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时间:2024-07-18 16:33:19 点击:158 次
前言

能源可连接发展已成为现谢世界沿途亟待科罚的难题. 一方面能源需求越来越大,另一方面化石能源应用酿成的环境混浊日益严重,要挟着社会的可连接发展.国际油价不休波动,环境问题也越来越隆起,化石能源的生态代价和经济代价越来越高.在能源危急紧追不舍的大环境下,寻求替代能源极端是可再生能源的开发和诈骗已显得刻谢却缓.

海洋被誉为蓝色的油田,地球名义积为5.1× 108 km2,其中海洋面积约占71%,达3.61×108 km2.一览无余的大海,赋存着巨大的能量,包括丰富的潮汐能、潮流能、波浪能,况且领有后劲无尽的温差能、盐差能等资源.据和谐国科教文组织泰斗统计,全世界海洋能表面可再生量卓绝7.66×1011 kW[1].

潮流能手脚海洋能的一种,其资源丰富,具有邃密的开发长进.据和谐国科教文组织泰斗统计,全世界潮流能表面可开发量卓绝6×109 kW[2].近十年来,潮流能开发谢世界范围内取得了较大的高出,多种潮流能迁移安设处于示范计划或准生意化股东阶段.本文在调研的基础上,详确梳理了我国潮流能资源情状、国表里开发诈骗最新情状、潮流能开发诈骗要津本事,及现阶段潮流能开发中濒临的要津力知识题,并对潮流能开发诈骗长进及需要科罚的问题提议了建议.

1 潮流能的生成、特色及分散 1.1 潮流的生成

月球、太阳等的引力作用引起地球名义海水周期性涨落,这种涨落景色奉陪两种畅通,一种是涨潮和退潮引起的海水垂直升降畅通,另一种是涨潮和退潮引起的海水水平畅通,前者称为潮汐,后者称为潮流.

1.2 潮流能的特色

潮流能是海水在涨退潮周期畅通中所佩带的动能,用E默示. 设海水的密度为$\rho $(kg/m3),潮流流速为 U (m/s),通过面积 S (m2) 的潮流能量可默示为[3]

$E=\frac{1}{2}\rho {{U}^{3}}S$ (1)

式中潮流能量的单元为 W.

潮流的能流密度是指通过单元面积的潮流能量,界说为

$e=\frac{1}{2}\rho {{U}^{3}}$ (2)

能流密度e的单元为W/m2.能流密度是表征某一海域潮流能量强弱或潮流能资源丰富程度的进击方针,e越大,标明该处的潮流能量越高,资源越丰富.

潮流能的开发诈骗具有以下特色[4]:

(1) 有较强的律例性和可预测性. 由于潮汐的周期性,潮流能的变化具有较强的律例性,可进行预测性.

(2) 潮流能的开发不排放任何混浊物,是环境友好型绿色能源.

(3) 潮流能开发安设一般安装在海底或动荡在海面,无需建造大型水坝,对海洋环境影响小,也不占用雅致的地盘资源.

(4) 与风能和太阳能比拟,潮流能的能量密度较高,约为风能的4倍,太阳能的30倍.

潮流能开发雷同也濒临一些不利成分. 举例,潮流能的能流密度随涨退潮的流速发生周期性变化,因而潮流能发电机输出的电能不厚实,需要经事后续处理后方能供给用户使用;潮流能开发安设责任在海水中,环境较为严酷,对安设的耐腐蚀、抗风波、防渗漏等有严格要求,海上安装需要较高的施工本事和相应的海洋工程装备,总体开发资本较高档.

潮流能最常见的诈骗方式是发电,其基本旨趣访佛于风力发电,行将海水的动能迁移为机械能进而再将机械能迁移为电能.

1.3 潮流能资源及分散

笔据现存的潮流能开发本事水平,可诈骗的潮流能资源的潮流流速不应低于1.5~2.0 m/s. 国际上迄今尚未系统地绘图出全球潮流能资源分散图,唯有英国、好意思国、法国、加拿大、挪威和中国等少数国度作念了详确计划. 笔据欧洲海洋能协会统计,欧洲的潮流能资源量在12 GW以上. 澳洲、非洲、印度和西班牙也领有潮流能资源,但冗忙详确的数据.

笔据"我国近海海洋抽象看望与评价"专项(简称"908专项")计划后果:我国近海区域潮流能表面赋存量卓绝8.33 GW,资源丰富,但空间分散很不均匀[5],如图 1所示[6].

图 1 我国近波涛流能年平均功率密度分散图 Figure 1 The distribution map of annual average power density in the offshore

表 1列出来寰宇潮流能赋存量和可开发诈骗量分散情况,由表 1可知,浙江省沿岸最为丰富,约为5.19 GW,占我国潮流能资源赋存量50%以上,主要聚合于杭州湾口和舟山群岛海域. 其次是山东、江苏、海南、福建和辽宁,预计2.98 GW,约占寰宇赋存量的36%,其他省份沿岸潮流能赋存量较少.

表 1 潮流能赋存量和可开发诈骗量分散表 Table 1 The distribution table of reserves and volume of exploitable of tidal current energy 2 潮流能开发诈骗发展近况 2.1 潮流能开发诈骗本事研发进度

本事熟识度与本事计划进展道路都是用于评价本事发展程度的方法.本事熟识度忽闪于要津本事要素的评价,本事进展道路则重于总体研发进度的评价.

