2.5 kW海上儀器潮流能電能補充裝置試驗

朱挽強，吳百公，趙　陽，陳健梅，董永軍，張雪明

（東北師范大學　物理學院,吉林省先進能源開發(fā)與應用創(chuàng)新重點實驗室，吉林　長春　130024）

2.5 kW海上儀器潮流能電能補充裝置試驗

朱挽強，吳百公，趙陽，陳健梅，董永軍，張雪明

（東北師范大學物理學院,吉林省先進能源開發(fā)與應用創(chuàng)新重點實驗室，吉林長春130024）

隨著陸地資源日益枯竭，海洋成為人類生存和發(fā)展的廣闊空間。針對海洋的研究不斷擴大，海洋觀測儀器日益增多，決定海上儀器工作時間的關鍵就是其內部電源的供電能力。在國家海洋能專項資金課題支持下，設計了一種利用海洋潮流能發(fā)電的2.5 kW拖曳式水平軸潮流能發(fā)電裝置，為大型海洋浮標裝置提供可靠的水下電能補充，通過拖動試驗及海上試驗表明該裝置啟動流速低、可靠性高。

潮流能；海上儀器供電；海上試驗

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎。能源的開發(fā)利用極大地推進了世界經濟和人類社會的發(fā)展[1]。海洋能是可再生能源的重要組成部分，包括波浪能、潮流能、潮汐能、溫差能、鹽差能等。海洋能蘊藏的能量巨大，并廣泛地分布在地球71%的表面，聯合國教科文組織出版的《海洋能開發(fā)》認為，全球各種海洋能的理論可再生功率約為7.66×1010kW[2]。其中潮汐能（含潮流能）、海流能儲量達到3.6×109kW，技術可用儲量達到4×108kW，其利用方法與風力發(fā)電類似，但由于海水密度約為空氣的800倍，因此雖然其流速較低，能量密度卻很大，相同流速與裝機容量下海流發(fā)電系統(tǒng)尺寸是風力發(fā)電系統(tǒng)的1/28，可見潮流能有如此巨大的開發(fā)價值。中國潮流能資源流速較低，因此潮流能發(fā)電裝置只有在流速達1～2 m/s的海域才具有商業(yè)開發(fā)的意義[3-5]，其技術開發(fā)難度也高于歐美。

近年來在國家“863”計劃、科技支撐計劃、國家海洋可再生能源專項資金支持下，我國潮流能開發(fā)技術與歐美已處于同一水平，甚至在某些方面還處于領先地位。本文在國家海洋可再生能源專項資金技術支持下設計并制造了單機容量2.5 kW的專為大型海洋浮標提供電能補充的發(fā)電裝置（如圖1），并開展了水槽拖動試驗和海上試驗，驗證了該裝置的發(fā)電能力及海上長期工作的可靠性。

圖1　總體裝置示意圖

1　試驗裝置組成

該裝置由2臺2.5 kW拖曳式潮流能發(fā)電裝置、海上浮標模擬浮體、負載及監(jiān)測系統(tǒng)組成。設計初期發(fā)電裝置采用2葉定槳距輕量化透平，經過水槽拖動實驗以后透平實度增大1倍，變?yōu)?葉片。傳動機構采用直驅結構，發(fā)電機采用通過水下密封處理的永磁低速直驅發(fā)電機設計。該系統(tǒng)設計具有啟動流速低、可隨浮體自適應流向、可直接工作于海水中等優(yōu)點。

透平的直徑是2.6 m,額定流速是2.2 m/s,額定轉速是40 rpm,以此為設計條件，通過葉素動量理論計算葉片的弦長分布和安裝角分布。得到的葉片的弦長分布和安裝角分布如式（1）～式（2）所示。

葉片的造型如圖2所示。

圖2　4葉透平轉子

裝置進行實驗前，在Fluent軟件里面進行了仿真計算。計算的流體域遠遠小于實際流體域。為了使計算結果更精確，將流體域分為內流體域和外流體域。外流體域是圓柱形狀，直徑是透平的5倍，進口距離透平前端5倍透平直徑的距離，出口距透平后端的距離是透平直徑的10倍。內流域是包圍透平的圓柱體，厚度是透平的厚度。內外流體進行數據交換，進行流體計算。

圖3　流體域

計算時，在額定轉速和流速的條件下透平的效率達到49%，完全達到設計要求。

推力系數計算公式如式（3）所示：

額定條件下的推力系數是1.3，透平產生的推力會比較大，所以在做的浮體比較大，防止透平對浮體的姿態(tài)產生較大影響。

由于發(fā)電裝置為浮標進行供電，因此還設計了海上浮標模擬浮體。該浮體采用鍍鋅角鋼焊接的框架結構，內填充浮力體，具有重量輕、結構強度大的優(yōu)點。浮體通過錨系結構固定于海面。2臺發(fā)電裝置置于浮體兩側，使得重量得到平衡，保持姿態(tài)的穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4　浮體組裝圖

