CN103267623B - 一种潮流能流场数据收集装置及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种潮流能流场数据收集装置及其应用方法。第一支撑横杆固定于水槽上，第一支撑横杆上设置扭矩传感器，第一支撑竖杆一端与扭矩传感器固定连接，另一端与多孔圆盘固定连接；多孔圆盘包括第一圆盘、第二圆盘和置于两者之间的可动圆片，可动圆片上设置圆柱凸块，圆柱凸块与第一圆盘一侧设置的导轨匹配；第一圆盘和第二圆盘上的对应位置设置圆孔，第一圆盘和第二圆盘通过螺栓连接；第二支撑横杆固定于水槽上，第二支撑竖杆一端与第二支撑横杆固定连接，一端与流速测量仪固定连接。本发明可以调节提取率来研究潮流能发电，便于野外应用。

Description

一种潮流能流场数据收集装置及其应用方法

技术领域

本发明涉及一种潮流能流场数据收集装置,尤其是涉及一种可调节提取率的潮流能流场数据收集装置。

背景技术

从发电原理上看，发电机装置布置后必将对水流的运动产生一定的阻碍作用，特别是下游将会出现一个比自由流动流速减小的区域。由此看来潮流能并不能无限开发，过度开发将会对整个海域的水动力环境产生很大的影响。而水动力环境的改变将会改变周围海域的沉积环境、生物栖息环境、生态环境等，对周围海洋功能也有很大的影响。由于实际应用中，为获得规模效益，潮流能发电机往往是成群布置，而布置过程中需要考虑地理位置、潮流能密度、水深条件、布置方式、开发成本等因素的影响；不同的布置情况会对周围海域的水动力、冲淤等环境产生不同影响，同时这些又制约着开发的效益，这些问题的妥善解决离不开对潮流能发电机周围水流运动规律的正确认识。而在强潮海域人类活动和工程作业较少，缺乏完整充分的流场数据，从保护海洋环境、提高开发效益等角度，迫切需要一种潮流能流场数据收集装置。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可调节提取率的潮流能流场数据收集装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种可调节提取率的潮流能流场数据收集装置，包括水槽、扭矩传感器、多孔圆盘、流速测量仪、第一支撑横杆、第一支撑竖杆、第二支撑横杆、第二支撑竖杆，第一支撑横杆固定于水槽上，第一支撑横杆上设置扭矩传感器，第一支撑竖杆一端与扭矩传感器固定连接，另一端与多孔圆盘固定连接；多孔圆盘包括第一圆盘、第二圆盘和置于两者之间的可动圆片，可动圆片上设置圆柱凸块，圆柱凸块与第一圆盘一侧设置的导轨匹配；第一圆盘和第二圆盘上的对应位置设置圆孔，第一圆盘和第二圆盘通过螺栓连接；第二支撑横杆固定于水槽上，第二支撑竖杆一端与第二支撑横杆固定连接，一端与流速测量仪固定连接。

所述的潮流能流场数据收集装置的应用方法，根据现有流场密度ρ、人们期望的潮流能设备或需要研究的现有潮流能设备参数，包括额定功率P、转子直径φ、额定流速v，得到数据收集设备中圆盘参数r₁、r₂、r₃及其可动圆盘调节角度，测得设备下游流速v_de和扭矩T，得到尾流范围和强度。

所述的下游流速v_de和扭矩T测量方法如下：将多孔圆盘中间固定用的螺栓松开，调节可动圆片的位置而改变孔隙率，进而改变相应的潮流能提取率；将螺栓拧紧后开始流场数据收集，通过扭矩传感器测量受到的扭矩T，并通过流速测量仪来测量下游流速v_de。

本发明的有益效果是，提供了一种潮流能流场数据收集装置及其应用方法，通过调节提取率来研究潮流能发电。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的第一圆盘结构示意图；

