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風(fēng)力水流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的研究

作者: 時(shí)間:2012-05-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

1 引言

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201541.htm

我國近海風(fēng)資源十分豐富,初步估算我國海上風(fēng)資源為7.5億kW[1],為陸地資源的3倍。與陸上風(fēng)電場(chǎng)相比,海上風(fēng)電場(chǎng)具有節(jié)省土地資源、風(fēng)速高而且持續(xù),沒有復(fù)雜地形對(duì)于氣流的影響,對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。因此,是當(dāng)前國際風(fēng)電發(fā)展的一個(gè)重要方向。海水的大規(guī)模流動(dòng)含有巨大的能量,據(jù)估計(jì),全球海流能高達(dá)5×106MW,我國可開發(fā)的海流能約為3×104MW。因此,發(fā)展海流對(duì)于保證我國社會(huì)、經(jīng)濟(jì)健康持續(xù)發(fā)展,具有重要戰(zhàn)略意義。

2 中國沿海風(fēng)場(chǎng)、流場(chǎng)分布

2.1 風(fēng)場(chǎng)分布

冬季東亞地區(qū)受蒙古冷高壓和阿留申低壓的控制,冷空氣活動(dòng)頻繁,中國近海盛行偏北風(fēng),風(fēng)速較大;夏季受西太平洋副熱帶高壓和西南季風(fēng)以及熱帶氣旋的影響,盛行偏南風(fēng),風(fēng)速較小。

如圖1所示,東南沿海是我國最大風(fēng)能資源區(qū),浙江中部至廣東東部近海海域年平均風(fēng)速達(dá)8m/s以上,臺(tái)灣海峽中部達(dá)9m/s以上。30ºN以北江蘇近海和渤海西部6.5m/s-7.5m/s,渤海海峽到成山角7m/s -8m/s。廣東西部近海6.5 m/s-7.5m/s,海南島西部6.0 m/s-7.5m/s,廣西近海6.0 m/s-7.0m/s 。

圖1 中國沿海年平均有效風(fēng)速圖

不同風(fēng)速風(fēng)資源在海上機(jī)項(xiàng)目中的利用情況[2]見表1。

表1 不同風(fēng)速風(fēng)資源在海上風(fēng)力機(jī)項(xiàng)目中的利用情況

平均風(fēng)速

(m/s)

基于歐洲經(jīng)驗(yàn)

6–7

低風(fēng)速,在經(jīng)濟(jì)上不太可行

7–8

中等風(fēng)能資源, 投資回收期長,利潤低

8–9

風(fēng)能資源好, 中等投資回收,利潤合理

9–10

風(fēng)能資源極佳,投資回收期短,高回報(bào)

2.2 流場(chǎng)分布

中國近海海域的海流可分為兩大:① 外來的黑潮暖流;② 海域內(nèi)生成的沿岸流和季風(fēng)漂流。

渤海沿岸以不正規(guī)半日潮和正規(guī)半日潮為主,遼東灣、渤海灣、萊州灣為不正規(guī)半日潮;龍口至蓬萊一帶屬正規(guī)半日潮,秦皇島以東和神仙溝附近屬正規(guī)全日潮,黃河口兩側(cè)為不正規(guī)全日潮(見圖2)。

黃海沿岸基本上屬于正規(guī)半日潮,威海至成山頭和靖海角、連云港外為不正規(guī)半日潮。

東海大陸沿岸除寧波至舟山之間海域?yàn)椴徽?guī)半日潮外,其余為正規(guī)半日潮。臺(tái)灣西岸從基隆至布袋為正規(guī)半日潮。其余為不正規(guī)半日潮。

圖2 黃海、渤海及東海冬、夏季流系示意圖

南海海域的海流較為復(fù)雜。過去認(rèn)為,從表層至200 m深處的上層水體都在季風(fēng)的制約下流動(dòng),夏季東北漂流,冬季西南漂流。后來發(fā)現(xiàn),在廣東外海冬季期間,海流由東北流向西南并非總體都是如此,在較深的水深處,有一狹窄的逆風(fēng)向海流,且流速較大(見圖3)。

