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可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景( 四 )


振荡水翼涡轮机通过将升力作用于水翼 ， 引起悬臂移动 ， 从而驱动液压系统中的流体 ， 然后将之转换成电能 。 典型的振荡水翼设备包括Stingray(150kW)、模仿鱼类推进原理的bioSTREAM(150kW)(如图4(g)所示)和由Pulse Tidal发展的Pulse-System(1.2MW)的概念 。
如图4(h)所示 ， 潮汐风筝涡轮机被拴在吊挂式扫雷臂上于水下“飞行” ， 并将当前的动能转化为电能 。 遵循8字形轨迹 ， 潮汐风筝就能具有潜在的有效性 ， 可在水深60~120m处、洋流速度为1.2m?s–1的环境下操纵 。 Minesto在北爱尔兰斯特兰福德湾测试了翼展为3m的潮汐风筝 ， 接下来会设计翼展为14m的潮汐风筝 ， 该风筝在洋流速度为1.7m?s–1时功率为850kW 。 Minesto计划在2017年研发一种规模为1.5MW的DeepGreen涡轮机组 ， 并计划在未来开发功率达10MW的机组 。
其他种类的潮汐和洋流风力涡轮机还在研究当中 。 例如 ， 图4(i)中的Archimedes螺旋式涡轮机通过潮流驱动螺旋式叶片旋转来发电 。 其他的例子有Atlantis Fanbelt Aquanator 400和潮汐帆船概念涡轮机等 。
还有一些有趣的研究主要集中在不确定性、湍流、涡流、波流相互作用、模型放大和环境影响(如对哺乳动物和生物多样性的影响)上 。 例如 ， 暴风雨诱导的波浪可以产生比潮汐流还大的水质点速度 。 此外 ， 波浪周期与涡轮机转子的周期是同阶的 。 湍流和大规模涡流可以对来流的一致性产生影响 。 这些都可以通过计算机模拟技术来完成预测 。 研究人员最近通过CFD解决了设备实际规模下潮汐和洋流涡轮机的湍流问题 。 在近期模拟(图5)中 ， 转子叶片背后重现湍流旋流流动 ， 形成与下游涡轮机和局部环境相互作用的尾迹 。 高性能、大数据计算能够使这样的3D计算模型在未来作为常规工具得到推广 。
可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景
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图5 潮汐涡轮机设备规模的CFD模型(图片由爱丁堡大学的Angus Creech博士提供)
实验室模型和中试规模的实地测试对这类分析进行了补充 ， 并为深入了解潮汐涡轮机的原位行为提供验证数据 。 图6(a)显示了单向实验室水槽测试下Oxford THAWT涡轮机的成比例模型 。 图6(b)显示了在位于苏格兰奥克尼群岛北部的欧洲海洋能源中心进行测试的中试规模潮汐涡轮机 。
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图6 潮汐设备测试 。 (a)THAWT设备的实验室模型(http://www.keplerenergy.co.uk/)；(b)欧洲海洋能源中心的1MW潮汐设备的中式规模模型(图片Atlantis Resources Corporation提供)
（三）潮差
潮差是在一个潮汐周期内 ， 相邻高潮位与低潮位之间的差值 。 潮汐磨坊起源于公元早期的几个世纪 ， 考古学家指出 ， 潮汐磨坊早在罗马人建立伦敦时和公元6世纪的爱尔兰就已出现 。 现代版潮汐磨坊就是潮堰和潮汐潟湖 。 潮堰是低水头水利发电系统 ， 它横跨在河口处而形成潟湖 。 潮差形成的水头差通过轴流式涡轮机产生电能 。 表1列举了世界上不同的潮堰类型 。
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表1 不同潮堰的地点及相关参数
潮堰发电取决于瞬时水头 ， 其类型可以分为以下几种：退潮发电(水从水槽里流出)、涨潮发电(水流进水槽里)、双向发电和水泵发电 。 虽然潮堰可以提供充足能源 ， 但投资和建设的成本非常高 ， 冗长的建设周期抑制了投资的积极性 。 堰坝开发商必须考虑航行和航运水位的要求 。 堰坝可能引起的环境问题包括潟湖潮汐运动的变化、停滞 ， 水质损失 ， 沉积物运移、盐度、生物多样性的变化 ， 以及通过影响潮间期对涉禽产生影响 。 公共和政治因素也一直影响着潮堰的发展速度 。 最近 ， Waters和Aggidis在一篇综述中报道了目前最先进的潮差发电技术 ， 这种技术利用潮汐潟湖、礁石和围栏发电 ， 成本相对较低且对环境的影响也较小 ， 这项技术将会使潮差发电在未来变得更可行 。 在英国 ， 科学家一直想利用塞文河口的潮差进行发电 。 他们之前提出了一个建设一条长为16km的拦河坝的方案 ， 这条拦河坝从威尔士加迪夫的Lavernock Point到滨海韦斯顿的Brean Down ， 使用216台额定功率为40MW的灯泡式水轮机 ， 总发电量可达8640MW(即17(TW?h)?a–1) 。 他们最近提出了斯旺西海湾潟湖的方案 。 该方案利用16台双向灯泡式水轮机 ， 可产生电力320MW(即0.63(TW?h)?a–1) 。 该方案已吸引大量的投资者 。 降低成本和环境问题依然是该技术发展的关键障碍 。


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