本事熟识度(准备品级)(technology readiness level, TRL)由好意思国航空航天局(NASA)于1995年开首提议并应用于航天畛域,是在本事获取经由中对要津本事要素的熟识情况的评价方法,通过对步调看法、本事要求及本事示范才智等的本事评估来细目.之后在好意思国科学本事协会得到初步应用,现已试验到各本事研发畛域.按本事发展经由将本事的熟识度鉴识为TRL1~TRL9九级,如表 2所示.

表 2 本事熟识度品级 Table 2 Technology readiness levels

英国Carbon Trust公司将海洋能诈骗计划进展道路分为基础计划、应用计划、早期示范、全都示范、阛阓蕴蓄和阛阓扩大6个阶段[7],联接TRL鉴识方法,潮流能开发诈骗本事计划历程描绘如下:

(1) 基础计划阶段:进行基础表面计划和旨趣样机造就;本事熟识度一般在TRL1~TRL3,看法计划阶段.在实验室内进行水槽或池塘进行基本看法造就考证.

(2) 应用计划阶段:开展造就样机的池塘造就,考证联想看法的合感性;在该阶段需要明确要津本事,进行流体能源学规划、有限元分析,动态分析,要求各项要津本事达到的本事熟识度品级为TRL4~TRL5.

(3) 早期示范阶段:开展中程序比例样机系统测试及海试,考证样机的实质性能;本事熟识度达到TRL6.

(4) 全都示范阶段:开展全尺寸样机的海上示范测试,考证样机的工程可实施性及多样生意化方针;系统原型需要在实质运行环境中通过考证. 本事熟识度要求达到TRL7.

(5) 阛阓蕴蓄阶段:开展2~5套安设的海上示范,完成实质系统运行测试,考证工业化的生意模式. 本事熟识度要求达到TRL8.

(6) 阛阓扩大阶段:真的系统经过应用考证,将建成第一批生意化的大型电场. 本事熟识度要求达到TRL9.

刻下,我国相干计划还处于计划历程的第3阶段:早期的示范阶段,本事熟识度在TRL5~TRL6,而海外先进水平仍是运转由第4阶段向第5阶段发展[8-9],本事熟识度达到了TRL7~TRL8.

2.2 海外发展近况

最早的潮流能发电安设源于1976---1984年在苏丹尼罗河上灌溉用河流涡轮机,同期日本、好意思国分别运转了对黑潮和佛罗理达潮流能开发诈骗的计划.潮流能开发诈骗经过40余年的潜心计划,泰西等西方国度在潮流能迁移安设与发电系统的研发方面已有很好的本事基础,极端是近十年呈现出快速发展势态,新看法、新本事和新安设如棋布星陈般出现,袒清晰多个具有邃密长进的安设.自2008年5月英国MCT公司建成首台兆瓦级潮流能发电安设------1.2 MW的"SeaGen"后,又有多台兆瓦级潮流能发电安设建成,举例Altantis Resources公司的1MW安设AR1000,Hammerfest Strøm公司开发的HS1000等.

截止2014岁首,世界上还莫得生意化运行的潮流能发电阵列,险些总共的潮流安设都被布放在指定的测试场进行单机原型测试. 图 2自大了21世纪以下世界列国单机容量在100 kW以上的潮流能水轮机分散情况,从图可知,潮流能安设的开发和测试数目处于飞腾状态. 英国位居前茅,成为潮流能本事研发和示范的中心,挪威、韩国、好意思国、加拿大等也有了进击进展. 开首进的潮活水轮机的开发商正在典型的、具有生意价值的潮流能海域进行原型样机的测试和示范.

图 2 100 kW以上的潮流能水轮机分散图 Figure 2 The distribution map of more than 100 kW tidal current energy turbine 2.2.1 典型的潮流能发电安设

(1) MCT "SeaGen"潮流能发电安设

如图 3所示,1.2 MW "SeaGen"机组额定功率1.2 MW.水轮机转子直径16 m,额定流速2.25 m/s,最低责任流速为0.8 m/s,联想获能总共0.45,安设传动比为69.9,水轮机转子额定转速为14.3 r/min.潮流发电安设的桩柱高40.7 m,直径3.025 m,横梁长29 m.通盘安设包括2台可变桨双叶片式水轮机,分别固定在横梁的两头."SeaGen"水轮机的叶片可180°变角,因此机组在退潮和涨潮时均可发电.从安装到2010年8月,该安设累计发电2×106 kWh,该安设的能量迁移遵循达到了48%,处于世界开首水平,但与风力机能量迁移遵循还有一定差距[10].

图 3 英国MCT公司SeaGen Figure 3 SeaGen of MCT company

刻下,MCT公司已完成了商用2MW的SeaGen- SMK2计划,正在研发适合深水的3MW安设SeaGenU,缱绻在加拿大Fundy湾测试.

(2) AK1000潮流能发电安设

Altantis Resources公司研发的AK1000潮流能安设如图 4所示,该安设接纳了坐海底式定桨距叶片水轮机本事有缱绻. 接纳了定桨距双转子有缱绻,适合双向潮流性情,转子直径18 m,联想流速2.6 m/s,从2010年8月安装在欧洲海洋能中心测试运行.整套系统率受直驱式PMG发电机,其能量诈骗率可达50%,对称化的联想简化了安装经由与安设回收[11].

