摘要：随着对以可再生资源为基础的电力生产的需求日益增加，使得有效地利用现有资源变得极为重要。潮汐和洋流都会周期性的移动大量的水，这些水携带着大量的动能，可以用来生产能源。但到目前为止，由于潮汐和洋流的速度相对较慢，现有技术很难直接利用潮汐和洋流发电。本设备依据相对运动的原理，利用机翼形运载体携带涡轮发电机在水流中运动发电。工作时设备主体的机翼利用自身浮力和水流作用在上面的升力使主体在水中漂浮，设备内部放置传感器测定缆线倾角、缆线拉力、机翼倾角以及水流流速等物理量，调节机翼倾角使设备在预先规划的形似“8”字形的路径上运动。该设计能有效的提高低流速的潮汐、洋流等的发电利用效率，改善原有利用潮汐、洋流发电的设备的发电功率不稳定的问题，更好地利用潮汐、洋流等这一新能源动力。
关键词：低流速；潮汐；洋流；涡轮发电；相对速度
一、研究背景及意义
由于化石燃料的过度使用，二氧化碳和其他温室气体进入大气，导致全球气温正在迅速攀升。科学家们认为若还是按照这种情况发展下去将会出现严重后果，所以要避免灾难性气候变化，缓解环境污染，需要尽快停止消耗化石燃料，从可再生能源中获取电力，
潮汐和洋流提供了一种可预测、来源可靠的能量源，该能量源可用于产生电能。我国现有的利用洋流或者潮汐高低潮差推动涡轮叶片旋转发电的设备多为固定在水下的涡轮机，外形类似于风力涡轮机，其叶片在洋流中旋转发电。然而,稳定的水流驱动发电设备系统的缺点在于通过特定尺寸的单个涡轮机产生的电能量小，极大地降低了发电效率，并且无一例外都会受到所处位置水流速度的限制。
本设备于“环保”的基础上进行创新，在保证污染最小化甚至零污染的前提下，有效的利用潮汐、洋流产生的能源发电，并且可以根据不同的条件采用不同的控制方式，使设备能适应更加复杂的水下环境。据计算可知，理想条件下，扫掠面积相同时，运载体携带的涡轮发电机产生的功率是固定涡轮机的151.8倍，由此可见，相较于固定式发电设备本设备更加灵活且高效。与此同时，其采用主动、被动相结合的控制方式使得作用范围更加广泛，优化了功率输出情况。
图1 现有的水下固定式发电设备与本设备（左一）的比较
二、设计方案
1.设备结构及控制方式
1.1总体结构
水下流驱动运载体发电设备，主体由主体翼、涡轮发电机舱、控制翼结构组成，主体通过支柱与系缆连接，系缆通过固定结构固定在水底。
图2 设备透视图 （左）与设备渲染图（右）
1.2运载体的两种控制方式
本设备采用两种不同的方式控制运载体在水流中的运动状态：被动控制和主动控制。
（1）被动控制
被动控制即设备利用自身的运动规律，会在合适的水流速度范围内做往复运动，这种方式的控制使设备的运动轨迹与“8”字形相似，可以得到预期的设备运动效果。被动控制适合在适当的水流速度范围内使用，并且设备结构简单，制造成本低；当设备运行故障时便于维修；最重要的是被动控制不需要额外的能量消耗。
（2）主动控制
当设备处于不适合被动控制的环境中时，则需要主动控制。主动控制由感知系统和控制中心组成，当水流速度处于被动控制范围外时，根据感知系统测得的各个部件的物理信息，传输至控制中心，根据预先设定好的程序，可以主动调节主体翼的迎角、控制翼的偏角等，使设备在预先设计的轨迹上做比较精确的运动。主动控制主要适合在水流速度较高或较低时使用，这种控制方式的运动轨迹已知且便于控制；还可以根据不同的情况调节运动轨迹，根据实际需要功率优化设备功率输出。
2.系统设计原理
2.1设备运动原理
本设备外形似飞机机翼，主体翼剖面形状如下图所示：
图3 主体翼剖面形状
机翼上表面前后两点之间的距离大，下表面前后两点之间的距离小，设备能在水中运动的原理与飞机航行相同，根据伯努利积分：
由公式可以得到，能量与速度的三次方成正比，表明速度沿轨道在任意时刻的小幅增加会使得在该时刻的输出能量或电力输出大幅增加，为使设备发电效率提高，便要提高速度v。经验证，当设备运动轨迹为“8”字形时，可使速度v提高150倍以上，极大地提高了发电效率。
三、创新特色
（1)运载体被设计成通过利用作用在机翼上的合成力来增加运载体的速度，可以将此类型设备的发电效率提高至少100倍以上；
（2)设备运动范围可以调节，能更好的利用不同深度的水流流动的能量；
（3)设备控制方式分为两种:主动控制和被动控制，两种控制方式的结合使设备能在更加复杂的环境中运行，使设备能够在全球更大范围内推广；
（4)普通相似的水下发电设备输出功率难以优化，本设备可以通过主动控制实现功率输出的优化控制。
四、应用前景
（1)海洋平台、孤岛等都远离发电场所，经济性上难以实现电力传输，但是此类环境一般都有洋流存在，能使用本设备为之提供电力。
（2)全球新能源发电崛起，各国纷纷出台了鼓励新能源发展的措施，促进了风电、光伏、海洋能等新能源的发展。
（3)海洋能在能源结构占比低并且海洋能发电在总发电量占比同样较低，但海洋能由于拥有清洁环保的绝对优势，以及较大的成本下降潜力，未来的发展空间不可限量。
（4)我国仍然以煤电为主，替代空间大。当前，正处于能源替代的关键节点上，由于新能源成本逐步接近甚至低于传统能源，能源替代正在加速进行。
参考文献
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论文作者:谢萍 张雷 朱涛
论文发表刊物:《知识-力量》2019年10月44期
论文发表时间:2019/9/29
标签：设备论文; 洋流论文; 潮汐论文; 水流论文; 机翼论文; 速度论文; 水下论文; 《知识-力量》2019年10月44期论文;