海流发电装备规模化利用中的基础性问题研究

The fundamental problems including energy characteristic, reliability, and array planning in marine current generation equipment's scale application are studied. To solve the structural bottlenecks of flow blocking, non-streamlined body, and temperature rising in the large dimension progress of marine current turbines, a symmetrical turbine with a single impeller based on a system efficiency design concept of High Length-Diameter Ratio (HLDR) is proposed. This part of the study focuses on the characteristic of hydrodynamical efficiency, the reliability of loading and temperature rising, the control method of low-speed and high-efficiency, aiming at a new approach to overcome the difficulties. An optimal array planning method of the marine current turbines based on the multi-parameter model combining the flow field's variation rule with the turbine characteristic is presented for the maximum utilization of the flow resource under the background of the large sea area and flow resource's unbalanced distribution in China. The study yields its own features and innovations in the aspects of "the structure-efficiency quantitative relation", "the new HLDR symmetrical turbine with a single impeller", "the low-speed and high-efficiency control method", and "the optimal array planning method based on the combination of the flow field's variation rule and the turbine characteristic". The research approach using theoretical simulation analysis, experimental verification and improvement, and a new type of structure has a distinctive feature, and could offer theoretical basis and technical support toward the scale application of marine current turbines.

研究海流发电装备规模化利用中的相关基础性问题，包括能量特性、可靠性、阵列规划等。针对海流发电机组大型化过程的挡流、非流线型、温升等结构瓶颈问题，提出基于“大长径比优化设计”理念的单叶轮对称型海流发电机组整机能效优化设计技术方案，聚焦机组水动能效特性、受力温升可靠性，以及低速高效控制方法，探索问题解决新途径；针对海流能发电阵列化应用的海域资源最优化利用问题，提出基于流场变化规律与机组特性相结合的多参量模型的海流机组最优阵列设计规划方法，为我国海域面积大，流场资源复杂不平衡背景下的海流发电机组阵列化发展提供思路。研究在“机组结构-能效理论量化关系”、“单叶轮对称型大长径比新型机组”、“低速高效控制方法”、“流场变化规律与机组特性相结合的阵列规划方法”等方面形成自己的特点和创新。理论仿真分析、试验验证改进结合新型装备结构的研究思路，具有鲜明的特色，为海流发电装备规模化利用提供理论基础与技术支撑。

海洋能发电装备是海洋战略需求、新能源装备、先进设计制造的“交汇点”，是国际可再生能源领域的重要研究方向，也是实现“30·60双碳”目标的重要助力之一。本项目着眼于海流能发电领域面临的大型化、阵列化以及商业化关口，从提高整机能效、增加可靠性、最大化资源利用出发，进行相关科学技术研究。项目完成海流发电机组能效机理，水沙环境下的叶片作用机理，以及叶轮所受非对称载荷获取技术研究，完成相关理论数值分析，理清原理性问题，并提出创新方法，解决实际工程应用中的技术难题，提高系统可靠性；从启动特性、能量效率以及可靠性出发，对相关关键部件、子系统进行改进优化设计，同时设计低速、高效、降载运行控制方案，为海流发电机组长期运行提供技术支撑；对典型海域资源特性中多机组阵列场的单元相互水动作用机理进行研究，形成阵列规划分析与设计方法，并考虑真实海域流场中存在的困难，初步形成一套阵列规划方法流程，为海域流场资源最优化利用提供理论参考依据。项目凝练海流能发电机组实海况运行中的关键科学问题，在水沙环境下叶片水动性能、磨损机理研究，高效轻量化叶片设计，机组水下非对称载荷获取方法，以及低速高效运行控制技术等方面形成创新，同时搭建试验样机进行实海况测试，完成部分理论设计与方法的验证。项目研究结果可为海流发电装备规模化利用提供理论与技术支持。