图3是本发明的第二圆盘结构示意图；

图4是本发明的第一圆盘上的可动圆片打开时的结构示意图；

图5是本发明的第一圆盘上的可动圆片关闭时的结构示意图。

图中：1-水槽；2-扭矩传感器；3-多孔圆盘；4-流速测量仪；5-第一圆盘；6-第二圆盘；7-导轨；8-可动圆片；9-圆柱凸块；10-第一支撑横杆；11-第一支撑竖杆；12-第二支撑横杆；13-第二支撑竖杆；141、142、143为不同孔径的圆孔。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施方式：

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种可调节提取率的潮流能发电机实验模型，包括水槽1、扭矩传感器2、多孔圆盘3、流速测量仪4、第一支撑横杆10、第一支撑竖杆11、第二支撑横杆12、第二支撑竖杆13，第一支撑横杆10固定于水槽1上，第一支撑横杆10上设置扭矩传感器2，第一支撑竖杆11一端与扭矩传感器2固定连接，另一端与多孔圆盘3固定连接；多孔圆盘3包括第一圆盘5、第二圆盘6和置于两者之间的可动圆片8，可动圆片8上设置圆柱凸块9，圆柱凸块9与第一圆盘5一侧设置的导轨7匹配；第一圆盘5和第二圆盘6上的对应位置设置圆孔14，第一圆盘5和第二圆盘6通过螺栓连接；第二支撑横杆12固定于水槽1上，第二支撑竖杆13一端与第二支撑横杆12固定连接，一端与流速测量仪4固定连接。

实施实例

选取具有开发潜力的水域，收集、测量该水域的水文特性，主要包括：流速v、流向、水位h、密度ρ等。对于流速，一般来说，大于1.0m/s的水域才有开发价值，现有潮流能发电装置最小流速范围为0.7m/s-1.0m/s，额定流速范围在1.5m/s-3.5m/s,密度ρ为1000kg/m³。现阶段由于技术和经济条件，潮流能设备被安装在相对靠近海岸的水域，一般水深在30m-40m，在这样的水深下，人们期望的转子直径φ为10m-15m，示例中选用水深h为40m，。目前潮流能发电装置的主流额定功率在MW级别，例如英国LunarEnergy公司的RTT和加拿大CleanerCurrentPower公司的CleanerCurrentTurbine等。示例中我们选用CleanerCurrentTurbine,其对应参数为：额定功率1MW，转子直径φ17m，额定流速v为2.65m/s。

能量提取率为提取的能量与可以提取的能量之比，提取率为

$C_p=\frac{P}{1/2\mathrm{\ρ}{\mathrm{sv}}^3}---\left(1\right)$

其中C_p为提取率，P为额定功率，ρ为水密度，n为水轮机数，s为转子叶片扫过的面积，v为流速。

S=π(d/2)²（2）

得到提取率为0.47。

根据能量关系，由如下关系式：

0.47*E₁=E₂（3）

其中E₁为能量提取前的动能，E₂为能量提取后的动能，可得到能量提取后流速v₂为1.82m/s。

根据动量守恒，提取处流速为：

u=v+v₂/2（4）

得到流速u为2.2m/s

由公式

P=Fu（5）

其中P为额定功率，F为推力，u为装置处流速，得推力为F等于454545.5N。

由水流的推力公式

F=ρs₁u²（6）

其中F为推力，ρ为水的密度，s₁为垂直于水流方向的实际阻力面积，u为水流速度，得到面积s₁为94m²。

孔隙率

$k=1-\frac{s_1}{S}---\left(7\right)$

得到孔隙率k为0.58。

为了使得水流均匀对称，过水孔14尽量对称分布，除去中心的螺栓连接孔，用来控制孔隙率的过水孔14分三组，最外层第一组14（1）*12个、中间层第二组14（2）*6个、最内层第三组14（3）*6个，如图3所示，设三组圆孔对应的半径大小分别为r₁、r₂、r₃。那么应该有如下关系

