李世川 馬 潔 王世明 李澤宇 于 濤

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雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機在近海岸潮流中的實驗及分析

李世川1馬 潔1王世明2李澤宇2于 濤2

（1. 北京信息科技大學(xué)，北京 100192；2. 上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306）

海浪發(fā)電是一種新的清潔能源開發(fā)領(lǐng)域，近年來人們對其研究的興趣越來越高，研制出各種各樣的海浪發(fā)電機。本文研制了一種雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機，并在近海岸進(jìn)行了潮流發(fā)電試驗。驗證了發(fā)電機的實際性能，探索了近海岸潮流能特性，研究了電能處理方法，為后續(xù)的海浪發(fā)電研究提供了寶貴的經(jīng)驗。

近海岸潮流；潮流發(fā)電系統(tǒng)；海上試驗

新能源主要有三大分類：風(fēng)能、太陽能以及海洋能，而在這之中，地球上最大的儲備能源是海洋能。利用海洋能發(fā)電既經(jīng)濟，又不占用土地，不受氣候影響，也不污染環(huán)境，實為利用價值極高、潛力巨大的新能源[1]。開發(fā)與利用海洋能的最主要的方式是發(fā)電，其形式包括波浪能、潮汐能、潮流能、溫差能、鹽差能等發(fā)電方式[2]。其中潮流能發(fā)電具有突出的優(yōu)勢，也是目前重點研究對象。潮流能有以下特點：①它是一種可再生的清潔能源；②潮流能的能量密度較低（但遠(yuǎn)大于風(fēng)能和太陽能），但總儲量較大；③不占用土地面積；④發(fā)電量可預(yù)測。與潮汐能不同的是，潮汐電站通常需要海建壩，會帶來一定的社會和環(huán)境問題，而潮流發(fā)電則不用，其發(fā)電裝置通常是被置于水中的，對海洋生物影響很小，不會對生態(tài)環(huán)境造成惡劣影響，對附近居民的生產(chǎn)生活影響也很小[3]。

潮流能復(fù)雜多變，當(dāng)時間和空間變化時，其周期、流速都是變化的[4]。潮流能的復(fù)雜性在實驗室是很難完全模擬的。但海上實驗難度大，成本很高。目前，在海浪發(fā)電方面其理論及實驗室研究工作較多，海上實驗研究很少。海浪發(fā)電機的測試、發(fā)電電能處理多數(shù)還處于實驗室的模擬階段。潮流能轉(zhuǎn)換效率、發(fā)電機實際效率、發(fā)電能量處理，在實驗室里的模擬是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，本文設(shè)計了一種新型的潮流發(fā)電機（雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機）以及海上實驗裝置。目的是驗證發(fā)電機的實際發(fā)電性能，探索近海岸潮流能特性、研究電能處理方法。2017年9月，我們在青島市黃島區(qū)海域的近海岸進(jìn)行了雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機的海上試驗。在測試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了發(fā)電性能分析，獲得了實驗室無法獲取的實際數(shù)據(jù)，為雙向直驅(qū)式潮流發(fā)電研究奠定了的基礎(chǔ)。

1 近海岸潮流發(fā)電試驗

1.1 雙向直驅(qū)式潮流發(fā)電機簡介

本文所做試驗使用的雙向直驅(qū)式潮流發(fā)電機如圖1所示。潮流發(fā)電機組安裝在圓筒內(nèi)，葉輪固定在中間，葉輪旋轉(zhuǎn)驅(qū)動發(fā)電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機是永磁發(fā)電機，其額定功率是20W。發(fā)電機的外側(cè)安裝一個形如“子彈頭”的分流罩，減小對水流的阻力。發(fā)電機采用機械密封，其外表面利用防腐蝕涂料處理。圓筒兩端各有一形如“喇叭口”的導(dǎo)流罩，目的是增加圓筒內(nèi)水流流量，即增大圓筒內(nèi)水流的流速。當(dāng)潮流流入時就會帶動中間葉輪旋轉(zhuǎn)，發(fā)電機即可發(fā)出電能。海浪或潮汐的水流是周期式，岸邊也有回流，所以雙向葉輪能夠充分利用雙向水流驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。

圖1 雙向直驅(qū)式潮流發(fā)電機照片

1.2 實驗地址選擇

潮流發(fā)電設(shè)備做海上實驗需選擇潮流較大，沿岸沙灘坡度比較小，發(fā)電裝置的運輸和安裝比較方便的地方。漲潮與落潮的潮差不小于1.5m?；谏鲜鲆螅瑢⒛繕?biāo)選定在山東半島[5]，最終選取了青島市黃島區(qū)的某一段近海海灘。該地東南方向為黃海，夏季多為東南風(fēng)，且潮流較大，圖2為青島近海潮流圖，圖中的顏色標(biāo)示該點潮流流速大小，顏色越紅表明流速越大。由于客觀條件限制，只能選擇潮流流速相對較大的地點，故選取圖中A點為試驗地點。從圖中可以看出，該地潮流流速較大，潮差2m。圖3為實驗地點漲潮過程中波浪照片。平均波高為0.6m，平均海水流速為1.2m。

