一种涵道双向泵叶轮浪流发电装置的研究分析

为解决海洋波浪能和潮流能耦合利用的问题,提升浪流发电装置的发电效率,上海海洋大学课题组设计了一种新型涵道双向泵叶轮浪流发电装置。主要对轴流泵的工作原理进行理论分析,阐述将轴流泵排水原理应用于浪流发电装置捕获浪流能的可行性,基于轴流泵叶片设计原理,设计出一种可以双向捕获浪流能的叶片。经数据仿真和水槽实验进行验证,得出涵道双向泵叶轮浪流发电装置可以在浪流流速v=0.5 m/s工况下浪即可启动,满足低流速启动要求,发电效率最高为23.7%。     

水平轴潮流能叶轮水动力性能比对试验

叶轮作为潮流能发电装置能量俘获机构,其水动力性能的优劣对整个装置具有决定性意义。本文设计了两种叶轮翼型方案,方案一叶轮选择了具有代表性的单一翼型,方案二叶轮选择了多种翼型组合方式。为检验两种叶轮动力学性能,分别对两种方案进行了仿真和模型试验。通过设定试验控制参数,提取观测参数,对实验数据进行处理分析,从功率系数方面对两者进行了对比,为水平轴潮流能发电装置叶轮翼型选择提供参考。     

潮流能发电装置在航标灯供能中的应用与仿真研究

通过对比几种可再生能源的优缺点,提出了一种专供水中航标灯使用的垂直轴潮流能发电装置。该装置使用一套上下共轴反置的Savonius叶轮作为捕能装置。当水流流过时,叶轮转动并带动发电机发电。为了提高Savonius叶轮的发电效率,对叶片进行了流体仿真优化,得出2叶片Savonius叶轮受到更大阻力和转矩的结论。最后设计了整体结构图,该装置安装在航标灯上可以利用潮流、水流进行发电,以实现航标灯对电能需求的自给自足。     

水平轴潮流能叶轮尖速比特性分析研究

针对设计尖速比对水平轴潮流能叶轮动力特性的影响问题开展研究工作。基于叶素-动量理论建立叶轮动力特性仿真模型,以叶片数量分别为2、3、4的叶轮为对象,考察设计尖速比对叶轮的功率系数的影响。研究结果表明:设计尖速比越大的叶轮,其最大效率也越高;叶片数量多的叶轮,其功率系数略优于叶片数量少的叶片。结合分析结果,给出了水平轴潮流能叶轮的设计尖速比的选择建议。     

一种新型鲸鱼式潮流能发电装置的设计与试验研究

为了进一步提高潮流能的利用率,提出了一种新型鲸鱼式潮流能发电装置。借鉴风机叶片设计方法及水平轴水轮机的设计原理,利用结构力学、流体力学和CFD相关方法,对该装置的螺旋桨叶、导流筒和固定桩等部件进行了设计研究,从获能效果、装置可靠性和发电功率等方面进行了优化设计,并通过900 W样机试验验证了设计的有效性。试验结果显示,海流高潮期装置最大发电功率可达到980 W,一天内大约有4个缓潮期,此间发电功率明显下降,但持续时间不长,总体平均发电功率在800 W上下;同时潮流能轮机启动流速在0.41 m/s左右,有着良好的低速启动性能。     

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。     

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。     

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。     

海工构筑物海洋能集成利用技术探讨

将海工构筑物作为海洋能获能装置的安装载体可大幅降低海洋能发电的成本,同时,海工构筑物等海上设施客观上存在利用海洋能实现能量供应的需求,因此海洋能发电装置与海工构筑物相互结合具有良好的综合效益,将是未来海洋能利用的一个发展方向。针对波浪能和潮流能两种海洋能发电方式,分别对柔性叶片潮流能水轮机与进海路集成利用技术;垂直轴和水平轴潮流能水轮机以及振荡浮子式波能装置与导管架石油平台集成利用技术;OWC波能装置与沉箱防波堤集成利用技术进行了探讨,并提出海工构筑物海洋能集成利用技术中需要解决的几点问题。     

横轴半潜式潮流能发电装置设计与试验研究

为了促进深远海养殖装备朝智能化方向发展,解决电能供给困难的问题,克服抗风浪网箱受波流耦合作用对太阳能和风能利用的局限性的问题,针对养殖区域的低流速海域,提出了一种适用于深远海可升降网箱的横轴半潜式潮流能发电装置,建立了Savonius型水轮机叶片受力数学模型,分析了叶轮中心与水面的距离对水轮机捕能效率的影响,利用Fluent软件数值模拟了导流增速浮体的速度场情况,设计了发电装置整体结构及锚泊系统,搭建了发电装置试验模型,开展了物理模型试验,测试了不同水流速度情况下与叶轮相对离水距有关的各参数变化情况,并对试验数据进行分析。试验结果表明,在不同的水流流速下,随着离水距的不断增加,捕获功率呈先增加后减小的趋势,当叶轮中心高出水面1/4个叶轮直径时,叶轮的输出功率最大。     

共水平轴双叶轮海流机水动力学性能的实验研究

针对水平轴单叶轮海流机在低流速时启动性能差、获能少的缺点,采用共水平轴同向旋转双叶轮水轮机进行了水动力学性能的水槽试验.由实验结果研究了共水平轴单叶轮和双叶轮水轮机的功率特性和启动特性,分析了不同上、下游叶轮安装角和叶轮轴向间距对叶轮启动水流速度以及发电机获得功率的影响,并对单叶轮和双叶轮水轮机的运行情况进行了比较.结果表明,共水平轴双叶轮水轮机的启动水流速度较单叶轮低很多,而且能从水流中获得更多的能量.因此,共水平轴双叶轮水轮机能改进一般水平轴单叶轮水轮机难以启动和获能少的不足,更适合于我国低海流流速的实际海况.     

