一種基于系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)的發(fā)電方法

程文鑫,溫志文,楊智棟,蔡衛(wèi)軍

一種基于系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)的發(fā)電方法

程文鑫1,溫志文2,楊智棟2,蔡衛(wèi)軍2

(1.海裝裝備項目管理中心,北京,100071; 2.中國船舶集團有限公司 第705研究所,陜西 西安,710077)

隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展,針對水下尤其是深海海域中的能源需求越來越突出,而已有的水下發(fā)電方法存在輸出功率不高,發(fā)電效率低等不足。針對此問題,文中提出了一種適用于低速流海域的基于系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)的發(fā)電方法,該方法通過提升系繩水下風(fēng)箏與水流的相對運動速度,可顯著增加發(fā)電輸出功率。采用歐拉-拉格朗日方法對其進(jìn)行數(shù)學(xué)建模仿真,仿真結(jié)果表明,該方法可有效解決傳統(tǒng)固定式水輪機發(fā)電方法在深海海域發(fā)電輸出功率低的難題。

系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng); 水下發(fā)電; 深海海域

0 引言

隨著海洋技術(shù)的不斷發(fā)展,針對水下尤其是深海海域的能源開發(fā)也不斷深入。海洋占據(jù)了人類生存空間的70%,海洋資源不僅清潔、可再生,同時蘊藏了巨大的能源[1-3]。海流能是海底水道和海峽中較為穩(wěn)定的海水流動以及潮汐導(dǎo)致的有規(guī)律的海水流動時產(chǎn)生的能量,是目前發(fā)展速度最快的可再生能源。

國內(nèi)外針對海流能發(fā)電技術(shù)的研究已有20多年,并已具備一定的理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。田文龍等[1,4]采用數(shù)值仿真與理論計算相結(jié)合的方法對基于水下系留平臺的海流能發(fā)電裝置進(jìn)行了研究; 林勇剛等[5]利用計算流體力學(xué)方法設(shè)計了水下風(fēng)車發(fā)電機組的槳葉; 張宗濤[6]提出了一種潮汐能發(fā)電方法?，F(xiàn)有海流能發(fā)電裝置大多處于設(shè)計和研究階段,只有少數(shù)投入商業(yè)化使用。英國MCT (Marine Current Turbines)公司生產(chǎn)的SeaFlow是世界上第1套投入商業(yè)化使用的海流能裝置[7]; 新加坡AR(Altantis Resources)公司的AR1500海流能發(fā)電裝置具有抗極端海況的能力[7]; 挪威HS (Hammerfest Strom)公司研制的300 kW HS300三葉片水平軸海流能發(fā)電裝置具有自動對流功能,適用于海流方向不穩(wěn)定的海域[7]。國內(nèi)多所大學(xué)對水平軸海流能發(fā)電裝置進(jìn)行了研究,并已進(jìn)入樣機實驗階段。浙江大學(xué)于2006年研制出了國內(nèi)第1臺千瓦級的5 kW海流能模型樣機[4]; 中國海洋大學(xué)在2013年為中海油公司研制了50 kW水平軸海流能裝置,同年8月在青島市齋堂島海域進(jìn)行了試驗[4]。然而,上述研究及商業(yè)化產(chǎn)品大多采用固定式水輪機發(fā)電裝置,存在效率轉(zhuǎn)換不高、工作效費較低的不足。

系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)發(fā)電技術(shù)是一種在水下利用風(fēng)箏水輪機裝置將海流能轉(zhuǎn)化為電能的新型水下能源自補給技術(shù),相比傳統(tǒng)固定水輪機發(fā)電方式,可以增加發(fā)電輸出功率?；诖?文中提出一種系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng),通過提高發(fā)電裝置與水流的相對運動速度來增加水下海域發(fā)電機的發(fā)電輸出功率,工作時間長,能源轉(zhuǎn)換效費比高,較好地解決了傳統(tǒng)固定式水輪機發(fā)電方法在水下海域發(fā)電輸出功率低的難題。