小程序开发 图 4 AK-1000TM潮流能发电安设 Figure 4 AK-1000TM tidal current energy generating device

(3) HS1000潮流能发电安设

图 5所示为挪威Hammerfest Strøm公司开发的接纳座底式基础的3叶片水平轴HS1000水轮机[12].HS1000水轮机的机舱是固定的,叶片接纳变桨距联想,因此其不错在来回来流主张中发电;由于接纳了座底式基础,安装时所需的工程资源最少,况且在出动水轮机时不改变海底的环境.Hammerfest Strøm公司于2003年在Norwegian Fjord进行了HS300原型机的测试.这一水轮机是同类水轮机中首个与电网连络并进行发电的水轮机. HS1000 2011年在欧洲海洋能中心 (the european marine energy centre,EMEC)完成了安装,刻下还在进行测试.

图 5 HS1000水轮机 Figure 5 HS1000 tidal current energy turbine

(4) 阿尔斯通1 MW潮流能发电安设

阿尔斯通在TGL500的联想基础上完成了1 MW机组的研制(图 6),阿尔斯通1 MW潮流能发电安设接纳的水轮机与TGL500交流,均是三叶片水平轴水轮机,水轮机接纳的是变桨距贬抑,水轮机直径18 m,接纳的是座底式救援结构,救援结构总分量在150吨以上.在2013年8月在EMEC完成安装进入测试阶段[13].

图 6 阿尔斯通1 MW潮流能发电安设 Figure 6 Alstom's 1 MW tidal current energy generating device

(5) SR250潮流能发电安设

英国Scotrenewables Tidal Power公司研发的SR250是接纳动荡式救援机构的一个典范,接纳水平轴定桨距水轮机.如图 7所示,SR250的载体为直径2.3 m,长133 m的细长管状浮体,浮体尾端对称吊挂两个直径8 m的水轮机,每个水轮机机舱内设有寂寞的变速箱和发电机,发电机发出的电能通过变压器升压至6.6 kV,经海底电缆传输到陆地.动荡载体接纳单点系泊安设固定于海面.SR250联想了水轮机收放安设,不错将水轮机提高到与载体平行的位置,神圣运载和保重. 该安设具有以下特色:

图 7 英国Scotrenewables公司"SR250" Figure 7 "SR250" of Scotrenewables company

① 动荡式载体.该动荡载体赈济在岸边完成通盘发电系统的安装和调试,接纳浮拖方式运载至安装地点,运载安装无需大型船舶,海上施工时候得以裁减,很好地申斥了海洋工程风险和用度.

② 单点系泊系统. 细长形的动荡载体单点系泊于海面,使得通盘安设老是处在所受海洋环境外力最小的场所,一方面增多了安设对环境的适合性、提高安设的糊口才智;另一方面可竣事安设全体随流换向,水轮机的自动迎流.

③ 水轮机收放安设.SR250联想的90°收放水轮机的安设,不错将水轮机提高到与载体平行的位置,一可减少运载经由中的阻力,二可竣事海上保重,三可提高系统招架恶劣海况的才智.

SR250的装机功率为250kW,2011年3月至2012年10月在EMEC完成了测试[14],经测试该安设能量迁移遵循为43%. 笔据SR250的联想指示,该公司在2014年完成了SR2000的联想.

(6) BlueTEC潮流能发电平台

BlueTEC是世界著明的海洋工程公司Bluewater研发的搭载潮流涡轮机组的动荡式平台[15]. 如图 8所示,该安设接纳动荡式结构,载体方式与SR250相似,与SR250不同的是,BlueTEC的水轮机安装在载体的中部,接纳前后两组四锚链锚固安设,载体平台不具备转向对流功能,为了获取较大能量,水轮机需具备对流功能. Bluewater研发BlueTEC浮式救援平台主要目的是通过接纳程序化的海上救援结构竣事潮流能发电安设海上运载、安装装备及步调的程序化,由此申斥奋斗的海上运载、安装、保重等工程用度. 2015年4月9日,被持重定名为BlueTEC Texel的浮式平台在荷兰的Den Helder港完成建造,BlueTEC Texel是BlueTEC的简化型小样机,安装了一个200 kW的潮流能发电机,行将安装到Texel岛南面插足运行,其发出的电力告成输入荷兰电网. Bluewater 公司与西门子旗下的MCT公司互助,缱绻开发2 MW全尺寸SeaGen F浮式潮流能发电平台,安装在加拿大的FORCE(Fundy Ocean Research Center for Energy)进行测试,考证本事与经济的可行性,为范围化开发潮流能提供本事赈济和决策赈济.

图 8 BlueTEC Figure 8 BlueTEC

(7) EnCurrent垂直轴潮流能发电安设

加拿大New Energy Corporation 联想的EnCurrent垂直轴潮流发电系统[16],叶轮结构方式接纳的是固定偏角四叶片安设,如图 9所示,此潮流发电系统率受的是双体船方式动荡结构,该公司的5 kW和25 kW机型仍是在加拿大有多个告捷应用案例. 刻下该公司正在开发125 kW和250 kW机型.

图 9 EnCurrent 水轮机 Figure 9 EnCurrent tidal current energy turbine

(8) Pulse潮流能发电安设

英国Pulse Tidal公司Pulse100安设接纳高下回荡水翼本事(图 10)[17],由桩柱、摇臂和翼板构成. 摇臂根部与立柱铰接、端部与水平翼板有计划,潮流绕流翼板的升力使翼板和摇臂绕铰接点高下摇(振)荡,并驱动摇臂和立柱间的油缸迁移为高压,液压马达带动发电机发电. Pulse适合双向潮流、液压系统易于能量厚实和存储、叶片结构较神圣,但监控系统复杂. 2009年9月,100 kW安设投放于River Humber,累计运行卓绝2年,由于在液压传输和机械传动方面逝世能量较多,安设全体能量迁移遵循仅为20%. Pulse Tidal公司正在进行优化计划,以期将总体遵循提高至30%.

