新能源课程报告

1xxxx大学《新能源技术》课程报告姓名学号：学院(系):自动化学院专业:电力系统及其自动化题目:洋流能的发展状况与最新研究状况组别任课教师硕士导师2017年12月25号2洋流能的发展状况与最新研究状况摘要：首先，本文介绍了洋流能的基本概念与利用洋流能发电的基本原理，并简单介绍了利用洋流能发电的常用装置。然后，介绍了一种新颖的利用洋流能发电的装置：海洋风筝。详细阐述了海洋风筝的工作原理，并对比了两种不同结构的海洋风筝，介绍了他们的研发现状以及实际的应用状况。重点介绍了由意大利科学家研发出的最新结构的GEM-Ocean’sKite具体结构，以及相关的创新与改进。并且对改进前后的GEM-Ocean’sKite发电效率进行了分析和对比，发现效率得到很大提高。最后，对海洋风筝在发电过程中存在的优缺点进行了总结，对其应用前景进行了展望。关键词：洋流能；海洋风筝；工作原理；创新ThedevelopmentofmarinecurrentenergyandthelatestresearchstatusABSTRACT：Firstofall,thisarticleintroducesthebasicconceptsofmarinecurrentsandthebasicprinciplesofusingmarinecurrentstogenerateelectricity.Then,thearticleintroducesanoveldevicethatusesmarinecurrentstogenerateelectricity:Ocean’skite.TheworkingprincipleofOcean’skiteisexpoundedindetail,andtwokindsofOcean’skiteswithdifferentstructuresarecontrasted.Thestatusquooftheirresearchanddevelopmentoftheactualapplicationareintroduced.ThearticlehighlightsthelateststructureoftheGEM-Ocean'sKite,developedbyItalianscientists,andthelatestimprovements.TheefficiencyofGEM-Ocean'sKitepowergenerationbeforeandaftertheimprovementisanalyzedandcompared,andtheefficiencyisgreatlyimproved.Finally,theadvantagesanddisadvantagesofOcean’skitesinpowergenerationaresummarized,andtheirapplicationprospectsareprospected.KEYWORDS：MarineCurrentEnergy;Ocean’sKite;Workingprinciple;Innovations1引言洋流能即海流能，是取之不尽的海洋发电能源的一种。人类赖以生存的地球面积约为5.1亿平方千米，其中浩瀚无边的海洋占71%。据估计：蕴藏在海洋中的潮汐能、海流能、海洋温差能和波浪能的可再生总量为766亿千瓦。其中，洋流能由于其可利用能量大、相对较稳定的特点，引起了重点关注。图1太平洋区域洋流基本分布如图1所示，为太平洋区域洋流基本分布示意图。洋流是海洋中海水因热辐射、蒸发、降水、冷缩等而形成密度不同的水团，再加上风应力、地转偏向力、引潮力等作用而具有相对稳定速度的流动。因而，洋流能从本质上说，就是海水流动产生的动能。2世界洋流能利用现状及发展趋势32.1我国洋流能资源分布我国的洋流是季节性变化的。沿岸流系的季节变化除受大陆径流变化的影响外，还受季风变化的影响，与季风变化相一致。