海流发电22

海流发电

海流发电是依靠海流的冲击力使水轮机旋转，然后再带动发电机发电。目前，海流发电站通常浮在海面上，用钢索和锚加以固定。这种发电站是由一串螺旋桨组成的，它的两端固定在浮筒上，浮筒里装有发电机。整个电站迎着海流的方向漂浮在海面上，这种发电站之所以用一串螺旋桨组成，主要是因为海流的速度较慢，单位体积内所具有的能量小的缘故。它的发电能力通常较小，一般只能为灯塔和灯船提供电力，至多不过为潜水艇上的蓄电池充电而已。海流能研究开发上英国无疑走在了世界前列。在政府基金的支持下英国已注册了一大批新能源公司并且大多都进入试验验证阶段。

根据发电装置利用水动力的成分,涡轮机分为两种基本类型,即水动力阻力装置和水动力升力装置。另外根据旋转轴的朝向,又可分为垂直轴(阻力和升力装置)和水平轴(升力装置)涡轮机两种。水平轴涡轮机相对于垂直轴涡轮机效率更高,但获取海流动能受流向影响,而垂直轴则不会。因此大多数水平轴需要加装偏转控制机构,这对系统的复杂性和可靠性都是不利的。

驳船式海流发电站是由美国设计的，这种发电站实际上是一艘船，所以叫发电船更合适些。船舷两侧装着巨大的水轮，在海流推动下不断地转动，进而带动发电机发电。这种发电船的发电能力约为5万千瓦，发出的电力通过海底电缆送到岸上。当有狂风巨浪袭击时，它可以驶到附近港口避风，以保证发电设备的安全。

20世纪70年代末期，一种设计新颖的伞式海流发电站诞生了。这种电站也是建在船上的。这是将50个降落伞串在一根长154米的绳子上，用来集聚海流能量。绳子的两端相连，形成一环形，然后，将绳子套在锚泊于海流中的船尾两个轮子上。置于海流中串连起来的50个降落伞由强大的海流推动着。在环形绳子的一侧，海流就像大风那样把伞吹胀撑开，顺着海流方向运动。在环形绳子的另一侧，绳子牵引着伞顶向船运动，伞不张开。于是，拴着降落伞的绳子在海流的作用下周而复始的运动，带动船上两个轮子旋转，连接着轮子的发电机也就跟着转动而发出电来。

流速流向随涨退潮而变化,因此控制系统需要实现叶轮的朝向变化,适应大的流速变化范围,叶轮制动平滑且轻柔,通过调向控制使叶轮在流速超出额定值时遭受的动载荷最小化。

控制系统的难点除了实现发电机的启动、停机以及储能、放电等功能外,还需要克服湍流对系统的影响。湍流意味着发电机系统获取电能时会产生波动,因此控制系统必须允许发电机的转速和扭矩在一定范围内发生变化,这样使电能输出平稳、最大化获取动能,同时减小结构载荷。

叶片翼型流体动力性能的好坏,直接决定了叶片海流能转换效率的高低。随着叶片技术的不断进步,发电机专用翼型将在叶片设计中起着越来越重要的作用,在叶片翼型的改进上也还有很大的发展空间。同时,采用柔性叶片也是一个发展方向,利用新型材料进行设计制造,使其在海流变化时能够改变它们的流体动力型面,从而改变流体动力特性和叶片的受力状况,增加叶片运行的可靠性和对海流的捕获能力。另外,参考风力发电机,在叶端加一小翼,提高发电机的输出功率。

设计中已能有效避免气蚀现象。对于海流发电机这样大扫掠面积的叶轮却还没找到一种合适的方法。气蚀现象对水深非常敏感,因此一部分气蚀问题可以通过增大发电单元的安装水深来避开叶片气蚀水深。另外设计合适的叶片剖面及选择合适的材料同样可以避免空泡系数损失及破坏问题。对于附着物的影响研究表明,附着满海生物的叶片将极大降低海流能捕获的效率。不但影响设备的性能,对结构的破坏也是显著的。通常采用防腐油漆可有效解决

海生物附着影响。

涡轮机周围的高速流使得多长的电缆都不是安全的,海流总会扰动电缆并使其与支撑结构不断的产生摩擦。而电缆的输入输出端及任何接头处都存在漏电可能。因此在未来的海流发电机设计中,需要改进发电机与电缆的连接方式以及远程输电时海底电缆的铺设方式。

海流能的总量巨大,但分布密度却很小。海流发电机单机的发电效率包括流经叶轮水动力的捕获效率、机械传动等系统损失。提高单机发电效率的有效途径是发电机叶片的不断改进,目前进行研究的还有对转双叶轮设计

,结果显示能有效增大发电效率并增强机构的动稳定性。建设海流发电场时,评估单位海洋面积内设置海流涡轮机的最佳数量,以提高海流能利用率,同时避免发电机产生的涡流彼此间交互影响。

