海洋能和海洋资源的高效利用研究

海洋能通常是指海洋中所特有的依附于海水的可再生自然能源,包括:潮汐能、波浪能、海流(潮流)能、温差能和盐差能。除潮汐能和潮流能是月球和太阳引潮力的作用产生的以外,其他均产生于太阳辐射。由于海洋能是一种取之不尽用之不绝的可再生能量,但因其能量密度较低导致利用海洋能的费用高。如何高效利用海洋能是成功利用海洋能的关键。
      
该方向主要研究内容包括:
       
海水淡化与水电联产技术基础研究
       
海洋风浪流发电技术基础研究
       
海洋能转换透平机械优化设计及实验研究
      
近年来获得的主要研究成果有:
      
蒸汽热力压缩器(TVC)喷射过程研究与设备结构:TVC是低温多效蒸发海水淡化装置中的另一主要设备,它可充分利用蒸汽能量,大大降低海水淡化装置的蒸汽消耗。本实验室依托国家自然科学基金项目蒸气超音速流动中的非平衡相变与激波效应和中国博士后基金项目喷射器内部超音速流动中的相变现象研究等科研项目,对TVC内部蒸汽喷射过程的特殊物理现象——非平衡态、激波、相变及其相互作用进行了深入研究,揭示了气动激波与凝结激波、非平衡态相变等作用机理,解构了激波对非平衡状态的高速蒸汽的耗散效应。依托变结构可调式喷射器实验台,开展了TVC性能调节与结构优化的理论与实验研究,揭示了TVC内部产生的激波的结构特征与相变传热特性,深化了对喷射器结构设计及喷射器系统改进的研究。在本项研究中,还开展了TVC设计方法研究,完成的研究成果在万吨级低温多效海水淡化装置国产化技术开发项目等海水淡化方案设计中得以应用。

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超音速喷射过程中非平衡相变与激波效应

大型低温多效蒸发海水淡化装置技术开发:针对海水淡化装置技术研发中的问题,对其主要物理过程进行了深入研究,归纳出了大型多效蒸发装置中小温差、低流阻、高敏感、饱和态的物理特征。依托横管降膜蒸发器综合性能试验台、横管降膜蒸发器管束流动阻力试验台,完成了大量理论与实验研究,开展了水平管降膜蒸发器凝结、蒸发过程传热系数、流动阻力与设备结构和运行参数的匹配研究,进行了具有最佳传热流动特性的传热核心部件的结构设计,完成了海水淡化装置流程和结构设计与热源的最佳匹配方法研究。针对装置工作特点,提出了万吨级低温多效蒸发海水淡化装置设计方案,在此基础上建设完成的我国首台万吨级海水淡化装置顺利建设成功,各项技术经济指标超过同类引进设备,该项成果目前正在申报国家能源科技成果奖。

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自主研发的1.25万吨/ MED海水淡化装置

潮流能、波浪能发电技术研究-潮流能:结合市场实际需求,开展潮流发电技术研究,提出了多种形式的潮流发电机组设计方法。
      
水平轴水轮机:开发出针对浅海海域的水平轴履带式多叶片潮流发电机组;针对大连海域潮汐流流速较低的特点,研究了聚能导流罩及水偏航实现方法,开发了适合往复潮流的带导流罩单叶轮潮流发电机组;由于潮流发电机组向大功率、高容量发展,开发了兆瓦级双叶轮、正反转潮汐流发电机组,该机组可以适应往复潮流,正反叶轮同时旋转提高了潮汐流的捕获功率。
      
竖直轴水轮机:基于水轮机转动一周过程中的周向力及扭矩波动规律,以及升力与攻角之间的影响机理,研究开发了变攻角竖直轴潮流发电机组、动态变臂长竖轴潮流发电机组,可以有效提高水轮机的能量捕获效率和单机功率,并申请了国家发明专利。
      
获得折叠式潮流能水轮机国际首创发明专利:本研究方向提交3项折叠水轮机的中国发明专利申请、2项折叠水轮机的国际PCT专利申请、2项实用新型专利。折叠水轮机从2010729日开始已经受到法律保护,预计可达20年。大连理工大学折叠水轮机专利已受国际认可并已在Baird Maritime海洋杂志刊登。在实验方面,先做一个直径为30厘米的小型水轮机实验模型,此模型设计参数包括叶片的种类、直径、高度、来流速度、尖速比和密实度等,然后改变其不同参数来做测试以得到一个最优方案。对形状复杂的叶片和试验难以进行的状况进行CFD数值模拟,改变水轮机的叶片形状、数量和排列状况,模拟不同状况下的叶片周围的流场情况和叶片的动态失速状况。综合试验数据和CFD数值模拟数据,得到最优的叶片数量、形状和排列状况,进而得到最优的水轮机结构。

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折叠式潮流能水轮机

高性能海洋能量转化透平研究-优化设计:进行了水平轴、竖直轴潮流能水轮机设计和优化的理论研究,改进了传统BEM方法,实现了潮流能水轮机三维数值仿真。采用CFX商业软件和流管法相结合搭建了潮流能高效转换透平仿真平台,初步完成对实验各状态水轮机水力性能预测,并与实验结果进行比较,结果吻合较好。仿真平台主要包括潮流能水轮机流体机械设计CFD计算、水轮机叶片结构设计、潮流能水轮机原型设计、潮汐流水轮机发电场选址与布局的初步设计等子模块。

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潮流能水轮机设计和优化

高性能海洋能量转化透平实验研究-实验台建设:搭建了具有鲜明特色的高性能海洋能量转换透平实验平台,设计功率5.5kW,最大可扩展功率22 kW,可以实现流速范围0.5-8m/s竖直轴、水平轴潮流能水轮机的转速、扭矩动态测试,动态控制水轮机的转速、输出功率、加载功率和负载功率,实时监控实验平台转速、振动和可靠性。初步完成了竖轴水轮机预置攻角、尖速比对能量捕获效率影响5种工况70余组数据的测量,初步实验结果表明,所设计的竖直轴潮流能水轮机最高能量捕获效率可达35%,最大功率1.8kW

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高性能海洋能量转化透平实验平台