2　水槽拖動試驗

發(fā)電裝置在海試前必須通過室內各項測試，本裝置通過了電機防水、密封性能測試、電機拖動平臺測試等，特別是在經過測試和系統(tǒng)組裝后對單機進行了水槽拖動試驗。

水槽拖動試驗在大連理工大學完成。

試驗平臺：大連理工大學船舶工程學院船模拖曳試驗水池

平臺概況：水池占地面積約1 050 m2左右，長160 m，寬7 m，水深3.7 m，移動吊臂的承重達到5 t。

試驗裝置固定：整個試驗裝置通過自制工裝架固定于船模拖曳試驗水池拖曳平臺的中軸上。通過水槽拖動實驗的實驗結果，發(fā)電裝置在2.2 m/s流速下實現了2.5 kW左右的平均功率輸出，滿足了設計要求。拖動實驗照片如圖5所示，流速跟功率的關系如圖6所示。

圖5　水槽拖動實驗

圖6　流速功率圖

3　海上試驗

裝置在室內測試得到了較好的試驗結果，在進一步對裝置進行優(yōu)化檢測后，開展了海上試驗。設計單位地處北方，由于距離和海域使用權的原因，選擇了距離較近的山東齋堂島海域進行了海上測試試驗。

根據中國海洋大學王樹杰教授提供的齋堂島水道資料顯示，齋堂島水道位于膠南瑯琊臺與齋堂島之間，長1.5 km，潮流方向為NE-SW向。低潮時，最窄處600 m左右，高潮時寬約1 000 m，水深8～10 m，最大流速2 m/s以上，整個水道潮流能資源4 000 MW。齋堂島外海流資源，流速達1 m/s以上。齋堂島位于35°37′48″N,119°55′24″E，面積0.46 km2。齋堂島分南島和北島,南島高69.6 m，北島高27 m，兩島之間有一狹長堤壩連接,距陸最近點處約0.7 km。北島平坦，有居民400多戶，以漁業(yè)為主。從資源狀況與環(huán)境條件來看，齋堂島水道屬于中國北方典型的潮流能資源區(qū)，同時又有一定的用電需求，因此具有一定的代表性。圖7為測試裝置的放置位置。

裝置于2014年11月4日在齋堂島水道下水，依托固定式塔架固定，開始正常工作，2015年6月13日安裝于自制模擬浮體上，2015年11月20日電纜被盜割止，期間經歷3次被動漁船撞壞、漁網纏繞、測試被盜等3次破壞，歷時381 d，其中由于破壞停止運行時間超過60 d。經過檢測未被破壞的發(fā)電機主體、透平部分均正常工作，表明了裝置的可靠性。圖8是海上浮體，透平正在水下運行。

圖7　青島齋堂島水域海試地點

圖8　5 kW拖曳式潮流能發(fā)電裝置浮體海上運行

4　結論

目前各種大型浮標功能越來越多，所處理信息量日益增大，其所消耗電能也大幅度提升，因采集海洋能補充電能的技術難度較大，國際上大多數海洋觀測浮標基本采用一次長壽命蓄電池供電，因而對于海洋觀測儀器，特別是大型錨系多功能浮標、水下潛標等探測儀器,實現電能補給現實的方法就是采用海洋能供電，特別是具有規(guī)律性的海洋潮流能必將成為主流方式。

該裝置通過水槽拖動試驗與海上試驗驗證了裝置的可靠性和發(fā)電能力，為海洋儀器潮流能供電提供了技術基礎，積累了實際經驗。

[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]朱挽強,徐明奇,張雪明.水平軸表層潮流發(fā)電機關鍵技術研究[J].太陽能學報，2012,33(6):1067-1072.

[3]王傳崑,盧葦.海洋能資源分析方法及存儲評估[M].北京:海洋出版社,2009.

[4]馬舜,李偉,劉宏偉，等.25 kW獨立運行式水平軸潮流能發(fā)電系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34（14）：18-22.

[5]王樹杰.柔性葉片潮流能水輪機水動力學性能研究[D].青島：中國海洋大學，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

中央高校基本科研項目資助潮汐電站中豎井貫流式水輪機的水利優(yōu)化研究（2015B12514）

朱換強（1980-），男，博士，講師，研究方向為海洋可再生能源開發(fā)利用技術。E-mail:zhuwq773@nenu.edu.cn

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