如何设置活动部件：隐藏和显示组件后Step2

与使用可能会占用太多空间的昂贵水坝不同，另一种方式是利用潮汐流的水平流量。在这种方式中，使用无约束运动的潮汐流的动能来驱动水轮机，而不是使用水坝，这类似于风力发电的方式。在这种结构中，采集的是运动潮汐流的能量，而不是在大坝上收集落潮水并利用它的势能。

3.3.3.1 潮汐能发电技术的能源计算

图3.39给出了一个潮汐水轮机的原理图模型。一个潮汐水轮机模型的理想动能可以计算为

图3.32 转子转速

图3.33 转子转速偏差

式中 V——水流速度；

m——水的质量，即

m=pv （3.16）

式中 ρ——海水密度（约为1022kg/m³）；

v——水量。

图3.34 发电机电压

图3.35 水轮机机械功率

因此，动能可表示为

对于通过截面积为A的转子的水的质量，理想的功率可以表示为

图3.36 导叶门开度

图3.37 发电机有功功率

考虑到水轮机的效率，该功率可以表示为

式中 P_T——由转子产生的功率（W）；

图3.38 发电机输出电压

A——水轮机转子扫过的面积（m²）；

V——流速（m/s）；

C_p——水轮机的功率系数。

图3.39用于潮汐能发电的潮汐水轮机概念模型

在海平面和20℃时，干空气密度为1.2 kg/m³，海水密度约为1022 kg/m³。假设潮汐流速是风速的1/5，在同等的额定功率下，潮汐水轮机的转子直径将会是风力发电机的一半。

功率系数C_p是可以从流过水轮机的海水中提取的功率的百分比。贝兹的研究结果表明^[18]，能够从水流中提取的最大功率约为59%，这也就是所谓的贝兹（Betz）极限。

作用于转子的推力可以表示为

因此，转子上的理想最大转矩为

式中 R——转子半径。

转子产生的实际转矩与理论转矩之间的比率称为转矩系数（C_T），由下式给出：

转子转速与水流速度之比称为叶尖速比（TSR）（λ），由下式给出：

式中 ω——转子角速度。

无论是转子的功率系数还是转矩系数都取决于叶尖速比。根据式（3.19）可得

用式（3.24）除以式（3.22），可得

因此，TSR（λ）等于功率系数（C_P）和转矩系数（C_T）之比^[19]。C_T是β的函数，β为变桨角，所以C_P是λ和β的函数。因此，功率系数是λ和β的函数。

3.3.3.2 用于潮汐发电的潮汐水轮机

为了采集潮汐流的能量，需要使用能量转换系统将水流的动能转换成机械系统的运动，该机械系统可以驱动发电机。一般来说，这些设备可以分为三大基本类型（见图3.40）：水平轴系统；垂直轴系统；线性升降系统。

3.3.3.2.1 水平轴水轮机

获取潮汐流能量的一种简单方式就是使用水平轴潮汐水轮机，它们类似于水平轴风力发电机，其发展历史已经超过30年。(www.xing528.com)

水平轴潮汐水轮机具有若干叶片，环绕着一根朝向潮汐流流动方向的主轴。叶片与主轴之间有一个轮毂，将采集的潮汐流能量传输并转换成转动能量。该轮毂主要是为了适应桨距控制，以便使叶片朝向潮汐流的最佳方向。变速箱是水平轴水轮机系统常用的另一个重要组件。齿轮将水轮机轴的低转速提高到发电机轴所需的运行速度，而发电机则将机械转动能量转换成电能。下面将介绍若干基于水平轴水轮机的潮汐能发电工程。

图3.40 三个潮汐水轮机的基本类型

a）水平轴系统 b）垂直轴系统 c）线性升降系统

图3.41　E-tide水轮机

1.哈默菲斯特斯特罗姆的E-Tide工程（Hammerfest Strom’s E-Tide Project）如图3.41所示，所谓的Blue或E-Tide Concept由哈默菲斯特斯特罗姆于2003年提出。该工程实现了一台300kW的样机测试，其输出能量估计约为0.7GWh/年。现在，正在设计输出能量更大的第一代商业发电站。它由钢管和重力地基组成，高达20m，重达200t。

