流体诱导双水翼耦合振荡捕获潮流能发电的机理与关键技术研究

Tidal flow energy is very abundant in our country, with a potential power capacity of 14GW. The research on tidal flow turbine is still in experimental stage in the world. The project proposes an mechanism to generate electric power from tidal flow energy through flow-induced self-sustained oscillations of a hydrofoil. Tidal flow energy is converted into hydraulic energy through the oscillating hydrofoil, and then converted into electric power. Hydrofoil can change the oscillating direction autonomously without external force control at the position of upper and lower limit, which thus has a simple structure and low cost. We shall study the key issues in the design of the prototype system which generate electric power from tidal flow energy through self-sustained oscillations of a hydrofoil, develope the fluid-structure interaction model of a hydrofoil in tidal flow, and investigate the influence of the hydrofoil geometric parameters, unsteady and non-uniform flow field, the interaction among vortices on system characteristics, then obtain the optimal geometry structure and kinematic parameters under different conditions to improve the power extraction efficiency. The swept area of oscillating foil is more than three times that of horizontal axis rotating blades at the same depth, and the stand-alone generating capacity of oscillating foil is expected to higher than that of rotating blades. It is suitable to be installed in riverbeds and shallow waters near the coasts, and fit for the characteristics of lower average flow velocity and shorter high-velocity time in our country. Besides, it is easy to install, maintain and recycle.

我国海洋潮流能储量十分丰富，可开发功率达14GW。在国内外，潮流发电技术研究尚处于试验研究阶段。本项目提出了流体诱导双水翼耦合振荡捕获潮流能发电的机理。水翼往复振荡将潮流能转化为液压能，再转化为电能。在潮流诱导下双水翼升沉-俯仰运动耦合，振荡自启动、自维持，振荡过程无死点。水翼在运动至上下极限位置时，自主转向，不需外力控制，结构与控制简单。将研究水翼振荡捕获潮流能发电原型系统设计中的关键问题。研究水翼在潮流中的水动力学性能和流固耦合机理。优化双水翼耦合振荡系统的参数。研究水翼参数、流场等，对系统特性的影响规律。研究双水翼耦合振荡系统的各子系统的匹配性。研究液压发电系统参数与水翼振荡机构参数的匹配性。研究双行程全周期做功的液压传动控制系统工作原理。进行发电试验测试与设计制作。振荡水翼扫略面积是水平轴叶轮扫略面积的3倍以上，发电功率更高。适合安装在河床、沿海岸等浅水海域，适合我国海域潮流特点。

潮流能是一种可再生的绿色能源。我国具有丰富的潮流能资源，可开发功率达14GW。研究潮流能的利用，具有重要的意义。本项目的研究成果概括为三个主要方面：.（1）提出了流体诱导自主振荡水翼捕获潮流能发电原理。发电捕能机构由双水翼组成，两水翼俯仰运动与升沉运动相互耦合，以克服水翼在升沉运动与俯仰运动极限位置的死点，使两水翼能够可持续、稳定的振荡。两水翼的振荡运动推动油缸的活塞运动，输出高压油，继而驱动马达回转，带动发电机实现发电。在相同深度海况下，振荡水翼的扫略面积是水平轴叶轮扫略面积的3倍以上，单机发电功率比轴式叶轮结构高。.（2） 研究了流体诱导自主振荡双水翼系统的水动力学机理。通过理论计算、数值模拟和试验，系统地研究了双水翼捕获潮流能发电机构的性能，包括1）双水翼翼型的设计机理及其翼型优化。2）非稳态流场下水翼的能量提取性能。3）水翼参数（攻角等）对水翼水动力性能的影响规律。4）两个水翼的空间结构布置。研究证明，当两个水翼呈前后空间结构布置时，在优化的运动参数下，上游水翼的尾涡与下游水翼发生积极干涉，使下游水翼有较好的能量提取性能，系统的效率理论上可达40%。.（3）研制了自主振荡双水翼潮流能发电实验样机。建立了水翼运动与液压联动系统的联合仿真模型，分析了水翼运动与液压缸等参数之间的匹配性。研制了振荡水翼潮流能发电装置样机，验证了双水翼液压联动系统的可行性。结果表明，所提出的液压系统联动模型能够实现两个水翼可持续的振荡，并保证稳定的能量输出。当水翼的振荡运动与液压联动系统及能量输出系统由合适的参数匹配性时，系统的能量捕获性能与传统旋转叶片式水轮机相当。.新型振荡水翼捕能原理，适合安装在河床、沿海岸等浅水海域，适合我国海域潮流高流速时间短、平均流速较低特点。易于安装、维护和回收，对开发我国丰富的浅海潮流能资源具有明显优势。