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振蕩水柱波能發電裝置沖擊式透平 版權信息
- ISBN：9787030689450
- 條形碼：9787030689450 ; 978-7-03-068945-0
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
振蕩水柱波能發電裝置沖擊式透平 內容簡介
振蕩水柱技術與自整流沖擊式透平是波浪能乃至整個海洋可再生能源領域的前沿研究熱點，國內起步較晚，但追趕速度很快。本書系統梳理和總結了作者十數年來在振蕩水柱波能發電技術與沖擊式透平領域的研究成果與工程實踐，簡述了該領域的發展歷程與趨勢，深入探討了沖擊式透平的基礎科學問題。全書共六章，概述了波浪能、振蕩水柱技術及自整流空氣透平，詳細介紹了沖擊式透平定常與非定常試驗與數值模擬的研究方法與成果、全過程全瞬態模擬方法的構建及其在實海況工程實例中的應用。 本書可供海洋可再生能源、海洋工程、流體機械等學科或專業的高年級本科生與研究生閱讀，也可供海洋能特別是波浪能領域的研究人員、工程技術人員及管理人員參考。
振蕩水柱波能發電裝置沖擊式透平 目錄
目錄
前言
第1章 波浪能的開發與利用 1
1.1 海洋可再生能源 1
1.1.1 潮汐能 2
1.1.2 海流能 3
1.1.3 海洋溫差能 4
1.1.4 鹽差能 6
1.1.5 波浪能 6
1.2 波浪能資源 7
1.3 裝置的技術經濟開發與評價 11
1.4 工作原理與典型裝置 16
1.4.1 波浪能裝置開發簡史 16
1.4.2 裝置工作原理與分類 18
1.4.3 典型裝置 20
1.5 PTO 設備 27
參考文獻 28
第2章 OWC 裝置與空氣透平 30
2.1 OWC 裝置工作原理 30
2.1.1 OWC 裝置能量轉換過程 30
2.1.2 OWC 裝置工作原理的理論分析 32
2.2 OWC 裝置的工程應用 35
2.2.1 OWC 裝置開發簡史 35
2.2.2 離岸式裝置 37
2.2.3 近岸式裝置 39
2.2.4 靠岸式裝置 42
2.2.5 防波堤耦合式裝置 44
2.2.6 小結 46
2.3 OWC 裝置空氣透平 46
2.3.1 OWC 空氣透平開發歷程與種類 46
2.3.2 威爾斯式透平 48
2.3.3 沖擊式透平 51
2.3.4 其他透平系統 56
2.4 OWC 空氣透平能量轉換機理 59
2.4.1 OWC 空氣透平的工作原理 59
2.4.2 OWC 空氣透平流體動力學原理 60
2.4.3 OWC 空氣透平工作性能評價參數 64
2.5 總結 69
參考文獻 70
第3章 沖擊式透平的試驗研究 76
3.1 OWC 空氣透平的研究方法 76
3.2 OWC 空氣透平性能測試設備綜述 77
3.3 試驗透平與風洞 81
3.3.1 沖擊式透平模型 81
3.3.2 定常風洞與往復流風洞 83
3.4 定常與往復氣流試驗流程 91
3.4.1 定常氣流試驗 91
3.4.2 往復氣流試驗 95
3.5 沖擊式透平工作性能的試驗評價 98
3.5.1 定常氣流試驗 98
3.5.2 往復氣流試驗 106
3.6 總結 115
參考文獻 115
第4章 沖擊式透平的定常數值模擬研究 119
4.1 概述 119
4.2 沖擊式透平定常數值模型 120
4.2.1 計算流體力學基本概念 120
4.2.2 透平定常模型構建 126
4.2.3 透平定常模型驗證 129
4.3 不同參量對沖擊式透平定常性能的影響 130
4.3.1 葉片數目 (稠度) 的影響 131
4.3.2 動葉片安裝角的影響 134
4.3.3 動葉片葉端結構的影響 140
4.3.4 徑間比的影響 143
4.3.5 外徑間隙比的影響 147
4.3.6 動葉片入口角的影響 150
4.3.7 輪轂比的影響 152
4.4 總結 156
參考文獻 157
第5章 沖擊式透平的非定常數值模擬研究 160
5.1 概述 160
5.2 沖擊式透平非定常數值模型 164
5.2.1 透平非定常數值模型構建 164