圖2 青島近海潮流圖

圖3 實驗地點漲潮時波浪照片

1.3 潮流發(fā)電機固定裝置的設(shè)計及安裝現(xiàn)場

2016年8月，在北戴河進(jìn)行了一次實驗，采用兩對半圓形夾板和4根鐵釬對發(fā)電機進(jìn)行固定，如圖4所示。退潮時將發(fā)電機釘在沙灘上。由于低估了海浪的沖擊力，漲潮時鐵釬被拔出，發(fā)電機被沖到岸上來，所以無法進(jìn)行發(fā)電實驗。吸取上次的經(jīng)驗，本次設(shè)計加工了一個堅固的發(fā)電機固定裝置，發(fā)電機固定裝置如圖5所示。長1.6m、高1.2m、總質(zhì)量約200kg。前后增加了兩個較大的匯流罩，增加水流流速。在架子底下四角加上5cm厚的鋼板地腳配重，起穩(wěn)定作用，以免發(fā)電機被潮流沖倒或移位。

現(xiàn)場安裝流程：在退潮時，使用小型裝載移動式吊車將發(fā)電機裝置整體運送到近海海灘，發(fā)電機軸線朝著預(yù)測的潮流方向。發(fā)電機輸出導(dǎo)線沿著沙灘引到岸上，電纜長為50m。在海堤上與測試設(shè)備連接，如圖6所示。

圖4 簡單安裝方式的潮流發(fā)電機

圖5 潮流發(fā)電機現(xiàn)場安裝

圖6 潮流發(fā)電機與岸上設(shè)備連接

圖7為岸上測試設(shè)備，主要包括可變電阻箱、整流橋、DM3062型數(shù)字采集型萬用表、萬用表、電腦等。潮流發(fā)電機發(fā)出的電能經(jīng)過岸上測試的整流和濾波電路后，接到負(fù)載上，然后利用萬用表及DM3062測取電壓數(shù)據(jù)，實驗流程如圖8所示。實驗儀器和測試現(xiàn)場如圖9所示。圖中DM3062高精度數(shù)據(jù)采集儀具有高分辨率、高精度和自動化測量等特點，并且支持GPIB、USB、LAN（LXI-C）和RS-232接口，便于與PC端相連接，試驗數(shù)據(jù)可以直接傳入PC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖7 潮流發(fā)電機岸上測試設(shè)備照片

圖8 潮流發(fā)電實驗流程圖

圖9 發(fā)電機實驗測試過程照片

2 發(fā)電機不同沉沒度的電壓測試曲線

通過潮流帶動雙向葉輪轉(zhuǎn)動使得兩側(cè)的永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)動發(fā)電，電流通過長電纜送入整流橋，之后通過大電容濾波接入負(fù)載：①以60s為一個周期，每0.1s測量1個數(shù)據(jù)，觀察試驗裝置在不同水深情況下，分別測試一組數(shù)據(jù)。在某一水深時，調(diào)節(jié)負(fù)載大小，從而獲得一組平均功率較高曲線。分別取沉沒度為半沉沒、3/4沉沒、全沉沒，其平均發(fā)電功率最高的三組潮流發(fā)電機電壓曲線分別如圖10（a）、（b）、（c）所示；②由小至大不斷變更負(fù)載大小，重復(fù)步驟①，得到在不同負(fù)載下的潮流發(fā)電電壓曲線。圖10中的每個電壓曲線是一個發(fā)電機的電壓 曲線。

（a）半沉沒時發(fā)電機電壓曲線

（b）3/4沉沒時發(fā)電機電壓曲線

（c）全沉沒時發(fā)電機電壓曲線

從圖10中可以看出，在測量時間內(nèi)，在半沉沒時發(fā)電現(xiàn)出明顯的周期性。隨著發(fā)電裝置逐漸被淹沒，在負(fù)載不變的情況下，在測量時間內(nèi)發(fā)電機平均電壓呈上升趨勢，這表明獲得的潮流能逐漸增大。在全沉沒后，發(fā)電機平均電壓最大。整理實驗數(shù)據(jù)可知，當(dāng)負(fù)載為40～50W時，獲得的能量最大，此時，最大的平均電壓是2.42V，電壓最大值為31.35V。在半沉沒時負(fù)載為50W時能量最大，60s內(nèi)平均電壓為1.30V，最大電壓是9.86V，平均功率為0.123W；3/4沉沒時負(fù)載為40W時能量最大，60s內(nèi)平均電壓是2.03V，最大電壓是15.06V，平均功率為0.36W；全沉沒時負(fù)載為40W能量最大，60s內(nèi)平均電壓為2.42V最大電壓為31.35V，平均功率為0.62W。