图 10 Pulse100 Figure 10 Pulse100 2.2.2 潮流能发电安设测试场

泰西等进展国度不仅潮流能发电安设研发上发展较为速即,同期在造就场建造方面也仍是有一定的基础,为本事开发和生意化示范提供着专科职业条目. 这些造就场的建树大大推动了潮流能开发诈骗的生意化进度.刻下仍是建树的潮流能造就场如表 3所示[18-19].

表 3 海外主要潮流能造就场 Table 3 Main tidal current energy test site of foreign countrie

表中,由苏格兰政府和奥克尼群岛议会等9家政府、企业和组织共同投资成立的欧洲海洋能中心(EMEC)最有代表性,该中心是于今世界上惟一被招供的波浪能和潮流能发电安设并网运行测试实验场.2006年首套潮流能发电安设"Open-Centre"插足并网运行造就和测试,于今已有多套安设进行并网运行造就和测试,完成或正在测试中的安设见表 4[18].

表 4 在EMEC进行测试的安设 Table 4 Devices tested at EMEC 2.2.3 小范围潮流能示范电场

跟着本事不休熟识,刻下已有公司运转潮流能发电场的建造. Marrine Current Turbine公司仍是运转进行8 MW和10 MW的潮流能发电场建造缱绻. 韩国的全罗南谈莞岛正在建造两座大型潮流能发电场,一座是由韩国Midland公司与英国Lunar Energy公司互助建造的位于Hoenggan的潮流能发电场,缱绻将安装300台1 MW的潮流能发电安设,2009年1 MW的样机仍是通过测试,通盘工程缱绻于2017年完工;另一座潮流能发电站称为"海龟"发电场,由韩国的Voith Hydro公司提供开拓,发电场总装机容量达600 MW,揣度2018年全部完工. "MeyGen"是刻下比较著明的一个花样,MeyGen公司是由摩根士丹利公司(Morgan Stanley)、燃气苏伊士国际能源公司(GDF SUEZ Energy International)、英国亚特兰蒂斯资源公司(Atlantis Resources Corporation)三家企业搭伙成立. 该花样缱绻在苏格兰安装快要400个潮流能发电机组,总装机功率达到398 MW[20],缱绻2016年运转发电,2020年全部完工[21]. 2015年7月9日,英国政府批准了耗资10亿英镑的位于威尔士南部海岸斯旺西湾的潮汐泻湖花样,将英国的海洋能产业带入要津时刻.

加拿大的新斯科舍省的芬迪湾(Force Bay of Fundy),以其邃密的天然资源和立法,眩惑了好多潮流能开发公司的风趣,正在成为世界潮流能开发中心[21],并有多个潮流能花样建造缱绻.

2.3 国内发展近况

我国在潮流能的诈骗方面起步较早,20世纪70年代末,浙江省舟山市的何世钧研制了一种水轮机,结构方式和船用螺旋桨相似,并在舟山群岛西候门进行了现场测试. 我国潮流能计划前期发展较为从容.直到2010年,国度财政部成立海洋可再生能源专项,每年插足2亿资金用于海洋能诈骗相干本事计划,从计谋面和资金面双管都下推动海洋能的开发应用,将大型国有和民营企业、高档学府、计划机构眩惑到海洋能本事研发队伍中,掀翻了我国海洋能本事计划和示范应用的快乐,潮流能本事开发也进入快速发展时期.于今,中国在潮流能迁移与发电系统的联想方法计划、要津本事和造就安设研发等方面取得了长足的高出,哈尔滨工程大学、浙江大学、东北师范大学、中国海洋大学、中海油计划总院、国电和谐能源本事有限公司、哈尔滨电机厂有限包袱公司等单元开发了垂直轴、水平轴式装机功率100W~600kW不同方式的潮流能发电机和动荡式、座底式和固定式的救援本事,联系我们蕴蓄了一定的海试指示.以下为刻下具有代表性的安设.

(1) "海明I"10 kW潮流能发电安设

第1-4位号码分析:历史同期第182期出现范围在01-30区段,号码012路比为7:2:3,去年同期开出奖号:01+09+12+14,号码012路比为2:1:1。

跨度分析:上期跨度上升开出1路、偶数70,近10期跨度012路比为2:4:4,奇偶比为7:3,升降平次数比为5:5:0,本期预计偶数跨度连出,关注跨度78。

"海明I"10 kW潮流能发电安设由哈尔滨工程大学研发,如图 11所示,该安设接纳水平轴定桨距直驱潮流能发电机,救援结构为坐海底式.三腿底座救援一个框架和水轮发电机,通盘结构重20吨,必要时吊出水面进行保重.开发了高效推广型导流罩和自适合换向机构,导流和无导流两叶片叶轮直径分别为2和2.5 m,自适合180°换向尾翼使叶轮自动迎着双向潮流运行,幸免电缆缠绕. 全体结构9.0 m×7.5 m×6.5 m,重20 t.2011年9月底投放于岱山县小门头水谈运行于今,发出的电力与岸上1 kW风电集成互补为"海上生明月"灯塔照明和供热.时间,先后进行有、无导流罩的装备运行测试:在2.0和2.3 m/s流速下,导流和非导流型发电功率均为10 kW,系统遵循分别为78%和34.5%[8].