因此海流发电机很难真实评估海流发电与其他形式再生能源利用的竞争力，随着海流发电技术日渐成熟并大规模开发,海流发电机的成本则有可能大幅降低。

风速是决定风能的关键性因素一样,海流的测量工作十分关键,目前,我们还没有一个十分好的办法。现有的测流技术仍然是依靠人测为主,但由于大浪大潮对人类活动的影响,只能依据典型潮汐情况的测流和相关的数值模拟技术来分析,使测流工作变得更加困难和不够准确;另一方面,正在尝试建立起连续可靠的测流办法

目前初步的研究结果显示,尽管海流的流速达1m/s就可以产生电能,但考虑到商业开发成本,海流的流速至少需要达到2.1m/s(四节)。就经济性来说,事实上,由于目前并无商业化运作新能源及工艺合理选择支撑结构目前海流发电机组的主要安装支撑结构概念主要有以下几种:可升降基桩式、锚泊式、拉索塔式、置顶基桩式、可伸缩套管式、导流管式等。

支撑结构的设计需要考虑的因素:如控制系统在水面以上,则故障发生后叶轮可升至水面易于维修,从而大大降低维护成本;刚性结构能减少结构载荷和增强叶轮动态稳定性;近水面结构有视觉冲击、行船碰撞风险、波浪腐蚀、结构需承受波浪力的冲击;高度随水深增大的结构,制造成本较高;是否需要叶轮调向和桨距调节机构;疲劳载荷将导致太灵活的系统寿命较短、流向变化导致叶轮处在支撑结构的尾流区而产生脉冲振动;日常维修是否需要完全将涡轮机舱拖至海岸;伸缩结构连接复杂,成本很高,特别是随水深加大成本增加明显;固定安装在海底的结构海草生长将有堵塞导流管和叶轮的风险。

很显然,目前还没有一种支撑结构在所有方面都优于其他结构,不同的支撑结构满足不同的环境条件和经济性要求,因此根据具体的环境可以设计出很多成功的支撑结构概念。

1.9 方便安装维护

目前机组的安装一般是固定在海底的塔架并用漂浮平台悬吊发电机,在水流中建造基座并安装设备将极具挑战。海水每天仅有很短时间的静止状态,海水对于临时支撑结构如起重驳船底部的冲刷,即使很短时间内也会受到严重影响。安装完成的机组旋转部分(即叶轮)一般可以由升降机升出水面,这样便于日常维护及零部件的更换。

海流场选址问题

海流场选址一般遵循的原则:

(1)满足设计要求的流速范围;

(2)长期稳定的均匀流;

(3)最大最小水深要求;

(4)尽量靠近海岸;

(5)尽量不暴露于开阔水面以减小环境影响。

逐日潮流速度有赖于水深和地形障碍物。群岛在潮流波通过每个岛的任一边时,提供了许多不同海平面的机会,对相互连接的峡谷地带的动力流将有更加可信的潜能。由于峡谷地带变窄的横截面的收缩将使海流增加到最大,收敛的流速也会更加稳定。基于上述两个因素,

海流站址的选择应位于峡谷最小处,通常也是最窄处、地缘突出的尖角处、典型的地下水道、海岛之间。此处流速向下游分离,通常从边界处分离并向下游自由发散,对其后部是自由发散流来说,将产生一个复杂的海流谱,因此海流场选址时应避免遭受反向强流,这点十分重要。

气候变化影响

海流虽然稳定且容易预测,但过度大规模开发利用可能导致气候紊乱,如会不会因为某些区域的发电使洋流减弱造成全球洋流系统的改变。因此海流发电机的安装密度须经严格的设计,让洋流经涡轮机吸收一部分能量后还能恢复到原本的流速。每种不同形式的涡轮机,安装的间隔密度也因此不同,单位海面积内海流发电机的安装数量应得到合理的控制。 对海洋生物的影响海流能的利用可能对海中生物如鱼类与哺乳类动物造成影响。

深海特种设备能源补充技术

由于海洋开发和国防的需要,各种监测设备、水下采矿系统、水下机器人、水下组网站点建设以及海上军事设施,甚至未来的水下空间站建设等,目前这些设施主要依靠高能蓄电池提供电能。利用海流能发电解决海上作业能源补充问题,提高浮标、潜标的观测技术,在军事及海洋调查、海洋环境保护等方面都有着重要的应用前景

今天，超导技术已得到了迅速发展，超导磁体已得到实际应用，利用人工形成强大的磁场已不再是梦想。因此，有的专家提出，只要用一个31000高斯的超导磁体放入 黑潮海流’中，海流在通过强磁场时切割磁力线，就会发出1500千瓦的电力。

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