S-s₁=12πr₁ ²+6πr₂ ²+6πr₃ ²（8）

其中第二组14（2）为可调节，由试算法得到r₁、r₂、r₃分别为1.6m、0.6m、1.3m，此时流水孔可调节面积范围为128-135m²而需要的为133m²，可满足要求。根据几何关系通过调节可动圆片8把过水孔面积调至133m²。

根据测量的力矩可以得到真实的水流推力：

T=F₁l（9）

其中T扭矩传感器测得的扭矩值，F1为测得的水流推力，l装置中心到扭矩中心的距离。

推力系数为：

$C_T=\frac{F_1}{F}---\left(10\right)$

C_T为推力系数，反映水流与设备作用的理论与实际的差值，F₁为测得即实际受到的水流推力，F理论水流推力。

至此，设备各参数可以确定，将其安装在流场中，用流速测量仪测量设备下游的流速，水流会在该设备下游形成一个圆锥形状的尾流v_de，得到潮流能提取设备的影响范围。例如在其下游10倍直径φ处有人工渔场，而得到的设备影响范围为20倍直径φ，那么该地点建立潮流能发电厂就有待讨论；为了充分利用资源，需要成组安装潮流能发电机，但是为了使得单个发电机发挥最大效率和单位面积上安装最大数量的发电机，就需要合理布局，优化发电机之间的间隔距离，则可以通过该设备和该设备组合试验得到，测得其影响范围和程度来决定合适的布局方式；此外，该设备可用于对于安装地形、安装高度、安装范围、水文特性、环境影响等综合效益和后期影响进行测试评估。这样既不用制作真实一比一原型机又能得到相对精确、合理的结果和方案。

在具体的操作中，把多孔圆盘3中间固定用的螺栓松开，按照不同的孔隙率的需求，调节可动圆片8的位置而改变孔隙率，进而改变对应的潮流能提取率。将螺栓拧紧后开始相关的测试，通过扭矩传感器2测量受到的扭矩，并通过流速测量仪4来测量水的流速。

以上所述仅为本发明的一个具体实施方式，不构成对本发明的任何限制。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种潮流能流场数据收集装置，其特征在于，它包括水槽(1)、扭矩传感器(2)、多孔圆盘(3)、流速测量仪(4)、第一支撑横杆(10)、第一支撑竖杆(11)、第二支撑横杆(12)、第二支撑竖杆(13)，第一支撑横杆(10)固定于水槽(1)上，第一支撑横杆(10)上设置扭矩传感器(2)，第一支撑竖杆(11)一端与扭矩传感器(2)固定连接，另一端与多孔圆盘(3)固定连接；所述的多孔圆盘(3)包括第一圆盘(5)、第二圆盘(6)和置于两者之间的可动圆片(8)，可动圆片(8)上设置圆柱凸块(9)，圆柱凸块(9)与第一圆盘(5)设置的导轨匹配；多孔圆盘(3)上设置有多个水流孔(14)，第一圆盘(5)和第二圆盘(6)通过中心孔螺栓连接；第二支撑横杆(12)固定于水槽上，第二支撑竖杆(13)的一端与第二支撑横杆(12)固定连接，另一端与流速测量仪(4)固定连接。

2.一种如权利要求1所述的潮流能流场数据收集装置的应用方法，其特征在于，根据现有流场密度ρ、人们期望的潮流能设备或需要研究的现有潮流能设备参数，包括额定功率P、转子直径φ、额定流速v，得到数据收集设备中圆盘参数最外层圆孔的半径r₁、中间层圆孔的半径r₂、最内层圆孔的半径r3及其可动圆盘调节角度，测得设备下游流速v_de和扭矩T，得到尾流范围和强度。

3.根据权利要求2所述的潮流能流场数据收集装置的应用方法，其特征在于，所述的下游流速v_de和扭矩T测量方法如下：将多孔圆盘(3)中间固定用的螺栓松开，调节可动圆片(8)的位置而改变孔隙率，进而改变相应的潮流能提取率；将螺栓拧紧后开始流场数据收集，通过扭矩传感器(2)测量受到的扭矩T，并通过流速测量仪(4)来测量下游流速v_de。