圖3 南海海域冬、夏季風(fēng)漂流圖

3 風(fēng)速發(fā)電模型及風(fēng)力載荷

3.1 風(fēng)速模型

由于風(fēng)速的易變性和不可控性,幾乎時(shí)刻都有較大的擾動(dòng),因此有必要建立相關(guān)的風(fēng)速模型,從而能夠?qū)︼L(fēng)速的變化進(jìn)行模擬,研究在一定風(fēng)速條件下的性能。

為了比較準(zhǔn)確的描述風(fēng)的隨機(jī)性,可以將風(fēng)速分解為4種分量,即基本風(fēng)、陣風(fēng)、漸變風(fēng)和隨機(jī)風(fēng)[3],用公式表示為:

式中:VWB是基本風(fēng);VWG是陣風(fēng);VWR是斜坡分量;VWN是背景噪聲,單位為m/s。

各種風(fēng)速模型定義如下:

(1)基本風(fēng)

風(fēng)電機(jī)組正常運(yùn)行時(shí),通常處于某一功率水平下,原則上可認(rèn)為有一基本風(fēng)速VWB與之對(duì)應(yīng)?;撅L(fēng)速VWB可由風(fēng)電場(chǎng)測(cè)風(fēng)所得到的Welbull分布參數(shù)近似確定[4],由下式表示

式中:VWB為基本風(fēng)速,m/s;A為Welbull分布的尺度參數(shù);K為Welbull分布的形狀參數(shù);為伽馬函數(shù)。

(2)陣風(fēng)

為了反映風(fēng)速的突然變化特性,可在基本風(fēng)上疊加一陣風(fēng)分量VWG,由下式表示

式中:VWG為陣風(fēng)風(fēng)速,m/s;TG為周期,s;T1G為陣風(fēng)啟動(dòng)時(shí)間,s;(VWG) max為陣風(fēng)最大值,m/s。

(3)漸變風(fēng)

為了反映風(fēng)速的漸變特性,可在基本風(fēng)上疊加一斜坡分量VWR , 由下式表示

式中:VWN為隨機(jī)風(fēng)風(fēng)速,m/s;φi為0~2π之間均勻分布的隨機(jī)變量;KN為地面粗糙系數(shù);F為擾動(dòng)范圍,m2;μ為相對(duì)高度的平均風(fēng)速,m/s;N為頻譜取樣點(diǎn)數(shù);ωi為各個(gè)頻率段的頻率。

3.2 風(fēng)力機(jī)受力模型

設(shè)v為風(fēng)力機(jī)葉片前方處的風(fēng)速,A為風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面積,R為風(fēng)輪半徑,ρ為空氣密度。根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理,風(fēng)力機(jī)獲取的風(fēng)能為:

式中Cp為與氣動(dòng)性能相關(guān)的風(fēng)能利用系數(shù),通常用單位時(shí)間內(nèi)風(fēng)輪所吸收的風(fēng)能與通過風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)面的全部風(fēng)能之比來表示。

根據(jù)式式(5)可以得到葉片吸收風(fēng)能后產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為

式中Ω為風(fēng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度。

風(fēng)輪機(jī)不能把通過其旋轉(zhuǎn)面的風(fēng)功率全部吸收, 以至于風(fēng)輪機(jī)后方的空氣速度不能降為零。通過風(fēng)吹過葉片形成葉片正反面的壓差, 這種壓差會(huì)產(chǎn)生升力, 使風(fēng)輪機(jī)旋轉(zhuǎn)并不斷橫切風(fēng)流[5]。風(fēng)輪機(jī)周圍的沖量如圖4所示, V1,V1,Pm1,Pm2分別是經(jīng)過風(fēng)輪機(jī)前、后的風(fēng)速和壓強(qiáng), P0是大氣壓強(qiáng)。由伯努利定律可得:

圖4 風(fēng)輪機(jī)周圍的沖量

作用在風(fēng)輪機(jī)上的升力 F 如式 (2—10) 所示

4 波浪力

Morison方程假定作用在樁柱上的總波浪力f由兩個(gè)部分組成[6]:① 流過樁柱的流體,由于物體存在而引起流體運(yùn)動(dòng)的加速度或減速所產(chǎn)生的力,稱為慣性力f1;② 當(dāng)流體流過樁柱時(shí)由于粘性作用在柱壁產(chǎn)生的阻力,因?yàn)樗拇笮∨c流速大小有關(guān),稱為速度力fD,也稱為托拽力。

圖5 波浪力計(jì)算簡(jiǎn)圖

慣性力f1數(shù)值上等于這個(gè)體積的水體質(zhì)量乘以它的加速度。由于在流場(chǎng)中,這個(gè)體積的水體中各點(diǎn)的加速度均不同,可以采用沿樁柱軸線上各點(diǎn)的加速度來代表各相應(yīng)深度處樁柱截面內(nèi)各點(diǎn)的加速度。此外,除了被樁柱所占體積的那部分水體外,在樁柱附近還有一部分水體也被加速或減速,因此,真正作用在樁柱上的作用力尚應(yīng)乘以一個(gè)系數(shù)。

式中:Cm稱為質(zhì)量系數(shù)或慣性系數(shù);u為水質(zhì)點(diǎn)的速度; 為z點(diǎn)處水質(zhì)點(diǎn)的加速度。

托拽力fD與質(zhì)點(diǎn)速度的平方和物體與質(zhì)點(diǎn)速度垂直方向的投影面積成正比。由于波動(dòng)流是雙向往復(fù)的,因此速度的平方應(yīng)改為速度向量與速度絕對(duì)值的乘積。

式中:Cd幾為速度力系數(shù),與樁柱形狀及柱壁摩阻力有關(guān)。

作用在單位高度樁柱上總的作用力f為:

5 洋流

研究與試驗(yàn)表明,目前可以相對(duì)高效利用海流發(fā)電的水輪機(jī)有兩種:“螺旋狀”式水輪機(jī)和“中心開敞”式水輪機(jī)。這兩項(xiàng)技術(shù)都可以在水下某一固定區(qū)域放置多臺(tái)水輪機(jī)及與之相連的。這里只介紹

“螺旋狀”式水輪機(jī)工作原理。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪俯視草圖見圖6。

圖6 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪俯視草圖

“螺旋狀”式水輪機(jī)專用于在低水頭、高條件下工作。水輪機(jī)由一個(gè)或多個(gè)長葉片組成,這些葉片就像螺旋線纏繞成一個(gè)圓筒狀。對(duì)于來自任何一個(gè)方向的,螺旋狀水輪機(jī)葉片都產(chǎn)生一個(gè)與葉片前緣垂直的推動(dòng)力。水輪機(jī)的軸帶動(dòng)與之連接的發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生電能。

密歇根大學(xué)流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室曾經(jīng)進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)研究,直徑1016mm、高838.2mm的三螺旋可反轉(zhuǎn)式水輪機(jī),在流速為0.6m/s~2.4m/s時(shí)發(fā)電的效率可達(dá)35%。實(shí)驗(yàn)表明,螺旋式水輪機(jī)開始發(fā)電的流速約為0.6m/s,流速增加,發(fā)電量增加。速為1.5m/s時(shí),水輪機(jī)產(chǎn)生的電力為500W,水流速在2.4m/s時(shí),產(chǎn)生電力達(dá)2000W。

6 海上風(fēng)力機(jī)安全性研究

海上風(fēng)力機(jī)運(yùn)行環(huán)境比較惡劣,高鹽霧、多腐蝕、浪載大,使得風(fēng)電機(jī)組非常容易受到損壞[7]。

6.1 鹽霧帶來的主要危害

(1)鹽霧與空氣中的其他顆粒物在葉片靜電作用下,在葉片表面形成覆蓋層,嚴(yán)重影響葉片氣動(dòng)性能,產(chǎn)生噪聲,影響美觀。

(2)破壞設(shè)備強(qiáng)度,降低風(fēng)力機(jī)組承受的最大載荷,影響設(shè)備運(yùn)行安全性。

6.2 臺(tái)風(fēng)影響

臺(tái)風(fēng)對(duì)我國東南沿海影響廣泛,每年皆受到(1~3)次臺(tái)風(fēng)影響,頻次很高。

(1)臺(tái)風(fēng)風(fēng)力帶來的破壞

面向臺(tái)風(fēng)登陸前進(jìn)方向的桿塔,因受到超過設(shè)計(jì)風(fēng)速的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)襲擊,造成倒桿、折彎,引起線路跳閘;