2.英国MCT公司的SeaGen和Seaflow水轮机

图3.42所示为英国MCT公司研发的一种潮汐水轮机，称为SeaGen。它的旋转转子安装在一个直径为2.1 m的固定钢桩上，该桩底部打入海底，而且高度足以让其顶部高出海面。它们可以被物理抬升超过海平面，以供维护或者修理之用。

图3.42 安装于斯特兰福特湾（Strangford Lough）的SeaGen水轮机 （引自Seaflow and SeaGen Turbines，Marine Current Turbines Ltd.，网址：http：//www.marineturbines.com，2008年3月）

它的叶片从轮辋中心到叶尖总长7.5m（24.6ft）。该水轮机的最佳工作点为近海4～5.5mph的潮汐流速。在这个速度时，该发电场水域中的每个水轮机都可以产生300kW的额定功率。这是一台叶片长30m（98.5ft）的风力发电机的发电量。潮汐发电场的理想地点是靠近海岸水深20～30m（65.5～98.5ft）处。

如图3.43所示，SeaGen是MCT研发的另一款水轮机系统。根据MCT的报告，SeaGen是世界上第一个达到商业规模的潮汐能水轮机，它将被安装在北爱尔兰。它与Seaflow的最大区别在于，每台SeaGen水轮机都有两个安装在流线型机翼连接臂上的转子，它们也可以被物理抬升超过海平面，以供维护或者修理之用。

每个传动系都由一个转子来驱动，传动系由一个变速箱和一个额定功率约为500kW的发电机组成，所以每个SeaGen的额定功率均为1mW左右，约为Seaflow功率的3倍。

3.月球能源公司（The Lunar Energy）的水轮机

图3.44所示为月球能源公司研发的另一种水平轴水轮机结构。在这种设计中，一个双向水平轴水轮机被放置在一个对称管道中，该管道通过重型底座固定至海床上。

图3.43　SeaGen水轮机发电场 （引自Seaflow and SeaGen Turbines，Marine Current Turbines Ltd.，网址：http：//www.marineturbines.com，2008年3月）

图3.44 装备水平轴水轮机的发电系统Rotech Tidal Turbine （引自Rotech Tidal Turbine（RTT），Lunar Energy.，Harnessing Tidal Power，网址：http：//www.lunarenergy.co.uk/）

容纳发电机模块和水轮机的盒体可以移动。当需要维护时，可以将它提升至海面之上。

管道设计如图3.45所示，它能够收集大面积的潮汐流并通过一个较窄的通道加速潮汐流速，而且在潮汐流偏航高达40°时仍然可以运行，因而无需偏航控制。这样就保证了结构简单，而且具备成本效益。

图3.45 涵道式水轮机截面图

4.Tidal Stream Energy的半潜式水轮机

该系统是专为水深60m的彭特兰湾设计的，彭特兰湾将奥克尼群岛与英国苏格兰北部的凯斯内斯隔离开来。该系统最新设计图如图3.46所示，它依靠重力基座锚定。4个20m的转子的额定总输出功率为4mW^[3][22]。

在这种半潜式水轮机（SST）的设计概念中，易于维护被视作关键特性之一。旋臂被铰接在主柱形浮标的顶端。需要维修时，先将主浮标箱内的海水泵出，然后开始旋转旋臂，同时转子将会上升，直到它们到达海面上一个稳定位置为止。这个过程如图3.47所示。

图3.46 半潜式水轮机 （引自Semi-Submersible Turbine，TidalStream Limited“The Platform for Tidal Energy，”，网址：http：//www.tidalstream.co.uk/）

图3.48给出了半潜式水轮机与额定功率相同的海上风力发电机的比较。根据Tidal Stream Energy的资料^[22]，本图中的半潜式水轮机系统处于60m水深，水轮机位于25m水深处以供海上应用。半潜式水轮机的每个转子直径均为20m，而其发电量约等同于转子直径为100m风力发电机组在常见的10m/s风速下的发电量。风力发电机组所需的重力基座比潮汐水轮机要高出25%，它必须处理较高的直接负载，而不是更大的倾翻力矩。

