潮流能发电技术

水平轴潮流能发电系统电气2班张陈2016200498海洋是个庞大的能源宝库，它既是吸能器，又是贮能器，蕴藏着巨大的动力资源。海水中蕴藏着的这一巨大的动力资源的总称就叫做海洋能，它包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能和海水盐差能等各种不同形态的能源。海洋能简介海洋能的特点能量密度低，但总蕴藏能量大，可再生；能量随地域时间变化，但有规律可循；开发环境严酷，一次性投资大，但不污染环境，不占用良田，可综合利用。潮流能的定义潮流是与潮汐相伴而产生的周期性海水水平流动，在月亮和太阳引潮力作用下，海水做周期性的运动，它包括海面周期性的垂直升降和海水周期性的水平流动，后者即被称为潮流。潮流运动时所产生的动能即为潮流能。潮流能的特点1.较强的规律性和可预测性；2.功率密度大，能量稳定，易于电网的发配电管理，是一种优秀的可再生能源；3.潮流能的运用形式通常是开放的，不会对海洋环境造成大的影响。潮流能的主要利用方式是发电。从能量转换角度来看，一套完整的潮流能转换系统（或称为潮流能发电系统）主要由潮流能捕获系统（或称为潮流能转换装置），能量传递装置，电能转换装置，控制系统，安装支撑结构这五部分组成。与传统的需要搭建大坝并利用人工存储的海水势能发电的潮汐发电机组不同，新兴的潮流能转换系统采用开放式的机械结构，不需要大型的土建工程，无需巨额的前期投资，对水道的通航影响小。利用该类系统发电时，由于水下旋转系统部分转速低不会产生大的噪音，也不会影响到附近的海洋生物，因此可以保持良好的地域生态环境。另外由于系统的大部分都放置水下，不会影响到人们的视觉环境。透平类的系统相比目前还大多数处于概念验证的非透平类系统，透平类的潮流能系统获得了更广泛的开发，占据了当前潮流系统中的大多数。其工作原理和风力发电机组有很大的相似性。潮流能转换装置在流体介质中收到水动力作用从而带动透平的回转轴转动，将流体能转换成系统的机械能，能量传递装置将低速大扭矩的机械能进行转换并传递至电能转换装置，后者将机械能转换成电能，同时对电能进行调节并输出至终端。控制系统支配并管理整套发电装置的运行，而安装支撑结构确保了装置在海洋环境下工作。透平类的与风力发电的区别①由于海水的密度大约是空气的800倍左右，对于相同功率等级的机组，潮流能系统的叶轮直径仅为风力机组的1/2左右，所以其功率体积比大。②相对于风的瞬息万变，潮流能的稳定性及高可预测性对于潮流能系统的控制及操作来说是比较有利。③由于流体介质的区别，潮流能系统的透平装置受到的载荷更大，但其只需正反180度两个方向运行，从而可省略偏航装置。④潮流能系统更方便使用聚流装置来增加流体速度，另外旋转部分在水下，所以噪声小，没有视觉上的影响。⑤恶劣的海洋工作环境使潮流能系统必须要考虑结构腐蚀，密封，叶片损坏，系统维护，大的轴向受力及气蚀等问题垂直轴式系统在透平类潮流系统中，水平轴式和垂直轴式系统各具特点。垂直轴系统其透平轴先分别垂直于潮流方向及水平面，该类系统开发的较早，其技术优点有：（1）透平总体设计更简单，成本低，叶片加工制作容易；（2）其透片可适应各方向的来流，而发电机更方便放置在水面以上，因此可简化对流问题，及降低水下密封部分的成分。（3）因为叶尖损失相对小，所以噪声更小。（4）安装支撑方式更适合采用漂浮式的结构，同时更便于采用聚流装置来增大流速。（5）更适合于在垂直方向上流速不均匀的浅水海洋环境，尤其是旋转形叶片的透平。相应的垂直轴系统也有一些明显的缺点：比如通常透平的启动转矩比较低，启动特性差，运行时有较大的转矩脉动，能量转换效率较低。1.总体性能更好，能量捕获率高，自启动性能好，转速也相对高，更利于直驱传动。2.更利于开展各种控制方法，如变速，失速，变桨控制等。3.相关的知识库丰富，可利用的现有技术相对较少，如风力机和船舶螺旋桨领域的技术。潮流能透平的能量捕获原理1制动盘概念及动量定理2.旋转尾流效应及角动量定理3.叶素理论4.叶素动量理论二次能量转换原理传统工作方法及其工作原理在捕获装置之后，传统的后续能量处理方法首先采用齿轮增速箱对透平旋转运动进行增速，将叶轮所具有的的低扭矩机械能转换成高速低扭矩的机械能，再驱动发电机工作，将机械能转换成电能，而发电机之后的电能处理环节取决于系统的能量消耗方式，若为并网式，则发电机发出的电能经各类变频器及并网控制器后调节成电压，频率及相序一定的交流电，然后并入电网；而若为独立运行式，则电能处理环节更加复杂，发电机发出的电能通常经整流装置，直流变换装置调节成电压电流在一定范围内的直流电形式进入蓄电池组成或直流负载中，或者再通过逆变器向交流负载供电。新型方法及其工作原理思路：液压传动替代传统的齿轮传动。系统功率控制原理水平轴潮流能转换系统的功率控制主要包括在额定流速以下的最大功率跟踪控制及在额定流速以上的功率稳定输出控制两部分。最大功率跟踪控制对于给定几何尺寸及参数的水平轴潮流能透平，根据叶素动量理论，通过计算可获得不同叶片安装角时的轴功率随水流流速的变化曲线，将其无因次化可获得不同安装角时的功率系数和叶尖速比的关系曲线，即潮流能透平的功率特性曲线，典型曲线形式如图所示。根据控制的给定量的不同，潮流能系统的最大功率跟踪控制策略可分为直接转速控制和间接转速控制两种直接转矩控制由于流速流向传感器所测量的流速并非是上游无穷处的流速，且流速在叶轮扫掠面上分布不均，要准确获得水流速度是比较困难的。为了更可靠实现直接转速控制，可使用转矩观测器来预测叶轮的机械转矩，再根据预测转矩和比例系数算出参考转速。间接转矩控制功率稳定输出控制原理根据上面的潮流能透平的功率特性曲线可见，当叶片的安装角逐渐增大时，功率系数曲线显著地缩小。利用功率系数随安装角的变化规律，在高于额定流速工况下，通过调节叶片安装角，能够有效地降低透平叶轮的功率系数，从而可将系统的输出功率控制在额定功率附近。潮流能转换系统的功率稳定输出控制是在通过叶片节距角的主动调节来实现的，因此又可称为变桨距控制。由于叶片的安装角的调节本身就是一个位置控制系统，因此系统的功率稳定输出控制包括两个控制环：功率环和节距角位移环，如图所示。