風(fēng)車式水輪機發(fā)展前景

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

據(jù)專家介紹，當前潮流能的度電成本還不能完全估計，目前海洋能的度電成本大約為2元，但是除去陸電供應(yīng)時鋪設(shè)電纜的高額成本，預(yù)計可將海島居民度電價格控制到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)展情況來看，預(yù)計到2020年，我國將可能具備10MW以上的發(fā)電機，屆時海洋能度電成本將可以降低到2元以下;而到2050年，整個度電成本有望降到1元以下。這不僅讓海洋能的度電成本無限接近于“陸電”的價格，而且將最終促成海洋能產(chǎn)業(yè)化的形成。

我國的潮流能項目起步較晚，其中制約因素是科研和設(shè)計水平，與潮流能裝置相關(guān)的基礎(chǔ)理論、物理模型試驗和工程技術(shù)應(yīng)用等研究也同國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組成本、制造加工、運輸安裝等方面的制約，這都將使我國潮流能水輪機組的研究和制造能力日益落后于國際先進水平，從根本上來說不利于我國潮流能事業(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，潮流能水輪機的工程化應(yīng)用較風(fēng)力發(fā)電成本高、難度大，但是勢在必行。 2100433B

敞水型水平軸槳葉潮流發(fā)電裝置

如圖1是一種潮汐動能發(fā)電機示意圖，與順風(fēng)式風(fēng)力機工作原理相同，也叫槳葉式潮流發(fā)電機。轉(zhuǎn)輪的葉片與風(fēng)力機類似，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度可大大縮小，不過潮汐水流速一般沒有風(fēng)速快。葉輪通過增速齒輪箱與發(fā)電機連接，一同安裝在機艙內(nèi)，機艙安裝在支柱上，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)電機可安裝多個組成潮流發(fā)電站，圖2是六個槳葉式潮流發(fā)電機的水下模擬圖。

槳葉式潮流發(fā)電機在國外已有成功的產(chǎn)品，比較典型的是英國研制的一種槳葉式潮流發(fā)電機，為“SeaGen”，形似倒置的風(fēng)車，由一對渦輪組成，每個渦輪直徑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)電機的圖片。

擴張型渦輪潮流發(fā)電裝置

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

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

導(dǎo)管渦輪式潮流發(fā)電機在國外也有成功的產(chǎn)品，圖5是在加拿大已商業(yè)化應(yīng)用的渦輪發(fā)電機，機組功率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，直驅(qū)發(fā)電機的定子安裝在導(dǎo)管內(nèi)壁，發(fā)電機轉(zhuǎn)子安裝在轉(zhuǎn)輪葉片的外緣。

潮流發(fā)電機一般直接固定在海底，可避免臺風(fēng)的破壞，也可采用漂浮式結(jié)構(gòu)。利用潮流前進的動能來推動水輪機發(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，所以對整個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保證發(fā)電量。

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)動軸的位置關(guān)系，潮流能獲能裝置可以分為水平軸水輪機和垂直軸水輪機。水平軸水輪機轉(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)生推動葉片旋轉(zhuǎn)的力矩，把葉片的旋轉(zhuǎn)動能轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機電能。水平軸水輪機由于其結(jié)構(gòu)特性，運行平穩(wěn)，穩(wěn)定性較好，有較高的效率；垂直軸水輪機轉(zhuǎn)軸與流向垂直，原理與水平軸水輪機相似，可適應(yīng)不同來流方向的水流，自適應(yīng)強。

水輪機按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩類。沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反

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

現(xiàn)代水輪機大多安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。在水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機，推動水輪機轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。

切擊式水輪機，也叫水斗式水輪機或培爾頓式水輪機；按主軸的布置方式分為臥軸和立軸兩種，無論哪種其轉(zhuǎn)輪始終位于大氣中。這種水輪機適用于高水頭、小流量水電站；大型水斗式水輪機應(yīng)用水頭約300—1700米，小型的也可達到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，單機功率可以達到400MW以上 。

其主要結(jié)構(gòu)包括輸水管、噴流機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、折向器和機殼等切擊式水輪機工作射流中心線與轉(zhuǎn)輪節(jié)圓相切，故名切擊式水輪機。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。切擊式水輪機是目前沖擊式水輪機中應(yīng)用最廣泛的一種機型。其應(yīng)用水頭一般為300-2000m，目前最高應(yīng)用水頭已達到1771.3m（澳大利亞的列塞克-克羅依采克水力蓄能電站，水輪機出力P=22.8MW）。

噴流機構(gòu)主要由噴管、噴嘴、噴針（針閥）和噴針移動機構(gòu)組成；其作用是把水流勢能轉(zhuǎn)化為射流動能，并通過移動噴針來調(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，射流動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)機械能；由于承受射流，水頭越高對轉(zhuǎn)輪強度要求也越高。

折向器就是一塊高強度鋼板（和驅(qū)動裝置），機組甩負荷時折向器迅速使射流偏轉(zhuǎn)，避免使機組轉(zhuǎn)速過快。

機殼則主要起支撐水輪機軸承、排水的作用。

值得說明的是水斗水輪機中噴流機構(gòu)和折向器都不只一套，其數(shù)量因型號各異，一般水頭低時選4—6個，水頭高時選2—3個。

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