風(fēng)車式水輪機(jī)

敞水型水平軸槳葉潮流發(fā)電裝置

如圖1是一種潮汐動(dòng)能發(fā)電機(jī)示意圖，與順風(fēng)式風(fēng)力機(jī)工作原理相同，也叫槳葉式潮流發(fā)電機(jī)。轉(zhuǎn)輪的葉片與風(fēng)力機(jī)類似，由于水的密度約為空氣的800多倍，相同功率下的葉片面積與長(zhǎng)度可大大縮小，不過(guò)潮汐水流速一般沒(méi)有風(fēng)速快。葉輪通過(guò)增速齒輪箱與發(fā)電機(jī)連接，一同安裝在機(jī)艙內(nèi)，機(jī)艙安裝在支柱上，可繞支柱旋轉(zhuǎn)，支柱固定在海底,屬坐底式安裝。水流推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，并保持葉輪面與水流方向垂直。由于葉輪在敞開的水中旋轉(zhuǎn)，屬敞水式結(jié)構(gòu)。

槳葉式潮流發(fā)電機(jī)可安裝多個(gè)組成潮流發(fā)電站，圖2是六個(gè)槳葉式潮流發(fā)電機(jī)的水下模擬圖。

槳葉式潮流發(fā)電機(jī)在國(guó)外已有成功的產(chǎn)品，比較典型的是英國(guó)研制的一種槳葉式潮流發(fā)電機(jī)，為“SeaGen”，形似倒置的風(fēng)車，由一對(duì)渦輪組成，每個(gè)渦輪直徑20米，容量1200千瓦。渦輪安裝在柱樁上，柱樁固定在海底。如圖3是該潮流發(fā)電機(jī)的圖片。

擴(kuò)張型渦輪潮流發(fā)電裝置

把葉輪安裝在水平擴(kuò)張導(dǎo)流管內(nèi)，擴(kuò)張導(dǎo)流管在風(fēng)力機(jī)中稱為擴(kuò)散器，利用導(dǎo)流管對(duì)水流進(jìn)行加速，可明顯提高葉輪的輸出功率。葉輪由多個(gè)葉片組成，這是一種導(dǎo)流管增速渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)，或稱為導(dǎo)流管增速水輪機(jī)，如圖4。

圖4中淺藍(lán)色箭頭線表示水流走向，水流推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，渦輪機(jī)采用雙向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，反方向水流同樣推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，適用于潮流發(fā)電。導(dǎo)流管增速渦輪發(fā)電機(jī)可安裝多個(gè)組成潮流發(fā)電站。

導(dǎo)管渦輪式潮流發(fā)電機(jī)在國(guó)外也有成功的產(chǎn)品，圖5是在加拿大已商業(yè)化應(yīng)用的渦輪發(fā)電機(jī)，機(jī)組功率1000千瓦，重400噸。從圖5中看這是直驅(qū)式導(dǎo)管渦輪發(fā)電機(jī)，直驅(qū)發(fā)電機(jī)的定子安裝在導(dǎo)管內(nèi)壁，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣。

潮流發(fā)電機(jī)一般直接固定在海底，可避免臺(tái)風(fēng)的破壞，也可采用漂浮式結(jié)構(gòu)。利用潮流前進(jìn)的動(dòng)能來(lái)推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電不用建堤壩與相關(guān)設(shè)施，投資少，不影響生態(tài)環(huán)境，但渦輪的面積比起潮流的截面是很微小的，所以對(duì)整個(gè)潮汐能的利用率非常低，要求潮汐要形成足夠的水流速度來(lái)保證發(fā)電量。

潮流能作為一種儲(chǔ)量豐富、無(wú)污染、低能耗的新能源已被我國(guó)列為戰(zhàn)略性新能源。

據(jù)專家介紹，當(dāng)前潮流能的度電成本還不能完全估計(jì)，目前海洋能的度電成本大約為2元，但是除去陸電供應(yīng)時(shí)鋪設(shè)電纜的高額成本，預(yù)計(jì)可將海島居民度電價(jià)格控制到1元左右。根據(jù)目前海洋能發(fā)電裝置的規(guī)模應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看，預(yù)計(jì)到2020年，我國(guó)將可能具備10MW以上的發(fā)電機(jī)，屆時(shí)海洋能度電成本將可以降低到2元以下;而到2050年，整個(gè)度電成本有望降到1元以下。這不僅讓海洋能的度電成本無(wú)限接近于“陸電”的價(jià)格，而且將最終促成海洋能產(chǎn)業(yè)化的形成。