我国渤海、黄海、东海的海流主要是由黑潮暖流和沿岸流两个流系组成，具有气旋式环流的特征。其中黑潮流系是由黑潮主干及其分支组成。南海因其位于热带季风区，夏季盛行西南风，冬季风盛行东北风，季风方向于海区长轴一致，有利于稳定流系的发展。2.2国内外洋流能发电现状20世纪70年代，美国与日本率先开始研究潮流能与洋流能发电。1974年美国开发了一种小型伞式水轮机，并在佛罗里达洋流中进行了试验。1985年，美国在墨西哥湾海域进行了一台2kW的水轮机的试验，同年另一台20kW的潮流能发电机在纽约市的河中进行了试验。目前，美国、挪威、法国、爱尔兰、英国等国都陆续有潮流能与洋流能发电机投入测试，单机容量几百千瓦的机组各国都己有较为成熟的机型，1MW以上的机组己经开始投入研发、试验。未来潮流能与洋流能发电技术的发展方向与波浪能类似，发电效率与可靠性是首要解决的问题。要达到商业化运行的程度，必须继续降低先期投入的成本与运行费用。中国的洋流能储量非常丰富。根据1989年的《中国沿海农村海洋能资源区划》对全国130个水道的统计，理论平均功率为13948.2MW。其中以东海沿岸的省份为主，浙江省的洋流能更是占全国一半以上。特别是舟山群岛区域，部分水道的洋流流速高于4m/s，适合大型潮流发电场的建设。我国的潮流能和洋流能发电技术的研究开展得较早。在60年代就己经进行过水流发电机的试验。80年代中期，哈尔滨工业大学研制了1kW的潮流能发电装置的样机。2002年中国第一座70kW的潮流能发电站在浙江舟山建成发电。此后，国内许多高校与科研机构陆续进行了各种不同特性潮流能和洋流能发电设备的研究，不过单机容量仍然较小。《国家中长期科学技术发展规划纲要》（2006~2020）中已将150kW洋流能电站关键技术列为我国海洋能研究开发的重点项目。3洋流能发电基本原理与典型发电装置3.1洋流能发电基本原理利用洋流能发电基本原理与利用风力带动涡轮机发电原理基本相同：一定流速的洋流通过涡轮发电机中的涡轮，使涡轮旋转，带动发电机的转子在定子中转动。发电机转子通过直流形成磁场，此磁场在定子中转动后，磁力线切割定子中的线圈，在线圈中感应除电势，很多线圈的电势叠加后在发电机端子处形成电压，就能够向负荷供电了。3.2典型利用洋流能发电的装置目前，利用洋流能发电的装置有很多种，这里简单介绍几种装置的工作原理。3.2.1水平轴涡轮机与垂直轴涡轮机水平轴涡轮机，垂直轴涡轮机是利用洋流流过涡轮机带动其叶片转动进行发电，结构示意图分别如图2，图3所示。图2水平轴涡轮机4图3垂直轴涡轮机3.2.2摆动水翼艇摆动水翼艇则是基于摆动式水翼的流体能量捕获技术研究，与现有的基于旋转叶片的水轮机技术相比，这种基于摆动水翼的流体能量捕获技术具有对环境影响小、噪声小，捕能效率高以及可在浅水使用等优点，另外还具有翼片结构简单，易于加工，捕能效率高等特点，大约为传统旋转水轮机4倍的捕能效率。摆动水翼艇结构如图4所示。图4摆动水翼艇3.2.3文丘里结构装置文丘里结构是利用流体压差的一种装置，是意大利物理学家G.B.文丘里发明的。文丘里管是先收缩而后逐渐扩大的管道，如果涡轮机安装合理可以有效的利用洋流进行发电。但目前仅限于实验室研发阶段，还没有完全投入使用。文丘里结构如图5所示。图5文丘里结构装置3.2.4阿基米德螺旋阿基米德螺旋工作原理是当洋流带动其轴转动时，螺杆一方面绕本身的轴线旋转，另一方面它又沿衬套内表面滚动，于是带动发电机转动。螺杆每转一周,密封腔内的液体向前推进一个螺距，随着螺杆的连续转动，液体螺旋形方式从一个密封腔压向另一个密封腔。阿基米德螺旋是一种新型的带动发电机转动的机械，具有结构简单、工作安全可靠，使用维修方便、压力稳定等优点。同样由于其用于海底时，受微生物等复杂环境影响大效率被限制，还处于进一步研发阶段。阿基米德螺旋如图6所示。图6阿基米德螺旋4海洋风筝—-新型的洋流能发电装置4.1海洋风筝的工作原理海洋风筝主要结构是翅膀和涡轮机。海洋风5筝通常使用功率约150〜800千瓦的涡轮机。