图 11 "海明I"10 kW潮流能发电安设 Figure 11 "Haiming I" 10 kW tidal current energy generating device

(2) "海能I"2×150 kW潮流能发电安设

"海能I"2×150 kW潮流能发电安设接纳动荡式垂直轴叶轮直驱发电机有缱绻(图 12). 由4套锚系固定的双体船载体(长24 m、宽13.9 m、型深3.0 m)搭载2台150 kW机组和贬抑开拓;叶轮直径4 m. 该安设接纳了两套不同的叶轮,其中一个叶轮接纳 4个可变桨距叶片,另外一个叶轮接纳的是十字交叉叶轮,2台低速发电机寂寞运行,发出的电力通过350 m海缆上岸. 2012年8月安装于龟山水谈测试运行.

图 12 "海能I" 2×150 kW潮流能发电安设 Figure 12 "Haineng I" 2×150 kW tidal current energy generating device

(3) "海能Ⅱ"2×100 kW 潮流能发电安设

"海能Ⅱ"2×100 kW潮流能发电安设由中海油计划总院和谐哈尔滨工程大学研制,接纳的是动荡式2叶片水平轴变桨距叶轮直驱发电机有缱绻(图 13). 由4套锚系固定的"中"字型载体搭载2台100 kW机组,可升降保重;叶轮直径12 m,额定流速1.7 m/s,2台永磁低速发电机寂寞运行. 2013年6月安装于青岛市斋堂岛海域,发出的电力通过1 km海缆上岸接入中央贬抑室500 kW多能互补寂寞电力系统,该安设累计完成3个月试运行,发电安设能量迁移遵循在34%傍边[22].

图 13 "海能Ⅱ"2×100 kW 潮流能发电安设 Figure 13 "Haineng Ⅱ" 2×100 kW tidal current energy generating device

(4) 20 kW桁架座底潮流能发电安设

20 kW桁架座底潮流能发电安设是由东北师范大学研制.东北师范大学先后研制了1 kW和2 kW低流速潮流能发电实验安设,并进行了海上拖曳造就.20 kW桁架座底潮流能发电安设于2013年4月底装于斋堂岛水谈测试运行(图 14).接纳四腿支架救援四叶片定桨叶轮和直驱发电机,开发了自适合180°换向尾翼使叶轮迎着双向潮流运行,幸免电缆缠绕,支架上部平台在水面以上以提高机组,海缆输电上岸.安设重28 t,联想流速2.1 m/s,额定转速40 r/min [8].

图 14 20 kW桁架潮流能发电安设 Figure 14 20 kW truss tidal current energy generating device

(5) 浙江大学60 kW动荡式潮流能发电安设

浙江大学亦然最早进行潮流能计划机构之一,先后研制了5 kW和25 kW潮流能发电[23]. 浙江大学研制的60 kW半直驱潮流能发电机组(图 15),安装在舟山的摘箬山岛海域,该机组接纳的是水平轴三叶片水轮机,半直驱式传动系统,救援结构接纳的是动荡式载体,2014年完成了海上安装,并告捷发电. 经测试该安设能量迁移遵循为39.26%.

图 15 60 kW动荡式潮流能发电安设 Figure 15 60 kW floating platform tidal current energy generating device

(6) 50 kW座底式潮流能发电安设

图 16所示的50 kW座底式潮流能发电安设是中海油计划总院和谐中国海洋大学研制,该安设接纳的座底式救援结构,发电机组接纳的是水平轴变桨距半直驱有缱绻. 叶轮直径10.5 m,全体18 m×12 m×17.5 m[24]. 至2013年7月,2台50 kW已完成岸上拼装,8月安装于青岛市斋堂岛海域,通过1 km海缆上岸接入中央贬抑室500 kW多能互补寂寞电力系统.

图 16 50 kW座底式潮流能发电安设 Figure 16 50 kW bottom support structure tidal current energy \generating device

总体来说,国内潮流能本事和海外先进水平还有一定差距,国内百千瓦级的安设还都处于研发阶段,而海外仍是有多个兆瓦级示范花样,这些兆瓦级示范花样为以后潮流能的生意开发蕴蓄了丰富指示,因此加速我国潮流能发电安设的研发已大势所趋,幸免像风力发电本事一样恒久由海外本事操纵.

3 潮流能开发诈骗要津本事

潮流能能否灵验诈骗的要津在于其发电资本是否具竞争性,下列要素是决定发电资本的要津:

(1) 能量迁移本事,即潮流能水轮机研制本事;

(2) 传动系统与发电机联想选型本事;

(3) 潮流能发电阵列嘱咐本事;

(4) 海上电网构建本事;

(5) 救援结构联想及安装保重本事.

3.1 能量拿获与迁移

潮流能发电的第一要津要素即是拿获海水佩带的动能并将之迁移为机械能或液压能.水轮机是潮流能量迁移的要津部件,告成影响通盘系统的性能.按叶轮结构方式将水轮机分为水平轴式、垂直轴式、回荡水翼式和其他方式.刻下国际上接纳较多的是水平轴和垂直轴水轮机. 表 5列出了水平轴水轮机与垂直轴水轮机的特色[25].

