基础信息

　　牵头参赛单位：广东海洋大学

　　证照号码：1244000045625261X8

　　其他参赛单位：广东海洋大学深圳研究院

　　证照号码：12440300MB2C14781U

　　单位类型：高校

　　项目规模：初创型

　　参赛团队负责人：凌长明

　　参赛项目技术介绍

　　核心技术介绍：研究团队提出了一个流体既能正面冲击叶片做功，又不存在下半周正面阻力的全新的方法，全新的技术，同时也是一套全新的海上发电装备。经多次试验证明本项目技术能达到发电效率比现有技术提高了30%以上的显著效果。具体介绍如下：

　　能源的利用包括能量的收集、转换和传递三个环节。目前旋转叶轮的综合效率最高。但目前国内外海流能发电技术通常将叶轮发电机全部置于海水中，利用海水的流动冲击叶轮叶片旋转，进而带动与涡轮机轴连接的发电机旋转发电。叶轮旋转轴布置方向与水流方向同向。当涡轮深入海水时，因叶片是环形安装并做周向运动，若叶轮旋转轴布置方向与水流方向同向放置，当流体沿垂直于涡轮轴方向冲击叶片使其在水下旋转一周的过程中，叶轮在轮转的前半周运动方向与流体流向基本相同，叶片受流体推力所作用，但该叶片在后半周的运动方向却和流体流向相反，此时叶片则会收到流体的阻力作用，极大地损失流体推动叶片所做的功。所以，叶轮旋转轴布置方向与水流方向同向时，则流体不能正面冲击叶片做功。且叶片仅受流体冲击力的切向分力作用，从而导致涡轮工作效率存在限制。

　　为此，研究团队首创性提出了流体既能正面冲击叶片做功，又不存在下半周正面阻力的半潜式海流能发电方法，运用跨界面半潜式的方法，因叶片在空气中所受阻力比在水中小千倍，可忽略不计，从而实现下半周叶片转回时零阻力，来减小叶轮旋转时所受海水的阻力，其系统原理图如图1所示。将水轮机叶片一半置于海平面之上，一半浸于海水中，叶轮潜入海水的深度为叶轮直径的35%-65%，水轮机旋转轴布置方向与水流方向垂直，海洋能推动叶轮转动，从而带动发电装置产生电能。叶片在周向运动时，水下部分的叶片持续受流体推力做功，由于空气阻力远小于海水的阻力，处于空气中的叶片即使运动方向与空气流向相反，所受到的流体冲击阻力也很小，同时叶轮上半部分安装的挡风板能对不同风向的海风进行筛选，合理地利用同向风的推力提升发电装置的发电能力。

　　在此基础上，为了解决叶片端部在转出或转入水面时因与海水的接触面积大导致叶片所受水的阻力也较大这一问题研究团队进一步设计了叶轮的叶片结构形状及数量，首次提出了半潜式海流能发电方法中的先进叶轮结构，减小水能损失，增加海洋能转化效率。同时，研究团队做出了半潜式海流能发电装置样机，设计了实验室试验系统，见图2。经多次试验证明半潜式发电方式的发电效率比现有技术提高了30%以上。

　　在此基础上，研究团队设计了海上试验系统，将在海上建立示范工程开展适海况试验研究，其系统原理图如图3所示。由于平台的海上运动是一个复杂的非线性且随时间变化的系统，会受到风，浪和水流等环境干扰，使得平台随海水上涨的过程存在一定的滞后，导致叶轮的浸没深度随着海水的周期性运动而发生周期性波动，从而导致发电效率不稳定。为此，研究团队设计了可跟随海水的周期性运动而自动调节叶轮的浸没深度的自稳定辅助系统，使得叶轮潜入海水的深度为叶轮直径的50%，稳定在这个效率最高状态。

　　技术先进性：项目中的核心技术与本领域现有技术相比的先进程度：

　　a.能源采集效率比现有技术提高33%；

　　b.因为是滚轮式叶轮，可以并排横串多台叶轮共一台发电机，比一个涡轮配一台发动机，设备效率跨级别提高；

　　c.结构简明，设计、制造及安装要求不高；

　　d.海面上运行，控制和管理方便，安全性、稳定性好；

　　技术先进性的原因和效果:本半潜式海流能发电技术是一种全新的装置，其中叶片直接受海水的推力作用，同时上半部分叶片在空气中转回时由于空气阻力远小于海水阻力因此整体阻力小，同时对叶片结构的优化设计解决了叶片的出水及入水阻力，提高海洋能转换效率。并且本项目技术中的可跟随海水的周期性运动而自动调节叶轮的浸没深度的自稳定辅助系统，能使得叶轮潜入海水的深度为叶轮直径的50%，稳定在这个效率最高状态，从而实现最优化。另外还进行了抗台风设计，待申请专利，保密缘故，暂不详述。效果：与现有技术相比，本项目技术的效率提高了33%。