一般放置在海面以下50〜300米处，用电缆连接到海底。它可以在洋流速度大约为1到2.5m/s的条件下工作。当发电时，海洋风筝会左右摆动，它的运动路径是“八”字型，就像我们看到风筝在空中飞舞一样。4.2海洋风筝的主要结构海洋风筝现阶段主要分为两种结构。第一种结构为机翼加涡轮机的结构。第二种结构就是由意大利科学家发明的GEM-Ocean’sKite（这种最新结构前不久研发成功，还没有投入实际使用）。4.2.1第一种结构：机翼和涡轮机第一种结构的海洋风筝，一般如下图7所示。可以清楚地看出，它主要由两部分组成：机翼和涡轮发电机。风筝的翅膀长约12米，起到调节方向和提供浮力的作用，而涡轮机起到发电作用。由于海水密度是空气的800倍，安装在水下风筝上的小型涡轮机产生的能量就相当于空中的800倍。瑞典Minesto公司成功地研制一款水下风筝，就是使用的第一种结构。它能够在洋流中俯冲和下潜，它看上去颇似孩子的玩具，Minesto公司称这项最新技术为“深绿”，即使海面十分平静，也能产生500千瓦的能量。水下风筝可使洋流能量增加至80%，Minesto公司宣称，“深绿”水下风筝的第一款比例模型将于2011年在北爱尔兰海岸部署运行。图7Minesto公司研发的“深绿”海洋风筝4.2.2第二种结构：GEM-Ocean’sKite海洋风筝的第二种结构，即GEM-Ocean’sKite是由意大利科学家研发成功的，“GEM”代表意大利语“GeneratoreElettricoMarino”的缩写,意思是海洋电力发电机。与第一种结构相比，其整体所占空间较小，并在结构改进后效率得到很大提高（后面章节将重点阐述），因此我将详细介绍这种结构。GEM-Ocean’sKite海洋风筝概念CAD模型如图8所示。GEM-Ocean’sKite主要由五部分组成：1）两个涡轮机2）浮体3）V型尾翼4）扩散器型叶片保护罩5）能量传输装置图8GEM-Ocean’sKite海洋风筝概念CAD模型两个涡轮机作用是将洋流能转换为电能。发6电的主要过程就是当一定流速的洋流通过涡轮发电机中的涡轮，使涡轮旋转，带动发电机的转子在定子中转动。发电机转子通过直流形成磁场，此磁场在定子中转动后，磁力线切割定子中的线圈，在线圈中感应除电势，很多线圈的电势叠加后在发电机端子处形成电压，就能够向负荷供电了。浮体的作用与第一种结构中的机翼相同，能够为海洋风筝提供所需要的浮力，以保证其在悬浮状态下正常工作。V型尾翼可以在潜艇身体受到洋流冲击时增强其纵向稳定性，并可通过可调节的尾翼改变自身方向，增强了海洋风筝在水下的灵活性。扩散器型的叶片保护罩是科研人员最新研究出的成果。它的作用是加快流过涡轮机的洋流流速，因为涡轮机发电功率与洋流流速的三次方成正比，所以可以使涡轮机发电量有很大提高，也使涡轮机效率有很大提高。能量传输装置作用是连接电缆并将涡轮机产生的电能传输给分布于海底的电能采集网络，从而实现电能的采集与输送。4.3GEM-Ocean’sKite的发电效率在GEM-Ocean’sKite设计研发的过程中，发电效率一直是重点研究的问题，洋流流速下怎样使效率提高是科研人员一直想要解决的问题。根据搭建的GEM-Ocean’sKite的CAD模型，研究人员观察和测量的数量包括：1)假定对称的工作条件下，左手侧涡轮机转矩T和角速度，从中可以估计总输出功率P;2)通过称重传感器获得的电缆上的张力cT；3)通过惯性平台获得水下整个系统的状态。这些参数足以表征海洋风筝系统的整体工作效率和发电量。当洋流流速为V，海洋风筝总体上受到三个力的作用：绳索张力cT，浮体产生的浮力B以及总水平力HF。当海洋风筝处于稳定状态时，这三个力保持平衡，使风筝以“八”字形路径运动，同时涡轮机稳定发电。研究表明，由于海水密度是空气的800倍，使用水下风筝的小型水轮机产生的能量约为小型涡轮机在空气中产生能量的800倍。GEM系统在稳态条件下的示意图，如图9所示。图9GEM系统在稳态条件下的示意