表 5 水平轴与垂直轴水轮机特色 Table 5 Characteristics of vertical axis and horizontal axis tidal turbines

由于水平轴水轮机在总体结构和遵循上的优势,仍是成为潮流能发电安设接纳的主流本事.笔据国际可再生能源协会2014年统计,现存潮流能花样中,76%接纳水平轴水轮机,12%接纳垂直轴水轮机[26]. 2011年,76%的研发资金投向了水平轴水轮机,2%的投向了垂直轴水轮机[27].

宽广的研发者将眼神转向水平轴水轮机,为进一步提高获能遵循开展计划,一方面针对潮流的来回和流速变化性情计划变桨距本事以拿获较多的动能,另一方面对叶片的方式进行计划以将拿获的动能高效地迁移成为电能.

3.1.1 变桨距机构

变桨距本事在风力发电行业已熟识应用. 潮流能水轮机的变桨距系统模仿了风力发电机的旨趣和念念路,主要有两个作用:一是笔据潮流的来回特色,退换叶片的桨距角使得叶片正对潮流的来向,以拿获最大动能,使水轮机更容易起动,申斥启动流速,在涨退潮时都能高效运行;二是当潮流流速卓绝额定流速时退换桨距角减小叶片拿获的动能,以保证水轮机高效责任在额定功率状态. 通过退换桨距角,提高水轮机的启动性情和运行的可靠性,延迟水轮机在一个潮流周期中的责任时候,竣事总的获能遵循提高.

变桨距系统按原动机的能源不同可分为液压式和电动式.液压驱动变桨距系统是诈骗液压缸手脚原动机,通过曲柄滑块等机构推动桨叶变桨.电动变桨系统是诈骗伺服电机手脚原动机,经过减慢器带动桨叶变桨[28].液压试验机构具有单元体积小、分量轻、动态反应好、转矩大、无需变速机构且本事熟识等优点;电动试验机构以适合才智强、反应快、精度高、结构神圣、无泄漏、无混浊和保重神圣等优点.从功能上来说,液压变桨和电动变桨两种方式莫得优劣之分,刻下在潮流能发电安设中均有应用,电动方式要更多一些,具体哪种方式更相宜,还需进一步的计划和考证.基于变桨距本事的优势,变桨距本事在潮流能发电安设的应用越来越多[10, 12-13],如海外的"SeaGen"、TGL500、HS1000,国内的"海能Ⅱ"等都接纳了变桨距本事.因此跟着本事的不休熟识,潮流能发电安设中接纳变桨距本事是改日的发展趋势.

3.1.2 叶片联想

叶片是水轮机的进击部件,叶片的数目和叶形对潮流能水轮机的性能有很大的影响.从表面上讲叶片数目越多,水轮机的密实度越高,获能遵循越高,在工程实施时叶片数目多会导致制造用度高、开拓分量大、运载安装艰苦等问题,为申斥制造难度和工程资本,基于风力发电机的指示现存潮流能水轮机大多接纳2~3个叶片.MCT的SEA-GEN系列和500 kW海洋能寂寞电力系统示范工程中的100 kW的水轮机接纳2叶片,阿尔斯通1 MW潮流能发电安设和500 kW海洋能寂寞电力系统示范工程中的50 kW的水轮机接纳3叶片,从500 kW海洋能寂寞电力系统示范工程的100 kW和50 kW潮流能发电安设的试运行数据来看,3叶片水轮机发电机组和2叶片水轮机发电机组的系统遵循很是. 因而叶片本事的要津是计划出的具有邃密获能性情的叶形.频繁的叶形联想方法是笔据海域环境和潮流能资源条目,从已有的叶形库中选取相应的叶形进行优化,得到水能源性能较优的叶形联想参数.刻下叶形优化大多接纳动量-叶素表面联接CFD方法、Wilson方法、遗传算法等对叶片进行优化计划[29-31].挪威船级社推出了专科的水轮机联想软件Tidal Blade,可用于计议实质海洋环境条目下,潮流能发电安设水轮机水能源学性能、稳态载荷和功率弧线、发电安设疲困和极限载荷等规鉴识析,为叶片联想提供了邃密的用具[32].

3.2 传动系统与发电机

传动系统雷同是通盘发电系统的要津门径,系统联想的优劣告成影响着系统总体遵循、启动流速、可靠性和资本等.刻下,传动系统结构有3种:传统结构、半直驱和直驱式结构.

传统结构的传动系统由多级变速齿轮箱构成. 其优点是可接纳通例的发电机;过错是多级变速的齿轮箱增多了系统的损耗,申斥了能量的诈骗率,同期高速运转齿轮箱亦然发电系统中易过载和损坏的部件,导致保重频度大、资本高,在小功率的潮流能发电机组中应用较少. 直驱结构省去了齿轮箱,水轮机与发电机告成耦合. 优点是简化了传动结构、增多了系统的可靠性,改善了传动系统各部件的受力情状,申斥了运行杂音,也故意于提高系统的遵循. 由于免却了齿轮箱,简化了潮流能发电系统的制造和保重,由此申斥了潮流能发电的总体应用资本. 过错是需接纳低速发电机,交流功率时发电机的体积和分量精深于通例发电机. 半直驱一般接纳一级增速比较小的增速齿轮箱,介于传统结构和直驱式结构之间,在一定程度上化解了传动机构复杂和发电机体积之间的矛盾. 刻下在中、大型潮流能发电安设中接纳半直驱传动系统的较多.

