中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：海洋是能源之海。海洋能永世不竭，對(duì)人類永續(xù)發(fā)展意義不凡。
4月艷陽天，東海之濱的舟山摘箬山島邊，三座碩大的火紅色海流能發(fā)電平臺(tái)正平穩(wěn)運(yùn)行。
一個(gè)月來，在浙江大學(xué)原創(chuàng)大長(zhǎng)徑比半直驅(qū)水平軸120kW比例樣機(jī)基礎(chǔ)上，國電聯(lián)合動(dòng)力技術(shù)有限公司研制的300kW電氣變槳機(jī)組，在舟山摘箬山海洋科技示范島浙大海流能發(fā)電試驗(yàn)基地實(shí)海況發(fā)電成功，實(shí)現(xiàn)270度變槳和并網(wǎng)運(yùn)行！
“這臺(tái)機(jī)組是工業(yè)級(jí)的樣機(jī)，這次海試完善之后，將成為我國第一個(gè)成型的海流發(fā)電裝備產(chǎn)品。”正在現(xiàn)場(chǎng)的浙江大學(xué)海洋研究院副院長(zhǎng)、機(jī)械學(xué)院教授李偉介紹說。
從2004年開始，李偉團(tuán)隊(duì)即致力于海流能的開發(fā)利用，迄今已成功研制了30kW-650kW系列化半直驅(qū)機(jī)組和涉海特種儀器專用50W- 500W直驅(qū)機(jī)組兩大系列化裝備，率先形成水平軸機(jī)組列陣并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)和海流能海島獨(dú)立穩(wěn)定供電系統(tǒng)，在海流能發(fā)電裝備的研制上走出了一條自主研發(fā)的創(chuàng)新之路。
國際難題：高效性、可靠性、穩(wěn)定性
所謂海流能，主要是指由于月球的潮汐作用，引起海底水道或海峽中的海水流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能。根據(jù)我國沿海130個(gè)水道、港口的觀測(cè)及分析資料顯示，我國沿海海流能的年平均功率理論值約為1.4X107kW，屬于世界上功率密度最大的地區(qū)之一。特別是浙江舟山群島附近水道，平均功率密度在20kW/m2以上，開發(fā)環(huán)境和利用條件十分有利。
海流能發(fā)電的主要應(yīng)用，是滿足無電、無水、無人的‘三無’島嶼或一些遠(yuǎn)離大陸海島的特殊供電需求，實(shí)現(xiàn)就地取能、海能海用。
要從流動(dòng)的海水中獲取動(dòng)能發(fā)電，關(guān)鍵在于捕獲轉(zhuǎn)換能量的裝備，必須攻克作為能源機(jī)械的高效性、作為海洋服役環(huán)境裝備的可靠性和作為間歇能量供電單元的穩(wěn)定性三大國際性難題。
“術(shù)業(yè)有專攻，國內(nèi)外同行在某一方面有他的專長(zhǎng)，解決了單個(gè)的問題。但同時(shí)解決這三大問題的，目前就屬浙大研制的大長(zhǎng)徑比半直驅(qū)高效水平軸海流能系列機(jī)組。”李偉表示，浙江大學(xué)提供了一個(gè)整體解決的方案，形成了我國原創(chuàng)的新機(jī)型。
技術(shù)方案：大長(zhǎng)徑比、半直驅(qū)、整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)
海流發(fā)電裝備主要有水平軸、垂直軸和振動(dòng)式3種基本形式，浙江大學(xué)研發(fā)的海流發(fā)電機(jī)組屬于水平軸結(jié)構(gòu)?！昂土韮煞N相比，只有水平軸形式能冠以‘高效’。海水流過去，接近一半的能量可以提取出來?！崩顐ソ榻B，垂直軸的優(yōu)勢(shì)是可以“萬向”，不管流從哪來，是漲潮還是退潮，都可運(yùn)轉(zhuǎn)。但水流過來時(shí)，垂直軸一邊產(chǎn)生動(dòng)力矩，對(duì)稱的一邊必然產(chǎn)生阻力矩，本質(zhì)上是轉(zhuǎn)矩差做功，其效率不及水平軸的一半。振動(dòng)式效率更低一些。
“歐美和國際上其他一些國家主要采用高效水平軸的技術(shù)路線，特別是在大型機(jī)組中，英、美、法、德、挪威等國的主要項(xiàng)目均無例外采用主流的水平軸結(jié)構(gòu)形式?！?
