一种基于系绳水下风筝系统的发电方法

程文鑫,温志文,杨智栋,蔡卫军

一种基于系绳水下风筝系统的发电方法

程文鑫1,温志文2,杨智栋2,蔡卫军2

(1.海装装备项目管理中心,北京,100071; 2.中国船舶集团有限公司 第705研究所,陕西 西安,710077)

随着海洋技术的不断发展,针对水下尤其是深海海域中的能源需求越来越突出,而已有的水下发电方法存在输出功率不高,发电效率低等不足。针对此问题,文中提出了一种适用于低速流海域的基于系绳水下风筝系统的发电方法,该方法通过提升系绳水下风筝与水流的相对运动速度,可显著增加发电输出功率。采用欧拉-拉格朗日方法对其进行数学建模仿真,仿真结果表明,该方法可有效解决传统固定式水轮机发电方法在深海海域发电输出功率低的难题。

系绳水下风筝系统; 水下发电; 深海海域

0 引言

随着海洋技术的不断发展,针对水下尤其是深海海域的能源开发也不断深入。海洋占据了人类生存空间的70%,海洋资源不仅清洁、可再生,同时蕴藏了巨大的能源[1-3]。海流能是海底水道和海峡中较为稳定的海水流动以及潮汐导致的有规律的海水流动时产生的能量,是目前发展速度最快的可再生能源。

国内外针对海流能发电技术的研究已有20多年,并已具备一定的理论和应用基础。田文龙等[1,4]采用数值仿真与理论计算相结合的方法对基于水下系留平台的海流能发电装置进行了研究; 林勇刚等[5]利用计算流体力学方法设计了水下风车发电机组的桨叶; 张宗涛[6]提出了一种潮汐能发电方法。现有海流能发电装置大多处于设计和研究阶段,只有少数投入商业化使用。英国MCT (Marine Current Turbines)公司生产的SeaFlow是世界上第1套投入商业化使用的海流能装置[7]; 新加坡AR(Altantis Resources)公司的AR1500海流能发电装置具有抗极端海况的能力[7]; 挪威HS (Hammerfest Strom)公司研制的300 kW HS300三叶片水平轴海流能发电装置具有自动对流功能,适用于海流方向不稳定的海域[7]。国内多所大学对水平轴海流能发电装置进行了研究,并已进入样机实验阶段。浙江大学于2006年研制出了国内第1台千瓦级的5 kW海流能模型样机[4]; 中国海洋大学在2013年为中海油公司研制了50 kW水平轴海流能装置,同年8月在青岛市斋堂岛海域进行了试验[4]。然而,上述研究及商业化产品大多采用固定式水轮机发电装置,存在效率转换不高、工作效费较低的不足。

系绳水下风筝系统发电技术是一种在水下利用风筝水轮机装置将海流能转化为电能的新型水下能源自补给技术,相比传统固定水轮机发电方式,可以增加发电输出功率。基于此,文中提出一种系绳水下风筝系统,通过提高发电装置与水流的相对运动速度来增加水下海域发电机的发电输出功率,工作时间长,能源转换效费比高,较好地解决了传统固定式水轮机发电方法在水下海域发电输出功率低的难题。

1 系绳水下风筝系统建模

系绳水下风筝系统由固定浮标平台、系绳、风筝(带副翼)、水轮机、舵板及载荷舱组成。水轮机安装在刚性的副翼下方,用于实现能量转化[8]。舵板安装在副翼两侧,通过预置舵角实现水下风筝的“8”字形运动。载荷舱安装在副翼两侧下方,主要起稳定作用。水下风筝通过柔性的系绳系留在固定的浮标平台上。将浮标平台固定于水面(或水底),释放水下风筝到水里[9]。系绳水下风筝系统结构如图1所示。

图1 系绳水下风筝系统结构示意图

水下风筝的具体释放过程为: 使用专门机构将水下风筝吊装到水面,由于水下风筝采用弱负浮力设计,在负浮力的作用下水下风筝在垂直面向下运动。同时由于水平面水流的作用,水下风筝在水平面随流运动,进而实现水下风筝斜向下运动的布放过程。

水下风筝发电基本工作原理为: 通过水流作用在水下风筝副翼上的水动力,使风筝随流运动,从而拉紧系绳,使得轴向水轮机绕轴旋转,输出电能,这个阶段称为能量输出阶段; 系绳绷紧后,在系绳弹性力作用下风筝开始回收运动,回收阶段可以通过减小风筝副翼的攻角来减小作用在风筝上的水动力,该阶段称为能量消耗阶段。通过控制回收和释放阶段作用在风筝上的水动力大小,在整个大循环阶段,使能量输出大于回收风筝的能量需求,从而实现净能量的输出[10]。

1.1 坐标系和运动方程建立

在研究系绳水下风筝系统时,为便于分析和计算,通常采用地面坐标系(X,Y,Z)和随体平移坐标系(X,Y,Z)。地面坐标系原点位于浮标中心,随体坐标系原点位于水下风筝质心,坐标轴分别与地面坐标系平行,如图2所示。