图3.47半潜式水轮机移位至维护位置 （引自Semi-Submersible Turbine，TidalStream Limited“The Platform for Tidal Energy，”，网址：http：//www.tidalstream.co.uk/）

a）海水开始被泵出水轮机主体 b）旋臂开始旋转 c）转子上升到海面 d）转子到达海面上的稳定位置

3.3.3.2.2 垂直轴水轮机

如图3.49所示，水平轴水轮机可以利用潮汐的双向流动，这需要一个更加复杂的双向发电机。

垂直轴水轮机是双击式水轮机，其轴垂直于水流的轴线。垂直轴水轮机的概念起源于早期的打蛋器型（Darrieus）风力机——一款数十年前开发的风力发电机。与水平轴水轮机相比，垂直轴水轮机能够利用来自任何方向的潮汐流，它不仅有利于双向采集能量，而且还能够充分利用整个潮汐椭圆^[23]。

1.Blue Energy公司的垂直轴水轮机

参考文献[24]介绍了Blue Energy公司研发的一种垂直轴水轮机系统。在这种设计中，4个固定的水翼式叶片连接到一个转子上，该转子通过变速箱驱动一台发电机。变速箱和发电机位于顶部，高于水面，以便于接触。每个水轮机预计将有大约200kW的输出功率。该功率通过埋入海洋沉积物中的潜藏直流电缆，传输给电能落点，供沿海城市使用，并与大陆电网连接。

图3.48 半潜式水轮机与额定功率相同的风力机的比较 （引自Semi-Submersible Turbine，TidalStream Limited“The Platform for Tidal Energy，”，网址：http：//www.tidalstream.co.uk/）

图3.49 双向水平轴水轮机运行图

对于大规模发电来说，可以将更多的这种水轮机串联在一起，通过一个海洋通道或者入口来构建一个潮汐栅栏，以获取更多的潮汐能量^[4]，参考文献[24]对此也有介绍。

Blue Energy公司提议在菲律宾的圣伯纳蒂诺海峡建造一个2.2 GW的潮汐栅栏工程^[24]。不过，由于政治和资金问题，这个2.8亿美元的项目仍处于搁置状态^[24]。

除了并网应用外，商业性潮汐栅栏技术预期还适用于没有电网供电的岛屿以及其他边远地区^[25]。它们有可能在世界上具有中度潮汐流的许多地区提供一种可预测的接近连续的电力来源。

2.Gorlov公司的螺旋式水轮机

Gorlov公司的螺旋水轮机（GHT）是另一种类型的垂直轴水轮机。在GHT的结构中，两个、三个或者更多的翼式叶片沿着轴线随着一个螺纹状的圆柱面旋转，如参考文献[26]所示。

GHT可以从流速低至1.5m/s的水流中产生能量。它解决了直翼的振动问题，也非常高效。它可以自起动，而且还可以在与水流垂直或水平的方向上安装^[27]。在一个标准的GHT（直径1m，长2.5m）中，水流速度为1.5m/s时，额定功率为1.5kW，当水流速度达到7.72 m/s时，额定功率则为180kW。

3.KOBOLD水轮机

自2001年以来，由Ponte di Archimede公司开发的ENERMAR发电站，已在意大利墨西拿海峡离岸150m（490ft）、水深18～25m（59～82ft）左右处下海锚定。它使用四个混凝土锚块和锚链固定。Ponte di Archimede公司提供的数据表明，该电站可以从流速仅为2m/s（4节）的海水中获取25kW的能量，而且每年可以生产22000kWh左右的电能。

这个系统使用了KOBOLD水轮机。它不仅可以不依赖于水流方向旋转，而且还具有很高的转矩，这使它能够在苛刻的条件下无需激励设备实现自发起动。在这种水轮机中，三叶片转子被安装在一根垂直轴上。

3.3.3.2.3 线性升降设备

图3.50 安装在海床上的Stingray （引自Engineering Business Ltd.，UK，“Stingray tidal stream generator，”，网址：http：//www.engb.com，2008年3月）

Stingray是一种将潮汐能转化为电能的设备。它安装在海床上，含有一架转臂上装有可变桨叶的水中飞机。潮汐流流过水轮机时，施加了一个合力。Stingray由Engineering Business公司研发，如图3.50所示。它的水上飞机接近水流时有一个攻角，该攻角可以使用一个简单的机构来改变。这将导致支臂振荡，从而带动液压缸伸缩运动^[29]。这样就会产生高压油来驱动液压马达，该液压马达又与一台发电机交叉耦合^[29]。Engineering Business公司具有一个Stingray潮汐流发电机的设计、建造、测试以及安装的海上全面示范项目。