一種基于系繩水下風箏系統的發電方法

程文鑫,溫志文,楊智棟,蔡衛軍

一種基于系繩水下風箏系統的發電方法

程文鑫1,溫志文2,楊智棟2,蔡衛軍2

(1.海裝裝備項目管理中心,北京,100071; 2.中國船舶集團有限公司 第705研究所,陜西 西安,710077)

隨著海洋技術的不斷發展,針對水下尤其是深海海域中的能源需求越來越突出,而已有的水下發電方法存在輸出功率不高,發電效率低等不足。針對此問題,文中提出了一種適用于低速流海域的基于系繩水下風箏系統的發電方法,該方法通過提升系繩水下風箏與水流的相對運動速度,可顯著增加發電輸出功率。采用歐拉-拉格朗日方法對其進行數學建模仿真,仿真結果表明,該方法可有效解決傳統固定式水輪機發電方法在深海海域發電輸出功率低的難題。

系繩水下風箏系統; 水下發電; 深海海域

0 引言

隨著海洋技術的不斷發展,針對水下尤其是深海海域的能源開發也不斷深入。海洋占據了人類生存空間的70%,海洋資源不僅清潔、可再生,同時蘊藏了巨大的能源[1-3]。海流能是海底水道和海峽中較為穩定的海水流動以及潮汐導致的有規律的海水流動時產生的能量,是目前發展速度最快的可再生能源。

國內外針對海流能發電技術的研究已有20多年,并已具備一定的理論和應用基礎。田文龍等[1,4]采用數值仿真與理論計算相結合的方法對基于水下系留平臺的海流能發電裝置進行了研究; 林勇剛等[5]利用計算流體力學方法設計了水下風車發電機組的槳葉; 張宗濤[6]提出了一種潮汐能發電方法。現有海流能發電裝置大多處于設計和研究階段,只有少數投入商業化使用。英國MCT (Marine Current Turbines)公司生產的SeaFlow是世界上第1套投入商業化使用的海流能裝置[7]; 新加坡AR(Altantis Resources)公司的AR1500海流能發電裝置具有抗極端海況的能力[7]; 挪威HS (Hammerfest Strom)公司研制的300 kW HS300三葉片水平軸海流能發電裝置具有自動對流功能,適用于海流方向不穩定的海域[7]。國內多所大學對水平軸海流能發電裝置進行了研究,并已進入樣機實驗階段。浙江大學于2006年研制出了國內第1臺千瓦級的5 kW海流能模型樣機[4]; 中國海洋大學在2013年為中海油公司研制了50 kW水平軸海流能裝置,同年8月在青島市齋堂島海域進行了試驗[4]。然而,上述研究及商業化產品大多采用固定式水輪機發電裝置,存在效率轉換不高、工作效費較低的不足。

系繩水下風箏系統發電技術是一種在水下利用風箏水輪機裝置將海流能轉化為電能的新型水下能源自補給技術,相比傳統固定水輪機發電方式,可以增加發電輸出功率。基于此,文中提出一種系繩水下風箏系統,通過提高發電裝置與水流的相對運動速度來增加水下海域發電機的發電輸出功率,工作時間長,能源轉換效費比高,較好地解決了傳統固定式水輪機發電方法在水下海域發電輸出功率低的難題。

1 系繩水下風箏系統建模

系繩水下風箏系統由固定浮標平臺、系繩、風箏(帶副翼)、水輪機、舵板及載荷艙組成。水輪機安裝在剛性的副翼下方,用于實現能量轉化[8]。舵板安裝在副翼兩側,通過預置舵角實現水下風箏的“8”字形運動。載荷艙安裝在副翼兩側下方,主要起穩定作用。水下風箏通過柔性的系繩系留在固定的浮標平臺上。將浮標平臺固定于水面(或水底),釋放水下風箏到水里[9]。系繩水下風箏系統結構如圖1所示。

圖1 系繩水下風箏系統結構示意圖

水下風箏的具體釋放過程為: 使用專門機構將水下風箏吊裝到水面,由于水下風箏采用弱負浮力設計,在負浮力的作用下水下風箏在垂直面向下運動。同時由于水平面水流的作用,水下風箏在水平面隨流運動,進而實現水下風箏斜向下運動的布放過程。

水下風箏發電基本工作原理為: 通過水流作用在水下風箏副翼上的水動力,使風箏隨流運動,從而拉緊系繩,使得軸向水輪機繞軸旋轉,輸出電能,這個階段稱為能量輸出階段; 系繩繃緊后,在系繩彈性力作用下風箏開始回收運動,回收階段可以通過減小風箏副翼的攻角來減小作用在風箏上的水動力,該階段稱為能量消耗階段。通過控制回收和釋放階段作用在風箏上的水動力大小,在整個大循環階段,使能量輸出大于回收風箏的能量需求,從而實現凈能量的輸出[10]。

1.1 坐標系和運動方程建立

在研究系繩水下風箏系統時,為便于分析和計算,通常采用地面坐標系(X,Y,Z)和隨體平移坐標系(X,Y,Z)。地面坐標系原點位于浮標中心,隨體坐標系原點位于水下風箏質心,坐標軸分別與地面坐標系平行,如圖2所示。

