風車式水輪機

在淺海、海峽、海灣或河口一帶，漲潮與退潮會引起較強的潮流，水流速度較高，可直接利用潮流前進的動能來推動水輪機發電，方法類似於風力發電機，稱之為潮流發電機，由於這種水輪機外形如風車，也叫風車式水輪機。風力機可用的形式基本上都可用於潮汐動能發電，比較典型的的是採用與水平軸風力機相似的結構與原理。

基本介紹

• 中文名：風車式水輪機
• 外文名：Tide turbine
• 別名：潮流水輪機，潮流發電機
• 套用：潮汐發電

機構介紹

潮流能發電裝置主要分為兩種形式，根據潮流流向與裝置轉動軸的位置關係，潮流能獲能裝置可以分為水平軸水輪機和垂直軸水輪機。水平軸水輪機轉軸與流向平行，最早在風車中使用，利用葉片截面翼型的升力效應，產生推動葉片旋轉的力矩，把葉片的旋轉動能轉變為發電機電能。水平軸水輪機由於其結構特性，運行平穩，穩定性較好，有較高的效率；垂直軸水輪機轉軸與流向垂直，原理與水平軸水輪機相似，可適應不同來流方向的水流，自適應強。

類型特點

敞水型水平軸槳葉潮流發電裝置

如圖是一種潮汐動能發電機示意圖，與順風式風力機工作原理相同，也叫槳葉式潮流發電機。轉輪的葉片與風力機類似，由於水的密度約為空氣的800多倍，相同功率下的葉片面積與長度可大大縮小，不過潮汐水流速一般沒有風速快。葉輪通過增速齒輪箱與發電機連線，一同安裝在機艙內，機艙安裝在支柱上，可繞支柱旋轉，支柱固定在海底,屬坐底式安裝。水流推動葉輪旋轉，並保持葉輪面與水流方向垂直。由於葉輪在敞開的水中旋轉，屬敞水式結構。

敞水型水平軸槳葉潮流發電裝置

槳葉式潮流發電機可安裝多個組成潮流發電站，右圖是六個槳葉式潮流發電機的水下模擬圖。

水下的槳葉式潮流發電機

槳葉式潮流發電機在國外已有成功的產品，比較典型的是英國研製的一種槳葉式潮流發電機，為“SeaGen”，形似倒置的風車，由一對渦輪組成，每個渦輪直徑20米，容量1200千瓦。渦輪安裝在柱樁上，柱樁固定在海底。如圖是該潮流發電機的圖片。

一種下風式安裝的槳葉式潮流發電機效果圖

SeaGen

擴張型渦輪潮流發電裝置

把葉輪安裝在水平擴張導流管內，擴張導流管在風力機中稱為擴散器，利用導流管對水流進行加速，可明顯提高葉輪的輸出功率。葉輪由多個葉片組成，這是一種導流管增速渦輪機結構，或稱為導流管增速水輪機，如圖。

擴張型渦輪潮流發電裝置

圖中淺藍色箭頭線表示水流走向，水流推動發電機發電，渦輪機採用雙向對稱結構，反方向水流同樣推動發電機發電，適用於潮流發電。導流管增速渦輪發電機可安裝多個組成潮流發電站。

導管渦輪式潮流發電機在國外也有成功的產品，圖6是在加拿大已商業化套用的渦輪發電機，機組功率1000千瓦，重400噸。從圖中看這是直驅式導管渦輪發電機，直驅發電機的定子安裝在導管內壁，發電機轉子安裝在轉輪葉片的外緣。

直驅式導管渦輪發電機（圖片來自網路）

潮流發電機一般直接固定在海底，可避免颱風的破壞，也可採用漂浮式結構。利用潮流前進的動能來推動水輪機發電不用建堤壩與相關設施，投資少，不影響生態環境，但渦輪的面積比起潮流的截面是很微小的，所以對整個潮汐能的利用率非常低，要求潮汐要形成足夠的水流速度來保證發電量。

發展前景

潮流能作為一種儲量豐富、無污染、低能耗的新能源已被我國列為戰略性新能源。

據專家介紹，當前潮流能的度電成本還不能完全估計，目前海洋能的度電成本大約為2元，但是除去陸電供應時鋪設電纜的高額成本，預計可將海島居民度電價格控制到1元左右。根據目前海洋能發電裝置的規模套用技術的發展情況來看，預計到2020年，我國將可能具備10MW以上的發電機，屆時海洋能度電成本將可以降低到2元以下;而到2050年，整個度電成本有望降到1元以下。這不僅讓海洋能的度電成本無限接近於“陸電”的價格，而且將最終促成海洋能產業化的形成。

我國的潮流能項目起步較晚，其中制約因素是科研和設計水平，與潮流能裝置相關的基礎理論、物理模型試驗和工程技術套用等研究也同國外存在著較大的差距，在工程套用等領域的研究甚至是空白。這些差距受到水輪機組成本、製造加工、運輸安裝等方面的制約，這都將使我國潮流能水輪機組的研究和製造能力日益落後於國際先進水平，從根本上來說不利於我國潮流能事業的發展。風力發電的今天就是潮流能發電的明天，潮流能水輪機的工程化套用較風力發電成本高、難度大，但是勢在必行。