1 系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)建模

系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)由固定浮標(biāo)平臺、系繩、風(fēng)箏(帶副翼)、水輪機、舵板及載荷艙組成。水輪機安裝在剛性的副翼下方,用于實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化[8]。舵板安裝在副翼兩側(cè),通過預(yù)置舵角實現(xiàn)水下風(fēng)箏的“8”字形運動。載荷艙安裝在副翼兩側(cè)下方,主要起穩(wěn)定作用。水下風(fēng)箏通過柔性的系繩系留在固定的浮標(biāo)平臺上。將浮標(biāo)平臺固定于水面(或水底),釋放水下風(fēng)箏到水里[9]。系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

水下風(fēng)箏的具體釋放過程為: 使用專門機構(gòu)將水下風(fēng)箏吊裝到水面,由于水下風(fēng)箏采用弱負(fù)浮力設(shè)計,在負(fù)浮力的作用下水下風(fēng)箏在垂直面向下運動。同時由于水平面水流的作用,水下風(fēng)箏在水平面隨流運動,進(jìn)而實現(xiàn)水下風(fēng)箏斜向下運動的布放過程。

水下風(fēng)箏發(fā)電基本工作原理為: 通過水流作用在水下風(fēng)箏副翼上的水動力,使風(fēng)箏隨流運動,從而拉緊系繩,使得軸向水輪機繞軸旋轉(zhuǎn),輸出電能,這個階段稱為能量輸出階段; 系繩繃緊后,在系繩彈性力作用下風(fēng)箏開始回收運動,回收階段可以通過減小風(fēng)箏副翼的攻角來減小作用在風(fēng)箏上的水動力,該階段稱為能量消耗階段。通過控制回收和釋放階段作用在風(fēng)箏上的水動力大小,在整個大循環(huán)階段,使能量輸出大于回收風(fēng)箏的能量需求,從而實現(xiàn)凈能量的輸出[10]。

1.1 坐標(biāo)系和運動方程建立

在研究系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)時,為便于分析和計算,通常采用地面坐標(biāo)系(X,Y,Z)和隨體平移坐標(biāo)系(X,Y,Z)。地面坐標(biāo)系原點位于浮標(biāo)中心,隨體坐標(biāo)系原點位于水下風(fēng)箏質(zhì)心,坐標(biāo)軸分別與地面坐標(biāo)系平行,如圖2所示。

圖2 系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)坐標(biāo)系

由歐拉-拉格朗日方程

推導(dǎo)出水下風(fēng)箏系統(tǒng)的運動控制方程

式中:表示動能;表示勢能;u表示作用在風(fēng)箏上能夠影響風(fēng)箏俯仰、偏航和橫滾的控制力矩;F和F是廣義上的阻力力矩和升力力矩;為拉格朗日量;為廣義坐標(biāo)。

1.2 風(fēng)箏副翼升阻力模型

為仿真風(fēng)箏翼面上的水動力,采用NACA 0015翼型模型?？紤]到風(fēng)箏在運動過程中,特別是在轉(zhuǎn)彎過程中可能出現(xiàn)較大的功角,采用曲線擬合方法,將翼型曲面引入升力曲線,仿真得到作用在風(fēng)箏副翼上水動力的升力特性,進(jìn)而建立風(fēng)箏副翼的升力模型。

作用在風(fēng)箏副翼上的阻力包括寄生阻力和誘導(dǎo)阻力兩部分

作者應(yīng)自留底稿，采用與否一律不退稿。向本刊投稿者，視為自愿遵守以上約定。來稿請用電子郵件發(fā)送到本刊信箱(E-mail：linyekeji@vip.tom.com或Linyekeji@163.net)。本刊地址：350012 福州市新店上赤橋35號；聯(lián)系電話：0591-87911427；網(wǎng)址：http：∥fjlk.chinajournal.net.cn；http∥fjlykj.periodicals.net.cn。

