槽转矩。对影响系统启动性能的主要因素进行了分析,详细分析了叶轮启动转矩和发电机齿槽转矩特性。使用理论分析结合有限元仿真方法分析了轮缘驱动型潮流能发电样机系统的启动特性,并通过样机实验验证了理论分析的正确性。本文的分析结论可以为轮缘驱动型潮流能发电系统的设计和分析提供一定理论指导。     

潮流发电帆翼式柔性叶片水轮机实验研究

潮流发电水轮机是海洋潮流能发电系统的核心组成部分.帆翼式柔性叶片水轮机是一种全新水流发电装置,叶片由柔性材料制成,在流体力作用下自动调节攻角,能充分利用流体的升力和阻力效应做功.以帆翼式柔性叶片水轮机获能系数为研究目标,采用因次分析法初步分析可能影响获能系数的因素,通过模型实验对叶片弧弦比、叶片边弦比、叶片密度与获能系数的关系进行研究.不同结构形式转子存在不同叶片弧弦比最佳值,叶片边弦比愈大,获能能力愈强;在一定范围内,叶片密度较小时,获能与起转能力强,转速波动性较大,适用于低流速工况;反之获能与起转能力弱,稳定性较好,电能质量较高,适用于高流速工况.最后提出优化方案,实验证实优化后水轮机在获能能力和发电能力上均有所提高.     

Design and Test of 1/5th Scale Horizontal Axis Tidal Current Turbine

Tidal current energy is prominent and renewable. Great progress has been made in the exploitation technology of tidal current energy all over the world in recent years, and the large scale device has become the trend of tidal current turbine (TCT) for its economies. Instead of the similarity to the wind turbine, the tidal turbine has the characteristics of high hydrodynamic efficiency, big thrust, reliable sealing system, tight power transmission structure, etc. In this paper, a 1/5th scale horizontal axis tidal current turbine has been designed, manufactured and tested before the full scale device design. Firstly, the three-blade horizontal axis rotor was designed based on traditional blade element momentum theory and its hydrodynamic performance was predicted in numerical model. Then the power train system and stand-alone electrical control unit of tidal current turbine, whose performances were accessed through the bench test carried out in workshop, were designed and presented. Finally, offshore tests were carried out and the power performance of the rotor was obtained and compared with the published literatures, and the results showed that the power coefficient was satisfactory, which agrees with the theoretical predictions.     

琼州海峡潮流能资源的数值模拟评估

近年来,我国能源消耗量不断的增长使我们更加重视可再生能源的开发利用,而我国近海拥有复杂的海岸线和广阔的大陆架,其中许多海域蕴藏着丰富的潮流能资源。潮流能资源评估则是其电站站址选择、发电量预测等工程设计的首要工作。结合两个站位的潮流实测数据,本文利用FVCOM海洋环流数值模式较好的模拟了琼州海峡潮波传播状况,分析了该海域潮流能资源水平分布规律和时间变化特征,初步估算了该水道的潮流能的理论蕴藏量,并采用FLUX方法对该水道的技术可开发量进行了评估。结果表明,琼州海峡中心海域功率密度高,两岸资源低;可能最大流速、大潮年平均最大功率密度、小潮年平均功率密度和年平均功率密度等特征值分布基本相似;其丰富区域出现在海峡东口南部海域以及海峡中部海域,其中东口南部海域可能最大流速可达4.6 m/s,表层流大潮年平均最大功率密度为5996 W/m²,小潮平均最大功率密度仅为467 W/m²,年平均功率密度为819 W/m²,代表点超过0.7 m/s的潮流流速年统计时间约为4717 h;海峡潮流能资源理论蕴藏量为189.55MW,利用FLUX、FARM、GC方法得到该水道的潮流能可开发量分别为249GW/yr、20.2GW/yr和263GW/yr。     

老铁山水道潮流能初步估算

采用ECOMSED海洋数值模型较好地模拟了渤海的潮流运动状况,估算了老铁山水道的潮流能的理论蕴藏量,并采用FLUX方法对该水道的技术可开发量进行了评估.结果表明,老铁山水道北侧近岸海域最大可能流速约2.5 m/s,平均功率密度超过500W/m2,大潮平均最大功率密度为3 700w/m2,小潮平均最大功率密度为1400w...     