水平軸怎么做，其先進(jìn)技術(shù)路線是什么？李偉團(tuán)隊(duì)在對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)，在中大型的水平軸裝備中，傳統(tǒng)高升速型與直驅(qū)型的裝備都有其局限性。
國際上傳統(tǒng)采用機(jī)械升速方案，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為每分鐘幾千轉(zhuǎn)，而葉輪的轉(zhuǎn)速每分鐘只有幾十轉(zhuǎn)，中間通過升速齒輪箱來匹配。但此方案難以解決效率與轉(zhuǎn)速成正比，而旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)可靠性與升速比大致成反比的矛盾。
“如果采用直驅(qū)型，取消齒輪箱，可靠性相應(yīng)提高，這在風(fēng)力發(fā)電中非常普遍。但這個(gè)方案用于海流發(fā)電時(shí)有相當(dāng)?shù)木窒扌裕行⌒偷目梢?，中大型不行。為什么？第一，多?jí)對(duì)數(shù)直驅(qū)型機(jī)組的徑向尺寸必然大，無效擋水面就大，效率就低；第二，海水不能像空氣一樣能壓縮，如果中間有阻擋，必然要從旁邊流過去，會(huì)造成流態(tài)變差，增加葉片的力學(xué)載荷，對(duì)可靠性產(chǎn)生影響；第三，因徑向尺寸大，發(fā)電機(jī)中心產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至水冷外殼的距離較遠(yuǎn)，不利溫升的控制；第四，就是密封問題，這與溫升及其變化梯度、頻度有關(guān)，溫度波動(dòng)會(huì)加速水下密封材料的老化?！?
針對(duì)上述傳統(tǒng)技術(shù)方案存在問題，浙大團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，提出了“大長(zhǎng)徑比約束半直驅(qū)整機(jī)優(yōu)化”的設(shè)計(jì)思路，和“大長(zhǎng)徑比（軸徑向比）”這一綜合性能表征指標(biāo)；揭示了同等功率機(jī)組，長(zhǎng)徑比大者，性能更佳的規(guī)律。
“即根據(jù)用戶對(duì)發(fā)電效率的需求，對(duì)葉輪、低速齒輪箱和亞低速電機(jī)等主要部件徑向尺寸進(jìn)行約束性優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終形成外形狹長(zhǎng)流暢，內(nèi)在性能優(yōu)異的大長(zhǎng)徑比半直驅(qū)新機(jī)型?！崩顐ソ榻B說。
同時(shí)，課題團(tuán)隊(duì)還在變槳和密封兩個(gè)關(guān)鍵部件上進(jìn)行創(chuàng)新。一是發(fā)明了在狹長(zhǎng)葉輪輪廓里具備大推力的液壓變槳機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)變槳對(duì)流增效、變速控制增效、安全發(fā)電增效三大功能。二是發(fā)明了基于壓差概念和三層組合密封結(jié)構(gòu)的動(dòng)密封技術(shù)，使機(jī)組水下運(yùn)行時(shí)間達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
“大長(zhǎng)徑比、半直驅(qū)、高效水平軸”海流能裝備研究在國際國內(nèi)產(chǎn)生了廣泛影響。在國際IEC/TC114標(biāo)委會(huì)2017年、2018年主席團(tuán)全體會(huì)議上，中國代表連續(xù)兩年把浙大原創(chuàng)機(jī)型及其進(jìn)展作為亮點(diǎn)工作進(jìn)行了專門介紹。
創(chuàng)新路徑：原理樣機(jī)、工程樣機(jī)、示范運(yùn)行