1.3 系繩和水輪機阻力模型

將系繩視作水下風(fēng)箏的一部分,將系繩阻力轉(zhuǎn)化為相應(yīng)風(fēng)箏面積阻力進(jìn)行計算[12]

圖3 系繩阻力模型圖

Fig. 3 Diagram of tethered resistance model

式中,為分割點數(shù)。

由于系繩采用零浮力材料,作用在系繩的升力可忽略不計。

建立水輪機的阻力模型

結(jié)合式(3)～(5)可得作用在系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)

1.4 水輪機功率輸出模型

建立水輪機的功率輸出模型,功率輸出因子[12]

水輪機的瞬時功率輸出

由式(10)可知,水流發(fā)電輸出功率與相對運動速度的3次方成比例,由于發(fā)電裝置與水流相對運動速度較低,使得深海低速流海域發(fā)電功率也較低。

1.5 工作條件

系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)一般工作于200～1000 m范圍的海域,由于自身控制能力較弱,其正常工作時需要海流速度和方向比較穩(wěn)定。為了提高發(fā)電總能量,通常水下風(fēng)箏系統(tǒng)體積較大,系繩較長,在布放和回收時需采用專門的機構(gòu)裝置。

2 仿真分析

使用建立的系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)模型及表1仿真初始條件輸入?yún)?shù)進(jìn)行仿真分析。

表1 仿真初始參數(shù)

文中提出的系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)最大優(yōu)勢是,在水下海域條件下,在系繩以及預(yù)置舵角的作用下,水下風(fēng)箏能夠以較高的速度按照“8”字形運動。由圖4可知,在上述仿真條件下可實現(xiàn)水下風(fēng)箏在水下三維空間的“8”字形循環(huán)運動軌跡,說明文中方法具有基礎(chǔ)可行性。

圖5為仿真輸出功率曲線圖。對輸出功率取平均值,可近似得到水下風(fēng)箏系統(tǒng)平均發(fā)電功率(凈輸出功率)約為100 kW,可達(dá)到預(yù)期水平。

由Loyd提出的水下風(fēng)箏運動速度計算公式可知[13]

圖4 系繩水下風(fēng)箏三維運動軌跡

圖5 水輪機輸出功率曲線

由圖6可得,水下風(fēng)箏在運動過程中升阻比值最大可接近3.0左右,由式(13)計算可得系繩水下風(fēng)箏運動速度達(dá)到當(dāng)?shù)厮魉俣鹊?倍以上。在平均水流速度較低的水下海域,通過設(shè)計水下風(fēng)箏合適的升阻比,可以提高發(fā)電裝置與水流的相對運動速度,進(jìn)而增加發(fā)電輸出功率。

圖6 系繩水下風(fēng)箏升阻比曲線

3 結(jié)束語

文中提出了一種適用于水下海域的基于系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)的發(fā)電方法,對水下風(fēng)箏系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與仿真分析。仿真結(jié)果表明,該方法通過設(shè)計水下風(fēng)箏合適的升阻比,可以提高發(fā)電裝置與水流的相對運動速度,進(jìn)而增加發(fā)電輸出功率,對下一步實物樣機設(shè)計和改進(jìn)提供參考。文中所采用的系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、新穎,工作時間長,能源轉(zhuǎn)換效費比高,重點解決了傳統(tǒng)固定式水輪機發(fā)電方法在水下海域發(fā)電輸出功率低的難題,為今后充分利用水下能源提供了一種可靠、高效的方式。

[1] 田文龍. 基于水下系留平臺的海流能發(fā)電裝置關(guān)鍵技術(shù)研究[D]. 西安: 西北工業(yè)大學(xué),2016.