无论是直驱照旧半直驱式结构,都要求发电机为低转速发电机. 刻下潮流能发电安设中多接纳永磁同步发电机. 低速永磁同步发电机与传统的永磁同步发电机比拟具有低电压、大电流、高转矩等优点,过错是体积大、遵循低、资本高、电压治愈率高. 因此开发出体积小、分量轻、遵循高、资本低的低速永磁同步发电机是改日辛苦的主张.

3.3 潮流能发电阵列嘱咐

由于潮流流速、水深、制造、运载、和安装等条目的适度,潮流能发电机的单机容量较小,刻下准生意运行的最大单机容量大多小于1.5 MW.如同风力发电场,潮流能发电场需要数十台以致数百台潮流能发电机组并网运行.优化潮流能发电开拓的布局是发电场建造的一个进击门径,它告成影响到发电场的经济收益、建造用度和泛泛保重用度,是潮流能发电场能否竣事生意化运营的要津之一.研发阵列嘱咐本事的中枢责任是分析和计划潮流能水轮机在不同布局、不同工况下形成的尾流场对控制及卑鄙海域的流场的影响,细目水轮机横向和纵向嘱咐的最小间距,在单元海域内嘱咐最多的潮流能水轮机.刻下,好多学者对多机组阵列的排布和尾流场进行计划,比如:南安普顿大学的L.E. Myers以及A.S.Bahaj老师,用带孔的圆盘代替水轮机来模拟尾流场变化;韩国西江大学的Seung Ho Lee以及Sang Hyuk Lee老师用静止的转子代替动弹的转子计划了水轮机在湖畔和海边的尾流场情况;英国斯旺西大学的R. Malki和I.Masters老师也对尾流场有过深刻计划[33]. 也有公司在开发生意的Tidal Farmer软件,为潮流能发电场的嘱咐提供联想用具. 天然,在阵列嘱咐时还要计议机组安装和保重所需的空间.

3.4 海上电网构建

海上电网是潮流能发电场必不行少的部分. 在MCT的资天职析中,电网建造占总资本的15%. 发电场离岸距离越远,电网建造的用度越高.刻下常用单机升压电力运输方式,即单台发电机组发出的电能在海飞腾压后接纳单独的海底电缆运输到岸上基站.这种方式的优点是海上开拓神圣、保重神圣,过错是电站范围较大时,电缆数目增多,材料资本和安装保重资本大幅度增多,影响电站的经济效益. 开发海上汇流安设大势所趋.模仿海优势电站的建造指示,潮流能电站海上汇流有直流汇流和交流汇流两种方式[34].交流汇流是指各潮流能发电机组发出的电能通过逆变器大略交流贬抑器转变成厚实的交流电后收罗到交流母线,直流汇流是指各发电机组的电能通过整流及DC/DC 变换器转变成相对厚实的直流电汇入到直流母线[35].有些机构正在计划水下汇流基站(subsea electric hub),为改日大范围开发潮流能发电场提供本事赈济.

3.5 救援结构

总共的潮流能发电安设都需要一个救援结构将其固定在指定海域,并招架海上多样恶劣条目.接纳何种救援结构,需要综认为议所在海域的水深、海底地形和地质构造及安装保重的可行性.刻下,常用的救援结构有座底式、桩柱式和动荡式3种.座底结构:频繁由一个大体积混凝土和钢架构成,依靠结构的分量将发电机组固定在海底.桩柱结构:将一个或多个钢柱钻或钉入海底来固定发电机组.动荡式:通过刚性或柔性的锚链将载有发电机组的浮体固定在海上[36].表 6给出了不同救援结构方式的主要优过错[37].

表 6 潮流发电安设载体方式对比 Table 6 Comparison of tidal current energy generating device carriers

笔据文件[37] 2009年统计落幕,救援结构方式应用比举例图 17所示,从落幕不错看出:接纳座底式的最多,其次是动荡式.在潮流能计划初期,接纳桩柱式和座底式的较多. 跟着计划的深刻和本事的提高,动荡式的接纳慢慢增多,笔据文件[26] 2014年统计,36%的花样接纳了动荡式救援结构,举例MCT公司和Bluewater公司互助和谐开发动荡式的"Seagen F".主若是因为动荡式运载神圣,对水深和海底地形、地质条目要求较低,同期可为安设提供较好的保重条目. 具体接纳哪种救援结构方式还需要笔据实质花样的海洋环境而定.

图 17 载体方式统计 Figure 17 The statistics of carriers in literature 3.6 潮流能开发诈骗濒临的力知识题

潮流能发电安设的能量迁移遵循和可靠性是潮流能开发诈骗濒临的要津本事问题,亦然潮流能推向产业化灵验开发的主要瓶颈. 竣事能量迁移遵循的提高,开首亟需科罚潮流能开发安设研发经由中的基础力知识题. 诚然潮流能开发诈骗不错模仿风电和海洋工程联想表面和指示,但潮流能特色及所处海洋环境繁衍了本事上稀奇的难点,对相干力学计划提议了挑战. 在潮流能开发安设联想中,提高能量迁移遵循濒临的力知识题主要体现在以下几方面:

(1) 高效水轮机叶片外形联想的流体能源学.

(2) 风、浪、流等水文表象要素对潮流能发电安设的作用、载荷过甚对能量迁移遵循的影响分析,极端是潮流流速、流向变化所产生的相干影响分析.