(2)臺(tái)風(fēng)帶來的強(qiáng)降雨破壞

雨水沖刷線路桿塔基礎(chǔ),引起塔桿傾斜甚至倒塌,嚴(yán)重威脅安全,有時(shí)甚至造成大面積停電,給電網(wǎng)帶來巨大損失。

6.3 安全性設(shè)計(jì)

6.3.1 機(jī)械部件裕度設(shè)計(jì)

所謂裕度設(shè)計(jì),就是針對(duì)重要機(jī)械零部件,設(shè)定較大的安全系數(shù)。風(fēng)力機(jī)在運(yùn)行中受到的載荷是不斷變化的,在一定裕度下,則可以使風(fēng)力機(jī)免受損害。 但裕度過大將會(huì)使風(fēng)力機(jī)成本過高。裕度設(shè)計(jì)主要針對(duì)風(fēng)力機(jī)中比較重要、受載荷較多較復(fù)雜的部件,例如主軸、輪轂、塔筒等。

6.3.2 防松設(shè)計(jì)

(1)對(duì)于承受多變載荷的高強(qiáng)度螺栓,為了提高在多變載荷作用下的螺栓疲勞強(qiáng)度,要求被連接件夾緊厚度至少大于5倍螺栓公稱直徑。

(2)優(yōu)先采用螺栓螺母連接的連接方式,盡量避免采用螺栓和內(nèi)螺紋的連接形式。

(3)緊固螺栓應(yīng)從設(shè)計(jì)上確保不受剪力,可能受剪的重要連接處應(yīng)采用螺栓加銷或鉸制孔螺栓等措施。

(4)受力重要螺栓連接應(yīng)不少于兩道防松,且其中至少有一道是除了彈墊、緊固力矩之外的機(jī)械防松。涂膠、彈墊均不能作為可靠地防松措施而采用。

(5)原則上不允許將緊固件設(shè)計(jì)成從下往上緊固。

6.3.3 防銹

在國內(nèi),解決這一問題的方法一般分兩種:① 使用普通的防銹漆,其性能并不適應(yīng)于侵蝕性強(qiáng)的野外環(huán)境下螺栓的保護(hù),需要經(jīng)常維護(hù),不能從根本上解決防腐蝕問題;② 使用價(jià)格昂貴的不銹鋼螺栓。在國外,大多數(shù)使用高質(zhì)高效的螺栓防護(hù)蓋。

此外,國外海上風(fēng)力機(jī)緊固件防銹的經(jīng)驗(yàn)表明,海上風(fēng)力機(jī)螺栓連接10.9級(jí)與10.9級(jí)以下應(yīng)采用不同的防銹措施,在保證可靠度的同時(shí),還能盡可能的降低成本。

7 結(jié)語

盡管海上發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)成本很高, 但是由于海上風(fēng)電的特殊需求,風(fēng)能工業(yè)將繼續(xù)高速發(fā)展。用IEA標(biāo)準(zhǔn)方法預(yù)測(cè),海上發(fā)電成本是:0.42元/kWh。 考慮到未來能源和環(huán)境保護(hù)等問題,與火電相比,海上風(fēng)電、水流電已經(jīng)具備了一定的競(jìng)爭(zhēng)力。我國海上風(fēng)能儲(chǔ)量豐富,并且是世界上海流能資源密度最高的國家之一,所以海上風(fēng)力、水流發(fā)電將是我國發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新領(lǐng)域,是“方向中的方向”。

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