[2] 黃高揚,田應(yīng)元. 一種水下海流能發(fā)電裝置研究[C]//中國海洋可再生能源發(fā)展年會暨論壇. 北京: 國家海洋技術(shù)中心,2012.

[3] Curran D T,Murphy A,Lee A,et al. Method of Controlling a Powered Air Purifying Respirator[J]. Applied Mec- hanics review,2012,30(12): 2124-2134.

[4] 田文龍,宋保維,毛昭勇. 水下航行器海流發(fā)電裝置葉輪的數(shù)值仿真[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報,2013,47(8): 1306-1311,1317.

Tian Wen-long,Song Bao-wei,Mao Zhao-yong. Numerical Analysis of a Water Turbine for Underwater Vehicles[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University,2013,47(8): 1306-1311,1317.

[5] 林勇剛,李偉,劉宏偉,等. 水下風(fēng)車海流能發(fā)電技術(shù)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2008,42(7): 1242-1246.

Lin Yong-gang,Li Wei,Liu Hong-wei,et al. Ocean Current Power Generation Technology for Underwater Turbine[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science),2008,42(7): 1242-1246..

[6] 張宗濤. 一種潛水潮汐海流發(fā)電站: 中國,CN10693987 3A[P]. 2017-07-05.

[7] Kosel T H,Fiore N F. Abrasive Wear in Multiphase Microstructures[J]. Journal of Materials for Energy Systems,1981,3(2): 7-27.

[8] Olinger D J,Wang Y. Hydrokinetic Energy Harvesting Using Tetherd Undersea Kites[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy,2015,7: 1-18.

[9] Diehl M. Airborne Wind Energy: Basic Concepts and Physical Foundations[M]. Berlin: Springer Verlag,2013.

[10] Lazakis I,Turan O,Rosendahl T. Modeling of Vessel and Equipment Cost for the Maintenance Activities of an Offshore Tidal Energy Array[C]//Proceedings of the PRADS. Changwon City,Korea: PRADS,2013.

[11] Anon. New Kite Taps Tidal Energy of Sea[N]. Investors Business Daily,2010.

[12] Li H,Olinger D J,Demetriou M A. Passivity Based Control of a Tethered Undersea Kite Energy System[C]// Submitted to the American Control Conference of the IEEE Controls System Society. Boston,USA: IEEE,2016.

[13] Loyd M L. Crosswind Kite Power(for Large-scale Wind Po- wer Production)[J]. Journal of Energy,1980,4(3): 106-111.

Method of Power Generation Based on Tethered Underwater Kite System

1,2,2,2

(1. Program Management Center of Naval Armament Department,Beijing 100071,China; 2. The 705 Research Institute,China State Shipbuilding Corporation Limited,Xi’an 710077,China)

With the continuous development of marine technology,underwater energy demand,especially in the deep sea,has become increasingly prominent. However,the existing underwater power generation methods generate insufficient output power and offer low work efficiency. To solve these problems,this paper proposes a power generation method based on a tethered underwater kite system that is suitable for low-velocity sea areas. This method significantly increases the power generation output by increasing the relative speed of the tethered underwater kite and water flow. The system has a simple and novel structure,long working hours,and high energy transformation efficiency. In this paper,the Euler-Lagrangian method is used for mathematical modeling and simulation. The simulation results show that this method can effectively solve the problem caused by the low output power of the traditional stationary water turbine power generation method in the deep sea.

tethered underwater kite system; underwater power generation; deep sea

TJ63; TV72

A

2096-3920(2021)04-0483-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2021.04.017

程文鑫,溫志文,楊智棟,等. 一種基于系繩水下風(fēng)箏系統(tǒng)的發(fā)電方法[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報,2021,29(4): 483-487.

2020-06-04;

2020-07-10.

程文鑫(1977-),男,博士,高級工程師,主要研究方向為裝備系統(tǒng)綜合保障設(shè)計、分析與評價.

(責(zé)任編輯: 楊力軍)