(3) 潮流能发电安设多体耦合影响分析,举例:动荡式救援结构过甚畅通对水轮机的载荷和能量迁移遵循的影响分析等.

此外,在提高潮流能发电安设的可靠性、申斥工程资本等方面,也波及到好多流膂力学和固膂力学的问题.

4 潮流能开发诈骗本事计划瞻望

由于能量的可预测性和储量的丰富,潮流能开发本事是各海洋能开发本事中除潮汐能外最为熟识的,世界先进水平的本事熟识度达到了8级,已坚强公约或相识备忘录运转研建多机组、总装机功率数百兆瓦的潮流能生意化示范电场,运转生意运营相干的系统集成本事、安装保重本事、资本核算本事等计划[38]. 我国2010年景立海洋可再生能源专项资金,赈济海洋能发电示范工程的建造,建成了以水平轴潮流能发电安设为中枢的500 kW海洋能寂寞电力系统等示范工程,迈出了潮流能开发示范计划的坚实纪律,国内开首水平的本事熟识度达到6级傍边. 开发资本是制约潮流能生意化应用的要津,潮流能发电资本至少降到现存资本的50%时才具有生意竞争力[39-40],扩绽开发范围、提高本事水平、形成产业链是要津.

4.1 海外潮流能本事计划的要点

世界列国潮流能开发本事计划进展不一,泰西等国已运转准生意化应用计划,连接赈济潮流能发电本事的示范和电网建造是推动其产业化发展的要津,在此阶段需要要点计划和破裂的要津本事是潮流能阵列布放本事、海上电网构建本事、安设运营和维修本事[38],同期开展要津元件的性能测试和优化,提高开拓的可靠性和糊口才智. 通过准生意化的计划和运营,形成计划、开发、改造和示范机制,构建潮流能发电产业链、制定相干程序和范例,指示产业联想和照看,进一步提高开拓的可靠性、可用性和糊口才智,确保开拓恒久厚实运行,申斥发电资本.

4.2 我国潮流能本事计划的要点

我国潮流能开发诈骗的旨趣计划比较熟识,示范运行的测试数据标明,系统发电遵循居国际先进水平. 通过海洋能示范计划发现,各项本事在实质应用中可靠性较低,以下本事仍需计划和破裂:

(1) 发电机组及水下开拓的密封本事;

(2) 发电安设模块化联想、制造与性能测试本事;

(3) 水平轴水轮机高遵循叶型联想本事;

(4) 高可靠性叶片结构联想、制造与检测本事;

(5) 海洋环境对潮流能发电安设性能影响分析本事;

(6) 发电机组的运载、安装与保重本事等.

5 我国潮流能开发诈骗的建议

(1) 加强要津本事应用计划

在潮流能开发诈骗要津本事计划方面,我国刻下仍是基本掌捏了潮流能发电安设联想的中枢本事,笔据多个已建示范工程花样实质情况,不错看出在要津本事的应用方面还存在着诸多问题,在潮流能开发诈骗要津本事应用计划方面,我国张开的计划还比较少,因此为了推动潮流能诈骗产业化,建议我国潮流能计划要点应放在要津本事的应用计划方面.

(2) 轻易股东实验区、实验场建造

刻下我国海洋能本事在迁移遵循、可靠性、经济性以及示范范围上与国际先进水平仍存在差距,海洋能发电安设的产业化还未形成,基础计划与产业化严重脱节,究其原因,枯竭完备的海洋能抽象测试平台和完善的测试程序体系与评价方法,是制约我国潮流能本事后果转动和潮流能产业发展的主要瓶颈. 建议通过加强选址计划,以科罚海岛、大型海上坐蓐设施的用电为要点主张,积极开展潮流能实验区、造就场建造,促进要津本事的破裂和生意化应用,更好地赈济我国海洋经济的发展.

(3) 加速相干程序的制定

我国已进入潮流能开发诈骗示范计划阶段,亟需出台相干程序和范例来救援本事发展的需要. 国际上刻下仅有欧洲海洋能计划中心(EMEC)于2009发布了潮流能开发的相干导则[41]. 国内潮流能诈骗相干程序尚处于起步阶段,相干程序基本空缺. 因此,我国应该加速制定潮流能诈骗相干程序.

(4) 在海域使用和资金方面出台赈济计谋.

资金和示范海域不及严重影响了潮流能开发本事的示范计划和熟识度提高. 建议国度出台相干计谋赈济潮流能本事计划,对用于公益职业、研发责任的海域使用通畅绿色通谈,或由国度筹办具备资源条目的寰球海域. 供科研院所、企业进行海洋能造就计划.

6 落幕语

潮流能手脚进击的海洋资源,有望成为改日能源的进击补充,对科罚海岛能源供应具有进击风趣. 频年来,在海洋可再生能源专项资金和相干计谋的赈济下联系我们,我国潮流能诈骗本事计划有了快速的高出,示范工程的建造,为要津本事的深刻计划提供了必要的局面. 关联词潮流能诈骗的产业化仍然任重谈远,还需要资源、计谋等方面的赈济,需要加强要津本事应用计划. 科罚潮流能开发诈骗濒临的力知识题,为提高能量转动遵循和开拓的可靠性奠定表面基础,给潮流能开发诈骗装备联想提供要津的指示,具有进击的工程实质风趣. 瞻望改日,跟着本事的不休熟识,潮流能有望象今天的风能、太阳能一样,成为我国能源供给的进击部分.

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