江苏龙网

  1. 首页 > 资讯 > 科技 > >

可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景( 三 )


可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景
本文插图

图3 Lillgrund海上风电场的计算流体动力学(CFD)大涡模拟3D图 。 (图片由爱丁堡大学的Angus Creech博士提供)
（二）潮汐和洋流能源
潮汐能是由潮流经过海岸线地区时产生的水头差所形成的 。 潮汐是海水在天体(主要是月球和太阳)引潮力作用下产生的周期性运动 。 天体的运动、地球旋转产生的科里奥利加速度、大陆板块的存在和海床地形等的影响使研究潮汐更加困难 。 潮汐变化是可预测的 ， 这是潮汐能的一大优势 。 洋流是在海洋运动和风力的共同作用下形成的 。 潮流和洋流的速度通常大于1m?s–1 ， 因此它们有潜力作为海洋能源被开发 。 潮汐能的开发常集中在特定地区 ， 如海峡(如加拿大的约翰斯顿海峡、苏格兰的彭特兰湾和新西兰的库克海峡) ， 海角(如威尔士的安格尔西岩礁) ， 海湾(加拿大的芬迪湾和英国的塞文河) ， 以及岛屿和陆地之间(爱尔兰的拉斯林岛) ， 这些沿海地形的几何形状有助于潮流的产生 。 最强的洋流包括北向的佛罗里达海流(从加勒比海到北大西洋方向最终并入墨西哥湾暖流)和南向的阿加勒斯海流(沿南非东海岸) 。 它们的速度都可以达到2m?s–1 。
海洋能发电和风能发电的设备环境有很大不同：洋流的流向比风向更容易被预测；和大气不同 ， 海洋表面的洋流活动可以增加阻力；海水密度比空气大800倍 ， 因此能源设备的负荷更大；海洋环境比大气更严酷 。 最重要的是 ， 潮汐涡轮机可以改变流场 ， 流场反过来可以提高能源可用率 。 海上涡轮机对局部洋流的影响可以延续很长的距离 。
虽然关于潮汐和洋流开采设备的设计方案有很多 ， 但是极少方案能投入制造和测试(图4) 。 这些设备可以归为以下几类：轴流式涡轮机、双击式水轮机、振荡水翼涡轮机、潮汐帆船和潮汐风筝等 。
可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景
本文插图

图4 潮汐和洋流设备举例
(a)Atlantis AK1000轴流式涡轮机(1MW)；
(b)Atlantis Solon-K导管式涡轮机(1MW)；(c)OpenHydro中央开放式涡轮机(250kW)；
(d)Kepler横向水平轴水轮机(THAWT) ， 是一种双击式水轮机(4MW)；
(e)Edinburgh纵轴双击式水轮机的概念(100MW)；
(f)在美国科布斯库克湾部署前采用的Gorlov螺旋式涡轮机；
(g)bioSTREAM(150kW)振荡水翼涡轮机(图片由BioPower提供)；
(h)Minesto深海潮汐风筝；(i)Flumill Archimedes螺旋式涡轮机
就像风力涡轮机从流动的空气中汲取能量一样 ， 轴流式涡轮机从流动的水中汲取能量 。 这种涡轮机根据安装方式不同有水平式和垂直式两种 。 风力涡轮机可以由裸露的叶片组成 ， 如图4(a)所示的Atlantis轴流式涡轮机；可以是导管式的 ， 如图4(b)所示为应用了文丘里效应的涡轮机 ， 其中的风道可以使风力加速穿过涡轮机；也可以是中央开放式的 ， 图4(c)所示的风力涡轮机由多个叶片围绕着一个中心孔洞组成 ， 当风力从中心孔洞穿过时 ， 基准压力下降 ， 从而质量流量上升 。 悬臂结构的叶片会承受非常高的负载 ， 这意味着叶片材料的强度和疲劳特性是非常重要的 。 转子叶片转动时 ， 它们转过的圆面积可用于估算阻塞效应 ， 这个因素会影响推力 ， 并进而影响有效功率 。 涡轮叶片后面的流场具有非常强的涡流成分 。
双击式水轮机的概念为我们提供了激动人心的前景 。 这些设备的配置可以实现高流量阻塞效应 ， 从而实现功率提取最大化 。 在这种情况下 ， 叶片具有方向性 ， 流体横穿整个叶片 ， 更像联合收割机的逆过程 。 转动轴垂直于流动方向 ， 要么水平 ， 要么竖直 。 Kepler横向水平轴水轮机(THAWT)设备就基于该原则 ， 如图4(d)所示 。 Edinburgh纵轴双击式水轮机如图4(e)所示 ， 叶片垂直排列 ， 两个末端基本上都受到大型自行车轮的支持 ， 它具有可变螺距及边缘动力输出装置 ， 反向旋转转子的直径为200m ， 扫掠面积为10000m2 ， 每个转子产生的功率超过100MW 。 如图4(f)所示 ， Gorlov螺旋式涡轮机(GHT)本质上是一种改进的Darrieus双击式水轮机 ， 配有对称的螺旋叶片 。 GHT在反向流动中工作效果良好 。


推荐阅读


上一篇：|华为小公主晒哈佛毕业照，满桌红酒被挡无意炫富，2万块玩偶抢镜

下一篇：技术|【安全生产月】看！这些“黑科技”为“安全生产月”保驾护航