基本信息
- 项目名称：
- 基于潮流能发电技术的海水淡化工程船
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目设计研究基于潮流能发电技术的海水淡化工程船，利用海洋中丰富的潮流能资源和海水生产并运输淡水资源，满足岛屿居民的生产和生活需要，发展岛屿经济。本设计研究所涉及的工程船先在潮流能丰富的海域抛锚固定，放下潮流能转换装置，利用潮流能发电，抽取海水进行海水淡化，最后将淡水运送至岛屿。项目研究成果将对解决海岛淡水资源不足问题具有重要的现实意义。
- 详细介绍：
- 21世纪是海洋的世纪，发展岛屿经济对我国经济发展尤为重要。但是，岛屿自身淡水和电力资源缺乏，严重制约了岛屿经济的发展。传统的解决方式是采用船舶从大陆装载淡水和电力运至岛屿。淡水和电力的生产、装载和运输过程能耗大，周期长，运量有限，生产、运输成本高。潮流能作为一种新型绿色可再生能源，具有能量密度高、可预测性强、蕴藏量丰富等特点，科学地利用潮流能资源可以有效的解决岛屿淡水和电力资源缺乏的问题，满足岛屿居民生产和生活需要，发展岛屿经济。 本项目研究的目的是概念设计研究一种装置，利用海洋中丰富的潮流能资源和海水生产并运输淡水和电力资源，满足岛屿居民的生产和生活需要，发展岛屿经济。本设计研究所涉及的淡水和电力的生产和运输装置为一种工程船，工程船先在潮流能丰富的海域抛锚固定，放下潮流能转换装置，利用潮流能发电，抽取海水进行海水淡化，最后将淡水和电力运送至岛屿。 水轮机是潮流能转换的核心装置，它的工作原理是通过叶片“吸收”潮流动能，并转化为扭矩驱动发电机工作。它的结构形式和水动力性能的优良程度在很大程度上决定着本项目的成本、效率及其运行的稳定性和可靠性。 大部分潮流能获取装置为旋转类水轮机，其中水平轴和垂直轴水轮机应用较多。垂直轴水轮机的旋转轴与水平面垂直，不受水流方向的影响，不仅减少了偏航机械系统的设计,还可以直接通过旋转轴将扭矩输出,减小机械传动损失。另外，由于漂浮式抛锚难免出现小幅的波动，并且海上潮流方向并不是标准规则方向的流向，故采用垂直轴潮流能水轮机有一定优势。本项目采用垂直轴直叶片升阻力型潮流能水轮机。 时至今日，潮流能发电并未商业化运营，其原因之一便是水轮机获能效率需要进一步提高，水轮机在恶劣的海况中不能稳定工作。发明出一种性能可靠、造价低廉的潮流能水轮机对于开发新型可再生资源—潮流能尤为关键。垂直轴水轮机利用叶片的升力和阻力做功，理论上能达到较高的获能系数，不受潮流方向影响。 但叶片倾角的控制有一定难度,为关键技术，直接影响到水轮机的效率和启动流速，且影响整个系统的稳定性。 控制叶片攻角的传统方法有摆杆式、连杆式、弹簧式。摆杆式和连杆式造价高并且机构复杂，导致以后故障率高，维修成本高，实际应用并不理想。弹簧式结构简单，省去了复杂的机械机构，但弹簧存在疲劳强度，长时间工作会损坏，必须定期更换。 针对以往叶片控制装置中存在的各种弊端，本项目提出一种非接触式控制装置—磁铁式控攻角装置。经试验验证利用磁铁之间的排斥力控制叶片攻角性能优于吸引力，只要适当调节磁铁之间的距离就可以实现叶片的控制。利用磁场控制叶片攻角，而不是传统复杂的机械结构，相比连杆式机构省去了复杂的结构，并且，磁铁相比弹簧很好地克服了机构的疲劳问题，使用寿命长，从而保证了水轮机能稳定的工作，维护和保养成本降低。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本项目研究的目的是设计研究出一种工程船来解决岛屿淡水和电力缺乏问题。基本思路为：工程船先在潮流能丰富的海域抛锚固定，放下潮流能转换装置，利用潮流能发电，抽取海水进行海水淡化，最后将淡水和电力运送至岛屿。 本项目有以下创新点： （1）利用了海洋中丰富的绿色可再生能源—潮流能生产电能，对电能就地消耗，既省去了电力长距离输送的高额成本，又解决了普通船舶运输周期长的缺点。 （2）利用磁铁控制水轮机叶片的攻角，相比连杆式机构省去了复杂的结构，并且磁铁性能稳定，提高了水轮机能量转换效率和工作稳定性，且加工制造成本低。 （3）工程船采用穿浪双体结构，有利于设备布置，有利于提高潮流水轮机发电性能，有利于提高船舶航行性能，使得工程船在恶劣海况条件下快速、安全的返回岛屿或内陆，以及应急条件下安全、快速的运输淡水。 （4）采用垂直轴水轮机作为潮流能转换装置，使得工程船利用潮流能发电时具有较好的流向适应性。 关键技术：潮流能发电技术，海水淡化技术，导流罩技术，锚抛系统稳定性，双体船技术。 技术指标：潮流能水轮机为新型磁铁式垂直轴潮流能水轮机。船体指标如下： 型长：1,8m 型宽：70cm 型深：35cm 吃水：12cm 片体长:1.5m 片体宽:15cm