5.2.2 透平非定常數值模型驗證 167
5.3 透平非定常性能數值研究結果 170
5.3.1 定常氣流條件下的透平非定常性能 170
5.3.2 正弦氣流條件下的透平非定常性能 179
5.3.3 不規則氣流條件下的透平非定常性能 196
5.4 總結 202
參考文獻 203
第6章 沖擊式透平的全過程模擬研究 205
6.1 概述 205
6.2 典型 OWC 裝置全過程物理模型試驗 208
6.2.1 全過程物理模型試驗設計 208
6.2.2 典型 OWC 裝置的全過程能量轉換性能 212
6.2.3 小結 223
6.3 典型 OWC 裝置全過程數值模擬研究 224
6.3.1 全瞬態模型的構建 224
6.3.2 全瞬態模型的試驗驗證 226
6.3.3 實海況條件下原型 OWC 電站的全過程模擬研究 235
6.4 總結 243
參考文獻 244
附錄 A 符號定義 246
附錄 B 縮寫定義 253
前言
第1章 波浪能的開發與利用 1
1.1 海洋可再生能源 1
1.1.1 潮汐能 2
1.1.2 海流能 3
1.1.3 海洋溫差能 4
1.1.4 鹽差能 6
1.1.5 波浪能 6
1.2 波浪能資源 7
1.3 裝置的技術經濟開發與評價 11
1.4 工作原理與典型裝置 16
1.4.1 波浪能裝置開發簡史 16
1.4.2 裝置工作原理與分類 18
1.4.3 典型裝置 20
1.5 PTO 設備 27
參考文獻 28
第2章 OWC 裝置與空氣透平 30
2.1 OWC 裝置工作原理 30
2.1.1 OWC 裝置能量轉換過程 30
2.1.2 OWC 裝置工作原理的理論分析 32
2.2 OWC 裝置的工程應用 35
2.2.1 OWC 裝置開發簡史 35
2.2.2 離岸式裝置 37
2.2.3 近岸式裝置 39
2.2.4 靠岸式裝置 42
2.2.5 防波堤耦合式裝置 44
2.2.6 小結 46
2.3 OWC 裝置空氣透平 46
2.3.1 OWC 空氣透平開發歷程與種類 46
2.3.2 威爾斯式透平 48
2.3.3 沖擊式透平 51
2.3.4 其他透平系統 56
2.4 OWC 空氣透平能量轉換機理 59
2.4.1 OWC 空氣透平的工作原理 59
2.4.2 OWC 空氣透平流體動力學原理 60
2.4.3 OWC 空氣透平工作性能評價參數 64
2.5 總結 69
參考文獻 70
第3章 沖擊式透平的試驗研究 76
3.1 OWC 空氣透平的研究方法 76
3.2 OWC 空氣透平性能測試設備綜述 77
3.3 試驗透平與風洞 81
3.3.1 沖擊式透平模型 81
3.3.2 定常風洞與往復流風洞 83
3.4 定常與往復氣流試驗流程 91
3.4.1 定常氣流試驗 91
3.4.2 往復氣流試驗 95
3.5 沖擊式透平工作性能的試驗評價 98
3.5.1 定常氣流試驗 98
3.5.2 往復氣流試驗 106
3.6 總結 115
參考文獻 115
第4章 沖擊式透平的定常數值模擬研究 119
4.1 概述 119
4.2 沖擊式透平定常數值模型 120
4.2.1 計算流體力學基本概念 120
4.2.2 透平定常模型構建 126
4.2.3 透平定常模型驗證 129
4.3 不同參量對沖擊式透平定常性能的影響 130
4.3.1 葉片數目 (稠度) 的影響 131
4.3.2 動葉片安裝角的影響 134
4.3.3 動葉片葉端結構的影響 140
4.3.4 徑間比的影響 143
4.3.5 外徑間隙比的影響 147
4.3.6 動葉片入口角的影響 150
4.3.7 輪轂比的影響 152
4.4 總結 156
參考文獻 157
第5章 沖擊式透平的非定常數值模擬研究 160
5.1 概述 160
5.2 沖擊式透平非定常數值模型 164
5.2.1 透平非定常數值模型構建 164
5.2.2 透平非定常數值模型驗證 167
5.3 透平非定常性能數值研究結果 170
5.3.1 定常氣流條件下的透平非定常性能 170
5.3.2 正弦氣流條件下的透平非定常性能 179