我國(guó)的潮流能項(xiàng)目起步較晚，其中制約因素是科研和設(shè)計(jì)水平，與潮流能裝置相關(guān)的基礎(chǔ)理論、物理模型試驗(yàn)和工程技術(shù)應(yīng)用等研究也同國(guó)外存在著較大的差距，在工程應(yīng)用等領(lǐng)域的研究甚至是空白。這些差距受到水輪機(jī)組成本、制造加工、運(yùn)輸安裝等方面的制約，這都將使我國(guó)潮流能水輪機(jī)組的研究和制造能力日益落后于國(guó)際先進(jìn)水平，從根本上來(lái)說(shuō)不利于我國(guó)潮流能事業(yè)的發(fā)展。風(fēng)力發(fā)電的今天就是潮流能發(fā)電的明天，潮流能水輪機(jī)的工程化應(yīng)用較風(fēng)力發(fā)電成本高、難度大，但是勢(shì)在必行。 2100433B

潮流能發(fā)電裝置主要分為兩種形式，根據(jù)潮流流向與裝置轉(zhuǎn)動(dòng)軸的位置關(guān)系，潮流能獲能裝置可以分為水平軸水輪機(jī)和垂直軸水輪機(jī)。水平軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸與流向平行，最早在風(fēng)車中使用，利用葉片截面翼型的升力效應(yīng)，產(chǎn)生推動(dòng)葉片旋轉(zhuǎn)的力矩，把葉片的旋轉(zhuǎn)動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)電能。水平軸水輪機(jī)由于其結(jié)構(gòu)特性，運(yùn)行平穩(wěn)，穩(wěn)定性較好，有較高的效率；垂直軸水輪機(jī)轉(zhuǎn)軸與流向垂直，原理與水平軸水輪機(jī)相似，可適應(yīng)不同來(lái)流方向的水流，自適應(yīng)強(qiáng)。

水輪機(jī)按工作原理可分為沖擊式水輪機(jī)和反擊式水輪機(jī)兩類。沖擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中水流的壓力不變，主要是動(dòng)能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反

作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過(guò)程中水流的壓力能和動(dòng)能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。

現(xiàn)代水輪機(jī)大多安裝在水電站內(nèi)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在水電站中，上游水庫(kù)中的水經(jīng)引水管引向水輪機(jī)，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。作完功的水則通過(guò)尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機(jī)的輸出功率也就越大。

切擊式水輪機(jī)，也叫水斗式水輪機(jī)或培爾頓式水輪機(jī)；按主軸的布置方式分為臥軸和立軸兩種，無(wú)論哪種其轉(zhuǎn)輪始終位于大氣中。這種水輪機(jī)適用于高水頭、小流量水電站；大型水斗式水輪機(jī)應(yīng)用水頭約300—1700米，小型的也可達(dá)到40—250米；目前世界上水頭高于1000米的電站均采用水斗式水輪機(jī)，單機(jī)功率可以達(dá)到400MW以上 。

其主要結(jié)構(gòu)包括輸水管、噴流機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、折向器和機(jī)殼等切擊式水輪機(jī)工作射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，故名切擊式水輪機(jī)。其轉(zhuǎn)輪葉片均由一系列呈雙碗狀水斗組成，故又稱水斗式水輪機(jī)。切擊式水輪機(jī)是目前沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型。其應(yīng)用水頭一般為300-2000m，目前最高應(yīng)用水頭已達(dá)到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機(jī)出力P=22.8MW）。

噴流機(jī)構(gòu)主要由噴管、噴嘴、噴針（針閥）和噴針移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成；其作用是把水流勢(shì)能轉(zhuǎn)化為射流動(dòng)能，并通過(guò)移動(dòng)噴針來(lái)調(diào)節(jié)流量。

轉(zhuǎn)輪由圓盤和固定在它上面的水斗組成，射流沖向水斗，水斗與射流相互作用，射流動(dòng)能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)機(jī)械能；由于承受射流，水頭越高對(duì)轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度要求也越高。

折向器就是一塊高強(qiáng)度鋼板（和驅(qū)動(dòng)裝置），機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)折向器迅速使射流偏轉(zhuǎn)，避免使機(jī)組轉(zhuǎn)速過(guò)快。

機(jī)殼則主要起支撐水輪機(jī)軸承、排水的作用。

值得說(shuō)明的是水斗水輪機(jī)中噴流機(jī)構(gòu)和折向器都不只一套，其數(shù)量因型號(hào)各異，一般水頭低時(shí)選4—6個(gè)，水頭高時(shí)選2—3個(gè)。

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