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流水发电技术的发展现状及趋势

时间:2020-03-17来源:未知 作者:admin点击:
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  流水发电技术的发展现状及趋势_能源/化工_工程科技_专业资料。流水发电技术的发展现状及趋势 摘要: 介绍了流水发电的基本原理和关键技术,对国内外流水发电的研究进 展进行了评述, 分析了今后流水发电技术的发展趋势。流水发电作为一种最新的 可再生新能源利用技术,具有

  流水发电技术的发展现状及趋势 摘要: 介绍了流水发电的基本原理和关键技术,对国内外流水发电的研究进 展进行了评述, 分析了今后流水发电技术的发展趋势。流水发电作为一种最新的 可再生新能源利用技术,具有很好的发展前景。 关键词:流水发电;可再生能源;水轮机 引言 社会发展对能源的需求和环境的保护,是一项长期甚至永久的课题。本世纪 以来, 人类对常规能源的消费增加了十倍以上,同时矿物能源在燃烧过程中释放 了大量烟尘、二氧化硫和其它有害物质,造成大气和环境的严重污染。因此,如 何开发和利用清洁环保的可再生资源,将具有十分重要的意义。在众多的可再生 能源中开发利用最早的是水能, 但传统的各类水电站,几乎都需要建立各种大小 水坝,利用水头以形成势能来推动水轮机旋转而发电,更是相对耗能的设备,据 统计其耗能约占全国能源消耗总量的 23%[1]。长江支流的上游水能资源丰富, 拥有中国水电能够利用的大量水利资源,从长远发展情况来看,中国水电开发的 未来主要集中在长江上游以及西南地区河流 [2]。水流动能是广泛存在于河流和 海洋中的可再生清洁能源。 流水发电是一种新型的水流动能利用技术,直接利用 昼夜流淌的水流冲击水轮机, 将水流动能转换为机械能,再通过能量的二次转换 形成电能,可解决沿江一带居民家庭、无动力小船以及航标灯等的用电 [3]。流 水发电于 1989 年提出[4]在经历了从原理性研究到试验性阶段,如今已经成为一 种切实可行的新能源技术, 取得了良好的经济效益和环保效益,有很好的发展前 景。本文将介绍流水发电技术的基本知识和世界流水发电的发展情况。 1 流水发电技术的基本原理和关键技术 水流动能是一种广泛存在于河流和海洋中的水的能量储存形式, 源于河流的 上下游落差或是太阳和月球的引力,与波浪能、潮汐能、太阳能和风能一样,属 于一种可开发利用的清洁自然能源。将水流动能转变为电能,就需要在河流和海 上建立流水发电站。流水发电站不需像传统水电站那样建坝,也不影响航运。流 水发电技术适应低流速,能以低速启动并且输出大扭矩,具有运行稳定、可靠、 高效的特点,是集船舶与海洋、机械加工、自动控制与电力等工程领域的先进技 术于一体的高新科技产品,是当前有待重点研究和开发的新能源技术之一[5]。 传统的用于水库的水力发电机组,水轮机是通过压力差推动叶片转动的。与 传统水轮机不同,流水发电水轮机的基本原理是:利用河流、海洋中相对固定流 向的水流的冲击力冲击叶轮, 使流水发电装置的叶轮旋转, 从而驱动发电机发电。 能量变换装置多采用将水流动能变换为旋转能的方式。 流水发电机组是一种低水 头的水轮机,其输出电能的大小取决于流水速度的快慢。 目前流水发电水轮机分为水平轴和垂直轴两类。水平轴水轮机(也称轴流式 水轮机)的旋转轴方向与水流方向平行,其发电功率大小受水流方向影响较大, 一般需要安装尾翼才能充分利用流水携带的能量提高发电输出功率,叶片的个 数、 间距的变化也会影响水轮机的性能。垂直轴水轮机的旋转轴方向与水流方向 垂直, 根据旋转轴与水平面所成的夹角不同又可分为横轴和竖轴两种:横轴水轮 机的旋转轴与水平面平行, 叶片获得的能量大小与来流方向有关,因此也要有偏 航调节系统;竖轴水轮机的旋转轴与水平面垂直,叶片获得的能量大小不受水流 方向的影响不需要偏航调节系统,而且旋转轴还可以直接将扭矩输出,因此应用 得更多。与传统水轮机组相比, 流水发电水轮机的效率很低,为了提高机组效率通常 带有一种辅助结构导流罩, 导流罩不仅可以增加水流动能能量转换和水轮机输出 功率,还可以减少水生生物对设备的影响。导流罩的原理与扩散器相似,就是利 用壁面型线对流场的干扰, 增大流体入口和出口的压强差,让更多的流水进入罩 内, 提高罩内的流水流速。 将水轮机置于导流罩内部, 就相当于增大了来流速度, 从而提高水轮机功率,增大输出电能。阿根廷的 ISEP 小组最早提出在垂直轴水 轮机加装导流罩方法, 此方法使转子附近水域的流速增大,在相同输出功率的情 况下,转轴的尺寸变小,从而使传动装置的尺寸减小,进而降低成本。 流水发电机组的发电机可以是同步发电机也可以是异步发电机, 其中同步发 电需要恒定的和较高的转速, 但是流水发电水轮机输出一般转速较低,所以必须 增设变速装置, 导致传动能量的损耗降低了机组的发电效率。异步发电机对转速 的要求较低,可以用水轮机直接驱动,不仅可以减少传动损失提高发电效率,还 可以简化机组的结构,因此更适应流水发电低速旋转的特点。 由于水能的密度远远大于风能, 所以流水发电机组的固定装置将承受更大载 荷力矩才能保证整个系统的稳定,因此对固定方式有相当的要求。目前固定方式 采用较多的有漂浮式、 系泊式、 基桩式和重力式等, 每种固定方式各有自优缺点, 必须根据项目的环境选择。 漂浮式的机组采用船体承载,比较适合容量较小的机 组固定,比较灵活;系泊式采用绳索把机组固定在海底,操作方便但不够安全;基 桩式固定需要打桩,占地面积小,但是强度不大,不适应环境恶劣的区域;重力 式有很好的强度,适合较恶劣的环境,但是占地面积大。2002 年建成了由哈尔 滨工程大学研发的 70kW 漂浮式潮流电站“万向 I”是我国第一座漂浮式潮流电站, 总体技术水平达到了世界先进水平。在总体设计中,系泊系统的设计分析是潮流 电站开发的重点和难点之一。 流水发电系统在水下运行, 因此在实际运行时还会遇到很多风力发电不会有 的问题。 例如转速较快时机组会产生严重的空蚀现象, 影响水轮机叶片使用寿命。 震动使水轮机产生疲劳破坏, 影响机械整体结构的稳定性。密封问题一直是水力 机械方面的关键技术难点,在流水发电技术中尤为重要。另外,置于水中的流水 发电系统在防腐除噪、 减少水生微生物的生态破坏和周围环境污染等方面还遇到 很多困难,需要进一步加以解决。 最初的流水发电技术都借鉴风力发电和船舶螺旋桨等技术, 水轮机动力特性 的预测、 流水发电的设计和机械结构的优化,也大多在这个基

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