5.3.3 不規則氣流條件下的透平非定常性能 196
5.4 總結 202
參考文獻 203
第6章 沖擊式透平的全過程模擬研究 205
6.1 概述 205
6.2 典型 OWC 裝置全過程物理模型試驗 208
6.2.1 全過程物理模型試驗設計 208
6.2.2 典型 OWC 裝置的全過程能量轉換性能 212
6.2.3 小結 223
6.3 典型 OWC 裝置全過程數值模擬研究 224
6.3.1 全瞬態模型的構建 224
6.3.2 全瞬態模型的試驗驗證 226
6.3.3 實海況條件下原型 OWC 電站的全過程模擬研究 235
6.4 總結 243
參考文獻 244
附錄 A 符號定義 246
附錄 B 縮寫定義 253
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振蕩水柱波能發電裝置沖擊式透平 節選
第1章 波浪能的開發與利用 1.1 海洋可再生能源 海洋占據地球表面近 71％的表面積，承載了地球上 97％的水量，而真正被詳細測繪過的海洋面積還不到 20％ 。人類從未停止過對海洋的探索，21 世紀甚至被稱為海洋的世紀。面臨人口數量繼續膨脹、陸上資源持續枯竭、生存條件逐漸惡化等問題，我們不得不將發展的希望寄托于尚未得到充分開發的海洋。據估計，22 世紀初的人口數量將達到 100 億。人類生存的基礎要素，包括空間、食物及能源均要面臨巨大的供需挑戰。未來我們可以依靠海洋解決空間、食物甚至是能源的巨大需求。 可再生能源將在未來能源供給體系中扮演重要角色，在減少傳統能源消耗對氣候變化影響過程中也將發揮關鍵作用。未來陸上可再生能源的開發將越來越受到環境、經濟甚至是社會因素的掣肘，而海洋可再生能源 (簡稱海洋能) 的開發利用受到的影響則相對較小。聯合國政府間氣候變化專門委員會 (Intergovern- mental Panel on Climate Change， 簡稱 IPCC) 與國際能源署 (International Energy Agency，簡稱 IEA) 的報告都認為海洋能將在未來扮演重要角色。據估算，海洋能可提供的電力遠超目前全世界電力消耗水平的數倍。 海洋能完全綠色環保，無溫室氣體排放、分布廣泛、儲量豐富。海洋能開發方興未艾，不僅可提供綠色、可持續的電力，還將在未來形成一個全新的可再生能源產業與商業增長點，培育巨大的市場與上下游產業鏈，帶動多個行業進入新的發展空間，創造更多的就業崗位，還將拉動促進更多的相關學科融合發展，并可能取得意外的新突破。 廣義上講，所有與海洋相關的可再生能源均可被稱為海洋能。例如，海上風能、海上太陽能、海上生物質能等，但本質上承載上述可再生能源的介質并非海水本身。按照 IEA 海洋能系統 (Ocean Energy System，簡稱 OES) 委員會給出的定義，狹義上講，海洋能是指依附于海水本身，并通過海洋中的各種物理過程吸收、傳遞與發散的可再生能源。據此，海洋能主要包括：潮汐能、海流能、海洋溫差能、鹽差能與波浪能。 下面將對上述各類海洋能及其開發利用現狀進行簡要介紹。 1.1.1 潮汐能 潮汐能是在海水水面晝夜間的漲落中蘊含的能量。為了區別于潮流能，此處僅考慮潮漲與潮落引起的水體勢能。因此，潮汐能開發的主要形式與水力發電類似。潮汐能的能量與潮量及潮差成正比，或者說，與潮差的平方及蓄水水庫的面積成正比。化石能源、傳統水能發電、風能、太陽能、生物質能以及波浪能，其能量本質上均來自太陽，而多數地區的潮汐能來自地月系統間的引潮力。與傳統水力發電相比，潮汐能發電受制于潮差的范圍，潮汐能利用相當于低水頭發電。另一方面，潮汐的可預測性甚至強于風能與太陽能，這為潮汐發電的設計與控制提供了良好的基礎。 潮汐能是人類*早利用海洋能的形式。潮汐磨坊 (Tide Mill) 利用近岸地形建設小型蓄水池，漲潮時水體通過閘門進入水池。落潮時閘門關閉，經過一段時間后，閘門內外形成水頭差，打開水車處的閘門，水體即可驅動水車旋轉，并通過簡單機構轉換，實現機械碾米或磨面。潮汐磨坊的歷史可追溯至歐洲的中世紀，甚至是羅馬時代，F存較有代表性的潮汐磨坊位于英國東南部漢普郡 (Hampshire)的拓頓與伊靈鎮 (Totton & Eling)，該磨坊也是伊靈當地著名的景點之一。 