　　技术壁垒：a.国外同类技术：

　　1973年，美国的莫顿教授提出了“科里奥利”海流能利用方案，该方案主要是将一组涡轮发电机安装在一种能聚集大量海流能量的管内，当海流经过该管时，带动涡轮机像风车一样旋转发电，并通过水下电缆将电能输送至佛罗里达电网。该涡轮机机组体积巨大，在海流流速为2.3m/s条件下，该发电装置的功率约为8.3万kW，工作过程清洁无污染。2006年美国VerdantPower（VP）公司研发的VerdantPower海流能发电装置并网测试，总发电量达70MkW•h。

　　2008年英国MCT公司成功研制了1.2MW级的发电机组，并于当年4月在位于爱尔兰北部的海床下完成了该机组的安装并投入使用，这标志着英国海流能发电系统已进入商业化运作阶段。另外该公司计划在安格尔西郡海岸安装运行一个装机总容量达到10.5MW的SeaGen发电机组，MCT公司在海洋能开发利用技术方面处于世界领军地位。

　　1996年意大利PontediArchimede（PdA）公司开展了海流发电装置的研究，整机采用的是垂直轴海流能发电模式。经过40kW发电装置试验后，又进行了深入研究与改进，提出了漂浮式发电装置Kobold，Kobold采用了变桨叶片，轮直径6m，叶片长5m，2003年120kW的Kobold发电装置在意大利墨西拿海峡开始运行。

　　b.国内同类技术：

　　我国海流能开发利用的研究起步较晚，技术尚不成熟。近年来，在国家“建设海洋强国战略”背景下，海洋资源利用研究方面取得一定进展。在海流能发电系统设计与试验研究中，哈尔滨工程大学、浙江大学、东北师范大学和中国海洋大学以及其他海洋装备研发单位都自主研发了不同形式的千瓦级小型样机，积累了一些测试经验。如2009年浙江大学研制的25kW的海流能发电装置，哈尔滨工程大学研发的“海能Ⅰ”300kW、“海能Ⅱ”200kW海流能发电系统，能量转换效率34%，东北师范大学研制的20kW水平轴海流能发电装置于2013年测试运行。我国的海流能发电还处于技术研发与装置研制的初期，但在国家和政府的支持下，正不断向前发展。

　　c.与国内外同类技术相比较：

　　目前国内外同类技术中大多采用浮子振荡、摆式、涡轮式等，与国内外同类技术相比，本项目首创性提出了跨界面半潜式海流能发电新技术。将水轮机叶片一半置于海平面之上，一半浸于海水中，叶轮潜入海水的深度为叶轮直径的35%-65%，水轮机旋转轴布置方向与水流方向垂直，海洋能推动叶轮转动，从而带动发电装置产生电能。叶片在周向运动时，水下部分的叶片持续受流体推力做功，由于空气阻力远小于海水的阻力，处于空气中的叶片即使运动方向与空气流向相反，所受到的流体冲击阻力也很小，从而提高发电效率，发电效率比现有技术提高了30%以上。

　　d.本项目关键技术：

　　本项目关键技术在于叶轮的安装方式、叶片的结构形状及数量设计、海上整体平台的稳定性设计等方面，主要在于叶片的形状设计。为了使叶片出水与入水阻力及在海水中所受阻力最小，研究团队做了实验研究及数值模拟等很多研究对叶片形状进行优化设计。

　　产品或技术成熟度：a.本项目完成了实验室阶段。本项目相关前期研究已取得重大技术突破，半潜式发电方式的发电效率比现有技术提高了30%以上。试验台如图4所示，叶轮样件如图5所示。

　　b.正在准备海上示范阶段。研究团队在前期研究基础上将在海上建立示范工程开展适海况试验研究，实现发电效率最大化，并建立海上发电试行系统。目前已有项目经费且完成了海上试验系统设计，正在采购和加工相关设备。

　　c.预计将在两年内向产业化迈进。本项目可带来巨大经济效益，值得投资，使得海流能发电利用可从现有的研发阶段向产业化迈进。

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