成山头海域潮流能资源可开发量评估

针对潮流能资源较丰富的成山头外海域,利用FVCOM数值模式,在良好模拟该海域潮流场的基础上,运用能量耗散原理,对该海域的潮流能资源可开发量进行了评估。结果表明,在转换装置的拖拽系数为0.07时,面积为27km2的成山头近岸海域的可开发潮流能资源约为17.9MW,其中大潮期间的可开发量高达37.7MW,而小潮期间则为7.3MW。在此条件下,该海域大潮期间涨急和落急时刻的流速分别减小了40%和38%,但发电装置对潮汐的影响较小,在成山头顶端的高潮潮位仅下降了4cm。     

潮流能发电装置支撑结构对水轮机水动力学性能影响研究

水平轴潮流能水轮机在工作过程中,由于支撑结构的存在,会使水轮机周围流场中的潮流流向、流速等参数发生不同程度的改变,进而影响水轮机的性能和发电装置的稳定性。为了研究支撑结构对水轮机水动力学性能的影响规律,以某100 k W单立柱座底式潮流能发电装置的支撑结构为研究对象,采用CFD方法,分别在正、反向来流时采用不同支撑结构的共六种工况下,对潮流能水轮机模型的获能和受力进行数值模拟。通过水槽模型试验,验证数值模拟的可靠性。研究结果表明:支撑结构对水轮机的水动力学性能的影响不容忽视,针对所研究的支撑结构,在正向来流时水轮机的获能系数降幅约30%,轴向力系数降幅约28%;反向来流时的降幅更大,分别约为63%和41%。     

Research on the unsteady hydrodynamic characteristics of vertical axis tidal turbine

The unsteady hydrodynamic characteristics of vertical axis tidal turbine are investigated by numerical simulation based on viscous CFD method. The starting mechanism of the turbine is revealed through analyzing the interaction of its motion and dynamics during starting process. The operating hydrodynamic characteristics of the turbine in wave-current condition are also explored by combining with the linear wave theory. According to possible magnification of the cyclic loads in the maximum power tracking control of vertical axis turbine, a novel torque control strategy is put forward, which can improve the structural characteristics significantly without effecting energy efficiency.     

Tidal Turbine Array Optimization Based on the Discrete Particle Swarm Algorithm

In consideration of the resource wasted by unreasonable layout scheme of tidal current turbines, which would influence the ratio of cost and power output, particle swarm optimization algorithm is introduced and improved in the paper. In order to solve the problem of optimal array of tidal turbines, the discrete particle swarm optimization (DPSO) algorithm has been performed by re-defining the updating strategies of particles’ velocity and position. This paper analyzes the optimization problem of micrositing of tidal current turbines by adjusting each turbine’s position, where the maximum value of total electric power is obtained at the maximum speed in the flood tide and ebb tide. Firstly, the best installed turbine number is generated by maximizing the output energy in the given tidal farm by the Farm/Flux and empirical method. Secondly, considering the wake effect, the reasonable distance between turbines, and the tidal velocities influencing factors in the tidal farm, Jensen wake model and elliptic distribution model are selected for the turbines’ total generating capacity calculation at the maximum speed in the flood tide and ebb tide. Finally, the total generating capacity, regarded as objective function, is calculated in the final simulation, thus the DPSO could guide the individuals to the feasible area and optimal position. The results have been concluded that the optimization algorithm, which increased 6.19% more recourse output than experience method, can be thought as a good tool for engineering design of tidal energy demonstration.     

Magnus effect水轮机性能的初步探讨

用较简单的理论方法计算了Magnus effect水轮机的功率系数,讨论了影响其性能的诸要素。为设计潮流发电装置选择水轮机提供依据。     

基于实密度的卧式浪流轮机水槽实验研究分析

实密度是影响轮机获能特性的关键因素之一。文中以卧式轮机实密度为基变量,以其获能系数为主要考察点,对3种实密度卧式轮机进行水槽实验方案设计和水动力性能研究。实验分别对水流流速、轮机旋转角速度、主轴转矩以及功率进行测量,并对其对主轴的扭矩、轮机的获能系数以及叶片的旋转特性进行定量分析,最终证实了该卧式轮机的单一运行特性。通过绘制基于实密度的轮机转矩—转角曲线、获能系数—尖速比曲线和轮机功率—尖速比曲线,阐明了实密度影响卧式轮机获能水动力性能的规律,即其获能系数和发电功率都随着工况速比呈先增后降趋势。实密度较低轮机因浪流流失而获得能量小,但实密度过高轮机会导致叶片间湍流涌动,加速叶片失速特性而影响轮机获能。这为卧式浪流轮机结构优化提供了可靠依据和借鉴。