潮汐能發電目前仍是現代海洋能利用中技術*成熟、開發規模*大的發電形式。據估計，潮汐能的全球總儲量約為 1 TW。雖然也有人提出潮汐瀉湖、動態潮汐能等概念，但目前主流的應用技術型式仍是潮汐堰壩：在近岸海灣或河口位置的有利地形處，修筑堤壩形成大面積的攔蓄水庫，利用潮汐漲落形成的內外水頭差進行發電。根據建設模式與發電設計流向不同，潮汐能電站可分為單庫單向型、單庫雙向型及雙庫單向型等。受限于水頭差 (一般在 10 m 以下)，并考慮水庫容積，為提高發電效率，潮汐能電站的水輪機必須適應 “低水頭、大流量” 的特點，因此可采用燈泡貫流式水輪機等。 世界上建設*早、長期保持裝機容量世界**位，也是*著名的潮汐能電站，即為法國的朗斯電站 (Rance Tidal Power Station)，朗斯當地擁有眾多的潮汐磨坊，而該電站的策劃始于 20 世紀 20 年代。相關的可行性研究及設計工作在第二次世界大戰期間已基本完成，但正式建設始于 1963 年，并于 1966 年完工。電站位于法國圣馬洛灣的朗斯河口，*大潮差 13.4 m，平均潮差約 8.0 m，運行模式基本為單庫單向型。大壩長度約為 750 m，橫跨于河口之上，大壩上部為通行道路，下部建設有船閘、泄水閘及發電機房等。電站裝配有 24 臺 10MW 的燈泡式水輪機，年發電量約為 500GW h，約為法國電力年需求量的 0.12％，該電站目前仍在正常運行之中。 超越朗斯電站，目前保持裝機容量世界**的是韓國始華湖潮汐能電站 (Sihwa Lake Tidal Power Station)，裝機容量達 254MW，水輪機數量為 10 臺，潮差約為 7.5 m，運行模式為單庫單向型。早年間，韓國政府在安山市為了興建淡水湖建設了一條 12.7 km 長的水壩，但由于湖中的水體受到污染，無法用于農業灌溉。為了凈化水體，2004 年開始海水被重新引入，以期改善水體質量。基于上述潮汐堰壩的設計，潮汐能電站也同時被列入計劃，并*終于 2011 年建成了目前世界上*大的潮汐能電站。 世界上其他正在規劃研究的潮汐能電站項目選址還包括加拿大的芬迪灣、英國的塞文河口、美國的庫克灣及韓國的加露林灣與仁川港灣。 我國的潮汐能資源主要集中在東海海域的浙江省、福建省及江蘇省，尤以浙江、福建兩省的海灣*為富集。據統計，我國潮汐能的技術可開發量約為 230 GW[1]。我國自 20 世紀 50 年代末至 80 年代初，建設了超過 40 座小型潮汐電站。由于選址不當、淤積嚴重等問題，多數電站已停運或廢棄。目前仍在運行的代表性電站是位于浙江溫嶺的江廈潮汐能試驗電站，運行模式為單庫雙向型，自 1980 年開始并網發電，裝機容量為 3.2 MW，處于世界第三位。在國家 “863” 計劃及國家海洋局海洋能專項資金的支持下，該電站對燈泡貫流式水輪機組進行了改造，其裝機容量仍有提升的空間。我國規劃的潮汐電站選址還包括浙江健跳港、山東乳山口、福建八尺門、福建馬鑾灣及浙江甌飛電站等。 整體看，雖然潮汐能電站技術日趨成熟，但除了由于其他目的配套建設的始 華湖電站外，全世界范圍內近四十年未有大型潮汐能電站建成發電。這是因為堰壩模式投資巨大，但裝機容量與相同投資成本下的火電站完全不可同日而語。此外，堰壩建設對于當地海域自然環境動力要素、泥沙沖淤的影響仍無法完全正確評估，這從英國對塞文河口建設潮汐能電站的長期論證評估也可見一斑。對于中國沿海而言，海岸線異常珍貴，若無法形成綜合開發模式并大幅提高單位長度岸線的收益率，在近岸海域，與常規化石能源、甚至其他可再生能源發電項目相比，潮汐能電站將不具備任何的競爭力。 1.1.2 海流能 海流能是指海水流動的動能。海流能的原始驅動力來自太陽，由于太陽能在海洋中各區域的分布不均勻形成溫差，并由此形成了海水的流動。此外，風、海底地形、潮汐、陸源輸入、鹽度差異、地轉偏向力等都可能影響海流。海洋能中的海流主要是指狹長式海底水道與海峽中較為穩定的海水流動，以及潮汐導致的有規律的海水流動。海流能量與流速的立方成正比。海流能的能流變化較為平穩且規律。