图2 系绳水下风筝系统坐标系

由欧拉-拉格朗日方程

推导出水下风筝系统的运动控制方程

式中:表示动能;表示势能;u表示作用在风筝上能够影响风筝俯仰、偏航和横滚的控制力矩;F和F是广义上的阻力力矩和升力力矩;为拉格朗日量;为广义坐标。

1.2 风筝副翼升阻力模型

为仿真风筝翼面上的水动力,采用NACA 0015翼型模型。考虑到风筝在运动过程中,特别是在转弯过程中可能出现较大的功角,采用曲线拟合方法,将翼型曲面引入升力曲线,仿真得到作用在风筝副翼上水动力的升力特性,进而建立风筝副翼的升力模型。

作用在风筝副翼上的阻力包括寄生阻力和诱导阻力两部分

作者应自留底稿，采用与否一律不退稿。向本刊投稿者，视为自愿遵守以上约定。来稿请用电子邮件发送到本刊信箱(E-mail：linyekeji@vip.tom.com或Linyekeji@163.net)。本刊地址：350012 福州市新店上赤桥35号；联系电话：0591-87911427；网址：http：∥fjlk.chinajournal.net.cn；http∥fjlykj.periodicals.net.cn。

1.3 系绳和水轮机阻力模型

将系绳视作水下风筝的一部分,将系绳阻力转化为相应风筝面积阻力进行计算[12]

图3 系绳阻力模型图

Fig. 3 Diagram of tethered resistance model

式中,为分割点数。

由于系绳采用零浮力材料,作用在系绳的升力可忽略不计。

建立水轮机的阻力模型

结合式(3)～(5)可得作用在系绳水下风筝系统的有关参数

1.4 水轮机功率输出模型

建立水轮机的功率输出模型,功率输出因子[12]

水轮机的瞬时功率输出

由式(10)可知,水流发电输出功率与相对运动速度的3次方成比例,由于发电装置与水流相对运动速度较低,使得深海低速流海域发电功率也较低。

1.5 工作条件

系绳水下风筝系统一般工作于200～1000 m范围的海域,由于自身控制能力较弱,其正常工作时需要海流速度和方向比较稳定。为了提高发电总能量,通常水下风筝系统体积较大,系绳较长,在布放和回收时需采用专门的机构装置。

2 仿真分析

使用建立的系绳水下风筝系统模型及表1仿真初始条件输入参数进行仿真分析。

表1 仿真初始参数

文中提出的系绳水下风筝系统最大优势是,在水下海域条件下,在系绳以及预置舵角的作用下,水下风筝能够以较高的速度按照“8”字形运动。由图4可知,在上述仿真条件下可实现水下风筝在水下三维空间的“8”字形循环运动轨迹,说明文中方法具有基础可行性。

图5为仿真输出功率曲线图。对输出功率取平均值,可近似得到水下风筝系统平均发电功率(净输出功率)约为100 kW,可达到预期水平。

由Loyd提出的水下风筝运动速度计算公式可知[13]

图4 系绳水下风筝三维运动轨迹

图5 水轮机输出功率曲线

由图6可得,水下风筝在运动过程中升阻比值最大可接近3.0左右,由式(13)计算可得系绳水下风筝运动速度达到当地水流速度的2倍以上。在平均水流速度较低的水下海域,通过设计水下风筝合适的升阻比,可以提高发电装置与水流的相对运动速度,进而增加发电输出功率。

图6 系绳水下风筝升阻比曲线

3 结束语

文中提出了一种适用于水下海域的基于系绳水下风筝系统的发电方法,对水下风筝系统进行了数学建模与仿真分析。仿真结果表明,该方法通过设计水下风筝合适的升阻比,可以提高发电装置与水流的相对运动速度,进而增加发电输出功率,对下一步实物样机设计和改进提供参考。文中所采用的系绳水下风筝系统结构简单、新颖,工作时间长,能源转换效费比高,重点解决了传统固定式水轮机发电方法在水下海域发电输出功率低的难题,为今后充分利用水下能源提供了一种可靠、高效的方式。

[1] 田文龙. 基于水下系留平台的海流能发电装置关键技术研究[D]. 西安: 西北工业大学,2016.

[2] 黄高扬,田应元. 一种水下海流能发电装置研究[C]//中国海洋可再生能源发展年会暨论坛. 北京: 国家海洋技术中心,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] 田文龙,宋保维,毛昭勇. 水下航行器海流发电装置叶轮的数值仿真[J]. 上海交通大学学报,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] 林勇刚,李伟,刘宏伟,等. 水下风车海流能发电技术[J]. 浙江大学学报(工学版),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] 张宗涛. 一种潜水潮汐海流发电站: 中国,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,温志文,杨智栋,等. 一种基于系绳水下风筝系统的发电方法[J]. 水下无人系统学报,2021,29(4): 483-487.

2020-06-04;

2020-07-10.

程文鑫(1977-),男,博士,高级工程师,主要研究方向为装备系统综合保障设计、分析与评价.

(责任编辑: 杨力军)