圖2 系繩水下風箏系統坐標系

由歐拉-拉格朗日方程

推導出水下風箏系統的運動控制方程

式中:表示動能;表示勢能;u表示作用在風箏上能夠影響風箏俯仰、偏航和橫滾的控制力矩;F和F是廣義上的阻力力矩和升力力矩;為拉格朗日量;為廣義坐標。

1.2 風箏副翼升阻力模型

為仿真風箏翼面上的水動力,采用NACA 0015翼型模型。考慮到風箏在運動過程中,特別是在轉彎過程中可能出現較大的功角,采用曲線擬合方法,將翼型曲面引入升力曲線,仿真得到作用在風箏副翼上水動力的升力特性,進而建立風箏副翼的升力模型。

作用在風箏副翼上的阻力包括寄生阻力和誘導阻力兩部分

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1.3 系繩和水輪機阻力模型

將系繩視作水下風箏的一部分,將系繩阻力轉化為相應風箏面積阻力進行計算[12]

圖3 系繩阻力模型圖

Fig. 3 Diagram of tethered resistance model

式中,為分割點數。

由于系繩采用零浮力材料,作用在系繩的升力可忽略不計。

建立水輪機的阻力模型

結合式(3)～(5)可得作用在系繩水下風箏系統的有關參數

1.4 水輪機功率輸出模型

建立水輪機的功率輸出模型,功率輸出因子[12]

水輪機的瞬時功率輸出

由式(10)可知,水流發電輸出功率與相對運動速度的3次方成比例,由于發電裝置與水流相對運動速度較低,使得深海低速流海域發電功率也較低。

1.5 工作條件

系繩水下風箏系統一般工作于200～1000 m范圍的海域,由于自身控制能力較弱,其正常工作時需要海流速度和方向比較穩定。為了提高發電總能量,通常水下風箏系統體積較大,系繩較長,在布放和回收時需采用專門的機構裝置。

2 仿真分析

使用建立的系繩水下風箏系統模型及表1仿真初始條件輸入參數進行仿真分析。

表1 仿真初始參數

文中提出的系繩水下風箏系統最大優勢是,在水下海域條件下,在系繩以及預置舵角的作用下,水下風箏能夠以較高的速度按照“8”字形運動。由圖4可知,在上述仿真條件下可實現水下風箏在水下三維空間的“8”字形循環運動軌跡,說明文中方法具有基礎可行性。

圖5為仿真輸出功率曲線圖。對輸出功率取平均值,可近似得到水下風箏系統平均發電功率(凈輸出功率)約為100 kW,可達到預期水平。

由Loyd提出的水下風箏運動速度計算公式可知[13]

圖4 系繩水下風箏三維運動軌跡

圖5 水輪機輸出功率曲線

由圖6可得,水下風箏在運動過程中升阻比值最大可接近3.0左右,由式(13)計算可得系繩水下風箏運動速度達到當地水流速度的2倍以上。在平均水流速度較低的水下海域,通過設計水下風箏合適的升阻比,可以提高發電裝置與水流的相對運動速度,進而增加發電輸出功率。

圖6 系繩水下風箏升阻比曲線

3 結束語

文中提出了一種適用于水下海域的基于系繩水下風箏系統的發電方法,對水下風箏系統進行了數學建模與仿真分析。仿真結果表明,該方法通過設計水下風箏合適的升阻比,可以提高發電裝置與水流的相對運動速度,進而增加發電輸出功率,對下一步實物樣機設計和改進提供參考。文中所采用的系繩水下風箏系統結構簡單、新穎,工作時間長,能源轉換效費比高,重點解決了傳統固定式水輪機發電方法在水下海域發電輸出功率低的難題,為今后充分利用水下能源提供了一種可靠、高效的方式。

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Method of Power Generation Based on Tethered Underwater Kite System

1,2,2,2

(1. Program Management Center of Naval Armament Department,Beijing 100071,China; 2. The 705 Research Institute,China State Shipbuilding Corporation Limited,Xi’an 710077,China)

With the continuous development of marine technology,underwater energy demand,especially in the deep sea,has become increasingly prominent. However,the existing underwater power generation methods generate insufficient output power and offer low work efficiency. To solve these problems,this paper proposes a power generation method based on a tethered underwater kite system that is suitable for low-velocity sea areas. This method significantly increases the power generation output by increasing the relative speed of the tethered underwater kite and water flow. The system has a simple and novel structure,long working hours,and high energy transformation efficiency. In this paper,the Euler-Lagrangian method is used for mathematical modeling and simulation. The simulation results show that this method can effectively solve the problem caused by the low output power of the traditional stationary water turbine power generation method in the deep sea.

tethered underwater kite system; underwater power generation; deep sea

TJ63; TV72

A

2096-3920(2021)04-0483-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.017

程文鑫,溫志文,楊智棟,等. 一種基于系繩水下風箏系統的發電方法[J]. 水下無人系統學報,2021,29(4): 483-487.

2020-06-04;

2020-07-10.

程文鑫(1977-),男,博士,高級工程師,主要研究方向為裝備系統綜合保障設計、分析與評價.

(責任編輯: 楊力軍)