潮汐導致的海流一般會按照每天兩次改變大小與方向。近岸海域的海流能大多來自潮汐變化，因此海流能也多被稱為潮流能。 海流能的優點是能流穩定且可預測，一般不占用陸地面積，不影響海上景觀。海流能開發始于 20 世紀 70 年代**次石油危機之后，近年來在歐洲、日本及中國發展迅速。全球的海流能總功率約為 5000 GW，但大部分難以利用。由于工作原理與風力發電相似，從原理上講，任何一臺風力發電裝置經過改造均可以成為海流能發電裝置。 海流能裝置大體可分為三類：水平軸式水輪機、垂直軸式水輪機及振蕩水翼裝置。水平軸式水輪機旋轉軸與海流平行，一般采用兩個或三個葉片，特點是發電效率高，但需要通過變槳距等技術手段對正來流，目前已成為大型海流能裝置的主要選擇；垂直軸式水輪機旋轉軸垂直于海流，葉片一般為三個，葉片型式主要有直長形及螺旋形，其優點是水輪機旋轉不受來流方向的影響，但工作效率相對較低，轉軸固定端的切向作用力較大，因此多見于小型裝置設計；振蕩水翼裝置通過不同控制策略實現直長形水翼在來流作用下的反復振蕩，并由此完成能量攝取，控制策略針對兩自由度運動分為主動型、半主動型及全被動型，該類裝置發電效率與水輪機相當，對水深要求較小，擴展功率可通過簡單加長水平葉片長度實現，但機械系統相對更復雜，工程樣機開發進度落后于水輪機型裝置。 由于目前仍缺乏水輪機長期實海況運行的數據，因此海流能開發過程中的環境影響仍未可知。海流能裝置系泊安裝可采用重力座底支撐、浮式系泊或者上述兩者相結合的形式。 除了潮汐能電站，水平軸式水輪機是現今*接近商業化的海洋能利用形式。 目前，歐美國家的水平軸式水輪機單機開發工作日趨成熟，裝置在坐底支撐、葉片設計加工、傳動系設計與制造、變槳距控制等方面均取得了長足的進步。下一步開發的重點是潮流能水輪機陣列場及其與環境動力場的相互作用，包括裝置陣列的尾流干擾與陣列拓撲設計等。 我國潮流能資源的技術可開發量約為 1660 MW，且集中于近海的主要水道之中，尤以浙江省沿岸海域資源*為豐富 [1]。我國的潮流能技術開發始于 20 世紀七八十年代，九十年代之后取得了快速發展。早期的潮流能水輪機開發主要由大學承擔完成，包括哈爾濱工程大學、浙江大學、中國海洋大學及東北師范大學等，裝置的技術水平可媲美歐美發達國家，但在工程化、實用化及商業化等方面距離先進國家水平仍有較大差距。在國家海洋局海洋可再生能源專項資金的支持下，越來越多的大型企業也參與到了潮流能裝置的開發之中，相信也將推動相關產業的快速發展。 1.1.3 海洋溫差能 海洋溫差能轉換 (Ocean Thermal Energy Conversion，簡稱 OTEC) 系統是指利用海洋表層海水和深層海水之間的溫差進行熱能轉換的系統。海洋表面將太陽輻射能的大部分轉化為熱水并儲存在海洋的上層。另外，接近冰點的海水在不到 1000 m 的深度大面積地從極地緩慢地流向赤道。這樣，許多熱帶或亞熱帶海域終年存在 20 ℃ 以上的垂直海水溫差。利用這一溫差可實現熱力循環并發電。除發電之外，利用海洋溫差能系統還可以同時制淡、制氫，提取的深層海水富含營養物質及深海礦藏，因此還可用于水產養殖、冷土農業及揚礦系統。據估算，全球海洋溫差能儲量的數量級達到了 10 TW。 根據服役位置不同，海洋溫差能電站可采用岸基式或離岸式設計。其中，岸基式電站需將深層海水通過傳輸管道運送至岸邊，易使冷水升溫而導致發電效率下降，因此此類電站宜建設在水深隨離岸距離快速增加 (陡坡) 的海域，便于以更小的傳輸管道長度達到 1000 m 量級的深度。離岸式電站則建設于浮式平臺之上，所有作業均在平臺上完成，電力由海底電纜傳輸至岸上，或者制氫后運輸回岸邊。該類電站的特點是可任意選取作業位置，發電效率高，發電成本低，但電纜與平臺作業系統也將導致投資費用較高。上述兩類服役位置的折中方案為大陸架式電站，整個系統位于淺水大陸架邊緣，水深在離開大陸架后將迅速變大。 根據工作原理不同，海洋溫差能發電系統可分為閉式循環系統、開式循環系統及混合循環系統。在閉式循環系統中，首先抽取溫度較高的海洋表層水，將
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