3 發(fā)電機實驗結(jié)果分析

1）潮流能發(fā)電的不規(guī)則性

在近海岸，潮流能產(chǎn)生于漲潮時的涌流和風(fēng)力引起的波浪，將其統(tǒng)稱為潮流。隨著潮流的波動，發(fā)電機發(fā)出的電壓是間斷的。電壓隨時間變化比較快，還有一定的隨機性。這表明潮流能的不規(guī)則性，其流速變化較快。

2）波浪之間能量密度較低

在波浪到來時，潮流能密度高，發(fā)電機發(fā)出電壓幅值較高，但幅值很快跌落下來。在兩個波浪之間發(fā)電機發(fā)出的電壓幅值比較低。而且中間還有電壓為零的區(qū)間。這表明潮流能發(fā)電的間歇性。

3）發(fā)電機發(fā)出的平均功率不高

在漲潮時，風(fēng)速約為4級，浪高約為0.6m，波浪傳播速度約為1.2m。此時每個發(fā)電機發(fā)出的平均功率為0.44W，兩個發(fā)電機平均功率為0.88W。波浪之間的平均距離比較長，約為10m。由于波浪能的間歇性，發(fā)電機發(fā)出的平均功率并不高。

4）負(fù)載的選取對輸出功率的影響

負(fù)載電阻的選取直接影響發(fā)電機的平均輸出功率。在潮流情況基本相近的情況下，選擇負(fù)載電阻為70W時，發(fā)電機的平均輸出功率為0.41W。經(jīng)過不斷地調(diào)節(jié)，負(fù)載電阻為40W時，發(fā)電機的平均輸出功率最大，為0.62W。此時電阻為最佳電阻，輸出功率為最大功率。圖9中都是最佳電阻下測得的最大功率。發(fā)電機有內(nèi)阻抗，線路也有阻抗。負(fù)載電阻對發(fā)電機的運行狀態(tài)，以及阻抗匹配影響都比較大。

5）對實驗結(jié)果的歸納總結(jié)

此次近海岸潮流發(fā)電機實驗發(fā)現(xiàn)的問題也很多，歸納總結(jié)為以下幾個主要方面：

（1）潮流能變化較快，方向也有一定的變化，有較弱的周期性，還具有間歇性和隨機性。

（2）潮流能方向也有一定的變化，要設(shè)計方向可以調(diào)整的導(dǎo)流罩，獲取最大的能量。

（3）導(dǎo)流罩小，不能獲取較多的能量，導(dǎo)流罩應(yīng)根據(jù)海況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

（4）在潮流流速并不高的情況下，對發(fā)電機設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，提高發(fā)電機的轉(zhuǎn)速。

（5）面對復(fù)雜多變的電能，實驗中所用潮流發(fā)電電能處理設(shè)備有很大的不足，還需深入研究電能處理和最大功率跟蹤裝置。

4 結(jié)論

綜上所述，近海岸潮流發(fā)電系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)。欲在復(fù)雜多變的潮流（或海浪中）獲取較多的能量，發(fā)電系統(tǒng)涉及的領(lǐng)域很多。潮流能捕獲裝置，其是否能吸收較多的能量；潮流能至機械能轉(zhuǎn)換裝置的效率，這里是葉輪的轉(zhuǎn)換效率；適應(yīng)海況的發(fā)電機優(yōu)化設(shè)計；多變的發(fā)電能量處理等。

此次在青島沙灘沿岸所進(jìn)行的雙向葉輪直驅(qū)式潮流發(fā)電機近海岸潮流發(fā)電試驗得到了近海岸潮流能特點等信息，為進(jìn)一步研究開發(fā)潮流能發(fā)電獲得了十分可貴的經(jīng)驗。

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Experiment and analysis of two way impeller direct drive generator in coastal tidal current

Li Shichuan1Ma Jie1Wang Shiming2Li Zeyu2Yu Tao2

(1. Beijing Information Science and Technology University, Institute of automation, Beijing 1001922;2. Shanghai Ocean University, College of Engineering, Shanghai 201306)

Sea wave power generation is a new field of clean energy development. In recent years, people's interest in research is becoming more and more high. A variety of wave generators have been developed. In this paper, a two way impeller direct drive power flow generator is developed and a power flow test is carried out in the near shore. The actual performance of the generator is verified, the characteristics of the near shore power flow energy are explored, and the electric energy processing method is studied. It provides valuable experience for the subsequent wave generation research.

coastal currents; tidal power generation systems; offshore trials

2018-11-15

李世川（1992-），男，山東煙臺人，碩士研究生，主要從事直驅(qū)式潮流發(fā)電方面的研究工作。

柔性直驅(qū)式浪輪發(fā)電裝置研究與試驗（SHME2013JS01）