潮流水轮机发电效率及潮流能资源估算研究

随着全球能源问题日益严峻,人类势必要寻找新的可再生清洁能源。潮流能是指海水水平运动所含有的动能,具有分布广、储量大、可再生、无污染等特点,作为一种新兴的海洋能获取方式,受到人类的广泛重视。潮流水轮机是获取潮流能的关键设备,按结构不同主要分为水平轴和垂直轴两种,垂直轴水轮机虽然直接获能功率不如水平轴水轮机,但随着近年来研究的深入,逐渐体现出它的优势。开发潮流能资源首先要对其储量进行估算,不同水域需要不同的潮流能资源估算方法。选择适当的方法估算潮流能资源,对于资源开发整体规划、潮流能开发装置以及技术的选择都具有重要的指导作用。 本文首先介绍了国外水平轴和垂直轴水轮机的研究和应用现状,然后结合风机系统经典贝茨理论和动量定理等基本原理,分别分析了水平轴和垂直轴水轮机叶片受力状况,建立水轮机水动力性能模型：推导经典叶素—动量理论,并引入叶尖、叶根损失,根据叶片受力和转矩的表达式确定叶片参数与诱导因子a、b的关系,并通过迭代方法来计算诱导因子,从而确定水轮机叶片参数的取值；以无量纲参数的形式给出水轮机各参数的数学表达式,并具体分析了叶尖速比和偏角对水动力性能的影响,然后以单盘面多流管模型(SDMT)为例,以无量纲参数形式给出其动量方程的表达式。 在此基础上,对水轮机发电效率进一步研究,基于已有最大功率跟踪(MPPT)方法,对比分析几种方法优劣,将三步法和爬山搜索法(HCS)优点相结合,采用变步长求导对传统爬山搜索法加以改进,克服了其易震荡收敛慢的缺点,提高其收敛速度,Matlab/Simulink仿真结果表明,在误差允许范围内该方法能够准确地辨识出水轮机参数,确定符合最大潮流能捕获策略的最佳转速值,并且系统响应潮流流速变化快,实现最大潮流能捕获。 本文还对国内外潮流能资源估算方法展开讨论。首先介绍了国内外潮流能资源估算的几种方法,然后对比分析了几种方法的优劣：Farm方法计算思路明确,但是随着水轮机效率的提高和装置不断改进,该方法存在较大不确定性；Flux方法与设备无关,但是SIF因子需要依赖经验取值；Garrett方法克服了常规计算方法的一些弊端,但可靠性仍有待检验；国内郑志南方法公式简单明确,对于中国潮流能资源估算具有一定的实用性,然而由于该公式计算的是正规半日潮往复流的可开发量,应用范围较窄。最后,指出潮流能资源评估应有规范的标准,并展望了未来潮流能资源的调查和评估重点。