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。     

近海岸潮流发电模拟装置中造流方法研究

在海洋能发电中,潮流发电具有广阔的发展前景。为在实验室进行潮流发电的前期研究,设计了潮流发电模拟装置。由于近海岸潮流能分布较大,在模拟装置中进行近海岸的潮流流速模拟,即造流。在模拟装置的控制系统中,通过上位机控制变频器输出电源的频率和相序,从而驱动三相异步电动机带动双向叶轮泵推动水的流动。为此在上位机上设计了Lab VIEW操作界面以及程序框图,利用VISA技术进行数据发送与接收,将流速对应的频率信号发送给变频器,并将流速传感器采集到的流速信号接收到上位机进行实时显示。研究稳定流速和变化流速的造流方法,对稳定流速、椭圆余弦波流速和沿岸流流速进行造流实验,结果表明模拟流速与预设流速总体误差较小,较好地实现了实验室潮流发电的模拟。     

基于漂浮平台的潮流能水轮机阵列优化

为开展基于漂浮式电子信息平台的潮流能提取装置（水轮机）的布置方式优化研究,本文建立潮流与水轮机阵列及漂浮电子信息平台立柱相互作用的三维计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模型,考虑漂浮平台水轮机组阵列并列和错列两种布置方案,分析立柱扰流对水轮机阵列流速的干扰和水轮机间尾流的相互影响,为后续的潮流能发电装置在海洋装备上的一体化设计提供数据支撑。对比分析结果表明：在设计流速0.8 m/s下,当来流角度达20°时,并列布置的平均功率系数下降35.97%,最小功率系数为0.023;而错列布置平均功率系数下降24.70%,最小功率系数为0.071。同时,结合水轮机组的设计流速下叶轮横截面流场速度分布图和水轮机尾流场水平面流速分布情况,水轮机阵列采用错列布置比并列布置布局方式更优,尾流效应影响更小,潮流能利用效率更高。     

基于正交实验的卧式浪流发电轮机叶片分析

基于现有波浪能和潮流能发电装置研究现状,为达到波浪和潮流同时利用的目的,设计了一种以卧式轮机形式同时吸收水平波浪螺旋力和潮流能动力的新型浪流发电装置。通过正交试验设计得到三指标最佳叶片参数组合后,进行FLUENT流场分析,从流体角度出发,在其扭矩、推力以及轮机功率三方面对比分析,阐明了叶片参数对于轮机流场的作用趋势,并以此趋势为参考择出最佳模型。后期水槽实验有效验证了该卧式浪流轮机的浪流结合吸收的可行性。     

基于水平轴海流能发电系统的海流流速神经网络软测量

为了解决海流能发电系统中,有效海流流速难以测量的问题,提出将水平轴海流能发电系统当成一个大型流速仪,用于海流流速的软测量研究。分析了水平轴海流能发电系统的工作原理和运行过程,建立了基于BP人工神经网络的软测量数学模型。将叶轮机转速,发电机输出功率和占空比信号作为输入变量,将海流流速作为输出变量。仿真结果表明,所建立的BP神经网络是海流流速软测量的有效方法,能较好地跟踪有效海流流速的变化趋势,并具有较高的估计精度。     

基于UDF的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究

针对水平轴潮流能水轮机被动旋转问题,基于Fluent 17.0,运用UDF(User Defined Function)控制滑移网格对网格进行动态调整,仿真研究水轮机在不同安放角下被动旋转的水动力特性。通过仿真分析,结果表明:潮流能水轮机随着叶片安放角度的增加,尖速比、输出功率、捕能系数都是先增大后减小,叶片安放角为6°时,叶轮前后速度差最大,对潮流能利用充分,且各项性能均达到最佳;通过分析叶片受力,叶尖叶素在安放角为2°时阻力最大,3°时升力最大,升阻比在6°时最大,此时叶尖叶素升阻比C_L/C_D=6.27、攻角α=3.06°。由仿真结果可知水平轴潮流能叶轮的自启动过程由5个阶段组成,即加速度增大的加速运动段—加速度减小的加速运动段—加速度反向增大的减速运动段—加速度反向减小的减速运动段—稳定运行段,这对潮流能水轮机的设计具有重要的指导意义。     

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.     

双向直驱式潮流能发电轮机性能实验研究

针对潮流能双向来流的特点及当前潮流能发电轮机的研究现状和存在的问题,提出了一种新型的双向直驱式发电轮机。叶片基本翼型为S型,并对其进行受力分析,得到相应的计算公式,结合叶片翼型厚度和形状约束,求解出各个截面的形状,并三维建模形成一种新型"S"翼型轮机。轮机两端安装具有防水性能的永磁发电机,外侧增设双向导流罩,构成双向直驱式发电轮机装置模型。在水槽实验中,首先找出不同的模拟流速下获取功率的最佳负载阻值,在此基础上收集了转速及功率数据,绘制尖速比-获能系数关系曲线图和流速—获能系数关系曲线图,可以论证尖速比的取值对获取最佳功率的重要性,同时该翼型轮机具有良好的空载启动性能及双向吸收来流的能力,2 m/s流速下获能效率最大值接近40%。     

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。