浙大團(tuán)隊(duì)從事海洋能裝備研究是從自選項(xiàng)目開始的?！爱?dāng)時(shí)我們想在機(jī)械與能源兩個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)學(xué)科匯聚和技術(shù)交叉，結(jié)合浙江沿海資源優(yōu)勢(shì)和服務(wù)浙江的目標(biāo)，將目光盯在海流能發(fā)電裝備這個(gè)研究方向上，在實(shí)驗(yàn)室做出了一個(gè)5kW原理性樣機(jī)。”李偉說。
2006年，浙大研制的國內(nèi)第一臺(tái)水平軸“水下風(fēng)車”問世，該裝備采用了機(jī)械傳動(dòng)原理，在舟山岱山海域發(fā)電成功。
2009年，課題組得到國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目資助，成功研制出30kW“半直驅(qū)”海流發(fā)電裝置原型機(jī)組，在舟山海域海試發(fā)電成功。
2010年，課題組得到國家863項(xiàng)目支持，研制出世界首臺(tái)液壓傳動(dòng)和變槳的海流發(fā)電機(jī)組。
2013年，浙江大學(xué)與國電建立戰(zhàn)略合作關(guān)系，合作研制系列半直驅(qū)高效水平軸的潮流能發(fā)電裝備。
2014年，課題組在國家科技部十二五重大項(xiàng)目課題、海洋局專項(xiàng)支持下，自主研制的60kW大長(zhǎng)徑比半直驅(qū)水平軸機(jī)組，在新建成的摘箬山海洋科技示范島浙大海流能試驗(yàn)平臺(tái)入海試驗(yàn)。
“60kW機(jī)組項(xiàng)目獲得十多項(xiàng)國家授權(quán)發(fā)明專利，在‘大長(zhǎng)徑比’約束條件下的整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、一次捕能機(jī)構(gòu)（葉片）高效設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面均有所創(chuàng)新。”李偉介紹，機(jī)組至今持續(xù)運(yùn)行時(shí)間近四年，是目前國內(nèi)實(shí)際運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的海流能發(fā)電機(jī)組，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先水平，海上試驗(yàn)過程與結(jié)果被中國船級(jí)社驗(yàn)證。
2016年，課題組在國家海洋局專項(xiàng)支持下120kW水平軸半直驅(qū)液壓變槳機(jī)組成功下海，實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)運(yùn)行。該機(jī)組在國際上首次實(shí)現(xiàn)了在半直驅(qū)水平軸海流能發(fā)電機(jī)組狹長(zhǎng)輪轂空間內(nèi)的大驅(qū)力液壓變槳，在提高機(jī)組獲能效率和可靠性方面取得突破。
2017年，浙江大學(xué)課題組自主研制的大長(zhǎng)徑比半直驅(qū)650kW機(jī)組成功海試并網(wǎng)發(fā)電，成為目前國內(nèi)單機(jī)功率最大的海流能發(fā)電裝備。
2018年3月，由國家海洋局專項(xiàng)支持，國電企業(yè)（浙大為項(xiàng)目參加單位）研制的300kW工業(yè)級(jí)樣機(jī)在浙大摘箬山島海域發(fā)電成功。
如今，浙大摘箬山海洋科技示范島海流能發(fā)電裝備試驗(yàn)基地已建成3個(gè)漂浮式海試平臺(tái)。經(jīng)國家海洋局統(tǒng)籌，哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司、杭州江河水電科技有限公司和國家海洋局海洋技術(shù)中心研制的裝備也將陸續(xù)來到基地進(jìn)行實(shí)海況試驗(yàn)。
(文/圖 高楚清)