科学性、先进性
- 传统的向岛屿输送淡水和电力方式是采用船舶从大陆装载淡水和电力运至岛屿。淡水和电力的生产、装载和运输过程能耗大，周期长，运量有限，生产、运输成本高。 根据资料统计计算，岛屿居民基本生活用水可取为110 L／人•d。如果一个岛屿按1000人算，则岛屿每年需要的淡水约为40150吨。如果让普通运输船为距离大陆港口约60海里的岛屿运送淡水，则运输船一年的耗油量至少需要消耗约100吨石油，并且淡水的生产和装载还会消耗的大量的能量。本作品如果设计为单机发电容量100Kw（现有技术可以实现）,一天工作10小时，投入实际工程中年发电量可达到365000 kW，其中，用于千人海岛海水淡化的耗电量约为160600 kW，生产和运输淡水耗电量约为110420kW。所以一年可以节约石油100吨以上，同时向岛输电93980kW。 本作品设计充分利用了潮流能这一绿色可再生资源，进行海水淡化、运输及电力生产，既减少了传统化石燃料的燃烧，又利用了新型绿色能源—潮流能。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年5月 大连理工大学举办的“东北五校（哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、大连理工大学、大连海事大学、大连海洋大学）船海文化节”中获得“概念组”第一名。 2010年12月 哈尔滨工程大学举办的省级比赛“TRIZ”杯大学生科创比赛中获得第7名。 2011年5月 哈尔滨工程大学举办的校级比赛“五四杯”中获得“二等奖”。 20011年4月 哈尔滨工程大学举办的校级比赛“节能减排大赛”中获得“三等奖”。 2011年4月 哈尔滨工程大学举办的校级比赛“水利大赛”获得前五名。
作品所处阶段
- 已经制作完成并做完了相关的实验。
技术转让方式
- 专利转让。
作品可展示的形式
- 实物、现场演示、图片、视频。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 我国是世界上人口最多的沿海国家，岸线漫长，海域辽阔，岛屿众多。发展岛屿经济尤为重要，如何向岛屿输送淡水和电力资源，满足岛屿居民生产和生活需要，成为发展岛屿经济的关键。本作品设计目的就是解决当前向岛屿输送淡水和电力资源，环境污染重、成本高、效率低的问题。作品可广泛应用于岛屿及沿海地区，为岛屿及沿海地区提供淡水补给，满足岛屿居民生产和生活用水的同时，降低运输船对能源的消耗，减小对环境的污染。 另外，潮流能蕴藏着巨大的能量，并且属于清洁无污染的可再生能源，我国又是潮流能资源丰富的国家，开发潮流能尤为重要。本作品中的一种新型的磁铁式控攻角升阻力型垂直轴水轮机设计新颖，结构简单、机构运行稳定，解决了当前垂直轴水轮机叶片攻角控制问题，可广泛应用于潮流能发电，为潮流能发电的商业化运营提供了切实可行的办法。
同类课题研究水平概述
- 目前，潮流能发电技术主要基于垂直轴水轮机发电和水平轴水轮机发电。考虑垂直轴水轮机的特点，本研究采用垂直轴水轮机发电。垂直轴水轮机利用翼型叶片的升力和阻力提取流体动能，并通过机械传动机构将流体动能转化成机械能，带动发电机发电，发展到现在主要有直叶片和螺旋形叶片两种形式。意大利的PDA公司对直叶垂直轴潮流发电水轮机进行了实验研究，并于2005年建立实验电站并网发电。美国Gorlov Helical Turbine对螺旋形叶片垂直轴潮流发电水轮机进行了实验研究。我国从上世纪九十年代末开始垂直轴直叶潮流发电水轮机的研究，目前在垂直轴潮流发电装置研发上取得如下进展： （1）70kW潮流实验电站“万向I”，由哈尔滨工程大学研制，于2002年1月完成，“万向I”和意大利的Kobold电站于同一时期建成，是世界上第一个漂浮式潮流能试验电站； （2）40kW潮流实验电站“万向II”，为哈尔滨工程大学研制的海底固定式垂直轴潮流能装置。装置研制得到国家科技部“十五”863计划的支持，2005年12月完成。 我国潮流能资源丰富，开展潮流能发电研究多年，并在哈尔滨工程大学、浙江大学、东北师范大学等高校取得一些研究成果。 目前，我国潮流能应用尚处在试验阶段，与国外准商业化阶段差距很大。
